傳統(tǒng)的復(fù)合材料零件檢測(cè)方法是制作檢驗(yàn)樣板，檢測(cè)精度低、效率低、成本高。隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，特別是激光跟蹤儀的出現(xiàn)，為復(fù)合材料零件的數(shù)字化檢測(cè)提供了必要技術(shù)手段。 

 

    激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)組成及測(cè)量原理 

    激光跟蹤儀被譽(yù)為移動(dòng)式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它是基于球坐標(biāo)系的便攜式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)快速、動(dòng)態(tài)測(cè)量、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。 

    激光跟蹤儀可以測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)距離和水平、垂直方向偏轉(zhuǎn)角。其基本原理是在目標(biāo)位置上安置一個(gè)反射器，激光跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上并返射回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測(cè)系統(tǒng)所接收，用來測(cè)算目標(biāo)的空間位置?？傊?，激光跟蹤儀是通過測(cè)量一個(gè)在目標(biāo)點(diǎn)上放置的反射器的位置，進(jìn)而確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。 

    激光跟蹤儀能直接測(cè)量出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這些三維坐標(biāo)是在激光跟蹤儀的儀器坐標(biāo)系下得到的。該坐標(biāo)系定義為：以跟蹤頭中心為原點(diǎn)，以度盤上的0讀數(shù)方向?yàn)閄 軸，以度盤平面的法線向上方向?yàn)閆 軸，以右手坐標(biāo)系規(guī)則確定Y 軸，如此建立起儀器坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 激光跟蹤儀測(cè)量原理圖

 

    當(dāng)反射器離開基準(zhǔn)位置（基準(zhǔn)位置距儀器中心的距離已知），并在空間移動(dòng)時(shí)，激光跟蹤儀會(huì)自動(dòng)跟蹤反射器，同時(shí)記錄干涉測(cè)距值D 及垂直度盤和水平度盤上的角度值α、β ，用這3個(gè)觀測(cè)值，依據(jù)公式（1）

 

    復(fù)合材料零件的檢測(cè) 

    某型號(hào)飛機(jī)復(fù)合材料加強(qiáng)肋，使用傳統(tǒng)模擬量技術(shù)制造?，F(xiàn)在隨著數(shù)字化制造的需求，需要使用激光跟蹤儀檢測(cè)此零件與理論位置的偏差。 

    本文采用的激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)是Leica AT901-LR，測(cè)量半徑80m，空間長(zhǎng)度測(cè)量不確定度15μm+6μm/m；T-probe測(cè)量半徑15m，空間長(zhǎng)度測(cè)量不確定度7μm/m。 

    復(fù)合材料零件的測(cè)量過程包括：測(cè)量數(shù)模的建立、測(cè)量坐標(biāo)系的建立、測(cè)量和結(jié)果分析3個(gè)步驟。 

 

    1 測(cè)量數(shù)模的建立 

    由于此復(fù)合材料零件使用傳統(tǒng)模擬量技術(shù)制造，沒有零件的數(shù)模，所以第一步必須建立零件的測(cè)量數(shù)模才能進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。 

    大型復(fù)合材料零件的制造過程，不同于傳統(tǒng)的金屬材料零件制造過程。由于復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，在后期無法進(jìn)行大量的高精度的加工。所以復(fù)合材料零件成型特點(diǎn)是一體化成型，后期精密加工量較少，其精度基本上完全要依靠成型模具的精度來保證。而本文中的復(fù)合材料零件的成型模具的精度已經(jīng)通過檢驗(yàn)樣板的檢驗(yàn)，因此可以把成型模具作為復(fù)材零件的檢測(cè)依據(jù)。利用激光跟蹤儀測(cè)量復(fù)合材料成型模具，使用測(cè)量結(jié)果建立測(cè)量數(shù)模。 

    測(cè)量數(shù)模建立的過程為：首先使用激光跟蹤儀在模具上測(cè)量點(diǎn)；然后通過大量的測(cè)量點(diǎn)形成測(cè)量點(diǎn)云；最后由大量的測(cè)量點(diǎn)云通過擬合計(jì)算生成型面。此型面由于與零件外形型面相貼合，所以可以作為零件的測(cè)量數(shù)模。 

 

    2 測(cè)量坐標(biāo)系的建立 

    測(cè)量數(shù)模必需與測(cè)量的復(fù)合材料零件處在同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)才可以進(jìn)行測(cè)量，所以必須建立測(cè)量坐標(biāo)系。建立的方法是在建立測(cè)量數(shù)模時(shí)，在成型模具周邊設(shè)立固定的測(cè)量點(diǎn)，使用激光跟蹤儀對(duì)這些測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并記錄空間坐標(biāo)測(cè)量值。此測(cè)量點(diǎn)就可以作為測(cè)量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，任何對(duì)零件的測(cè)量都以這些測(cè)量點(diǎn)為原始基準(zhǔn)。 

 

    3 零件的測(cè)量 

    將復(fù)合材料零件在模具上固定好位置后，拆除模具。然后使用激光跟蹤儀測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)將零件與測(cè)量數(shù)模處于同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)。坐標(biāo)系統(tǒng)一后，開始對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)。使用反射器直接測(cè)量零件型面，測(cè)量軟件自動(dòng)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)模理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，既可以測(cè)量出零件的幾何位置，還可以綜合評(píng)價(jià)整體位置在當(dāng)前坐標(biāo)系的狀態(tài)。 

 

    4 結(jié)果分析 

    測(cè)量結(jié)果的影響因素主要包括：儀器精度、振動(dòng)、零件擺放位置等幾個(gè)方面。儀器精度是固定因素，由于復(fù)材零件的精度要求為±1mm，遠(yuǎn)大于激光跟蹤儀的精度，因此儀器精度的影響幾乎可以忽略不計(jì)。振動(dòng)可以通過選擇激光跟蹤儀的站位控制。零件擺放位置成為影響測(cè)量結(jié)果的主要因素。由于在測(cè)量過程中，復(fù)材零件的位置是由成型模具來確定的，而在安裝過程中，零件不可能與模具完全貼合，所以零件擺放位置必然產(chǎn)生很大的誤差，解決的方法是以零件自身為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合法的優(yōu)化處理，這樣可以減少由于擺放位置對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。表1為擬合優(yōu)化前后的測(cè)量結(jié)果。從表1中可以看出，優(yōu)化前的測(cè)量結(jié)果與理論值偏差較大，但這些數(shù)值并不能表現(xiàn)出零件真實(shí)的情況，通過擬合優(yōu)化后，測(cè)量結(jié)果的偏差大幅減低，消除了由于擺放位置產(chǎn)生的誤差。而優(yōu)化后的結(jié)果才能反映出零件真實(shí)的情況。

    數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是復(fù)合材料成型模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，快速數(shù)字化檢測(cè)，不僅解決了傳統(tǒng)模擬量傳遞的弊端，還為復(fù)合材料制造提供了有效的質(zhì)量監(jiān)控手段。 

 

    參考文獻(xiàn) 

[1] 馬驪群，曹鐵澤，王繼虎，等.便攜式測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件檢測(cè)中的應(yīng)用.計(jì)量技術(shù)，2008(6)：911. 

[2] 史建華.基于激光跟蹤儀的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具檢測(cè).上海計(jì)量測(cè)試，2012(1)：2831. 

[3] 孫明，楊廣雙.跟蹤儀在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用.第17屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議（復(fù)合材料制造技術(shù)與設(shè)備分論壇）論文集，2012：727729. 

[4] 黃宇.激光跟蹤儀在飛機(jī)數(shù)字化制造過程中的應(yīng)用.航空制造技術(shù)，2011(6)： 3237.

作者：王衡