激光铺层定位系统在复材数字化制造中的应用

 激光铺层定位系统在复材数字化制造中的应用

潘云辉1 ,李燕1 ,马军1 ,罗俊1,方路平1, ,熊洋1 ,朱春生2

1 航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，2 南昌工程学院 江西南昌 330024

[摘要] 本文详细铲述了激光铺层定位系统的工作原理，描述了利用计算机辅助设计软件和FiberSIM软件提取理论投影面及铺层轮廓的方法，对激光铺层定位系统进行检定的方法,并提出了控制投影系统捕捉工装上定位点以及将理论铺层轮廓边界快速、准确地投影至实际投影面的操作细节，并得出结论。

关键词:复合材料；激光投影；定位系统；数字化制造

1 引言

随着制造智能化技术发展，激光铺层定位系统已广泛运用在复合材料零件制造领域中。该设备在复合材料制件成型铺贴这一工序中，能准确投影出碳纤维预浸料的铺层角。

激光投影就是利用激光本身的特点，由激光发射头生成对人眼安全的绿光束，通过转轴驱动装置和振镜等设备将激光束以高速扫描的形式投影到工装表面，由于绿光束以700m/s的速率高速扫描移动，该速率高于人眼能识别的速率范围，人眼察觉不到激光点移动的变化，这样在待投影曲面上观测到激光形成的完整图形轮廓，并且可以投影任意形状的承接表面[1]。

2 激光铺层定位系统及其应用

2.1 激光铺层定位系统的组成

激光铺层定位系统使用PRO-SOFT 3D软件，接受从CATIA、FiberSIM等专业软件导出的3D激光投影文件。系统硬件主要由计算机控制系统、激光发射头、定位头、激光头支架、集成网络/RS485网关的配电箱、工装组成，如图1左图所示。

图1 激光铺层定位系统组成及标准工装标定示意图

2.2激光铺层定位系统的检定

铺层定位系统的准确性是影响铺层定位精度的主要因素之一，在使用之前对铺层定位系统进行检定是一项非常重要的工作。激光铺层定位系统的定位精度主要考虑三个方面：1）激光线位置精度：不超过±0.5mm范围；2）激光线宽度精度：线宽小于1mm；3）靶标位置精度：不超过±0.5mm范围。

标准工装是激光铺层定位系统的主要检具。在周期检定时由测量机对标准工装的精度进行标定，合格之后方能使用。标准工装是由一系列按一定规则分布的靶标、圆形和方形的刻线槽组成，如图1右图所示。检定时，启动铺层定位系统应用程序，调用标准工装模型，激光器将模型线投影至标准工装。激光线位置和宽度检定：将激光线投影到标准工装的线槽内，利用卡尺测量激光线相对于线槽中心线的位置和线宽。靶标位置的检定：将标准工装置于激光头下方，运行扫描程序，激光头自动扫描标准工装上的靶标位置，扫描结束后软件自动比对其内部的理论值，得到误差值，进而生成结果报告。若误差值在技术要求的精度范围之内，则认为其符合要求。

2.3 铺层激光投影原理及铺层定位投影

计算机控制系统读取靶标文件内定位头的三维坐标值；控制激光投影设备捕捉固定在工装上的目标定位头,测得投影技术系统坐标系下的三维坐标值；系统将两组数据进行对比，确定CAD数模坐标系与投影系统坐标系之间的关系，即由内置程序计算出两坐标系之间的变换矩阵；控制系统读取投影文件内点的坐标数据后，转换成投影系统坐标系下的坐标值，控制激光发射头在工装表面投影出铺层轮廓。系统流程图如图2所示。

图2 铺层激光投影流程图及定位实例

2.4 目标定位头的捕捉、铺层数据转换

为了提高投影系统的校准和投影显示的精度，操作者需要根据激光投影设备的投影范围，移动工装的位置，调整与投影设备之间的相对位置，保证投影工装处于投影范围内，且尽量使激光束能够与定位头保持垂直关系[2]。

激光铺层定位系统有自己的坐标系，即投影系统坐标系，其是建立在空间物体上的坐标系，也称为局部坐标系。为使CAD数模中零件的铺层边界按1:1比例投影到工装上，在投影过程中，首先需要确定投影系统坐标系与CAD数模坐标系（飞机坐标系）之间的变换关系，对两者进行标定。

设飞机坐标系O-XYZ的单位矢量为（i,j,k）；投影系统坐标系-的单位矢量为（，，）；（i=1,2,3,…,N）是目标定位头，其在投影系统坐标系下的坐标用矩阵表示为=(,,)(i=1,2,…,N)，其中N表示定位头的个数。由于：

……… (1)

利用最小二乘迭代法计算得到目标定位头的三维坐标从飞机坐标系到投影坐标系的坐标变换公式：

……… (2)

其中，R表示旋转矩阵，V表示平移矩阵。

铺层边界上提取点的三维坐标在飞机坐标系下用向量表示为=() (i=1,2,…,M)，在投影坐标系下用向量表示为=(,,)(i=1,2,…,M)，其中M表示提取点的个数，由公式（2）可得:

……… (3)

投影系统根据获得的数据，在工装上投影出铺层的轮廓。

4 结论

激光铺层定位系统已在多型机上得到验证及应用，实现了各铺层轮廓的投影，满足定位要求。

（1）使用数字量传递方式，能够快速、准确地投影铺层轮廓，定位精度能够较好地满足实际需要，避免了较大的人工画线误差，减少工人操作时间。

（2）激光投影设备结构简单、轻便，操作简单，占地小，适用于各种复合材料结构形状和位置铺层轮廓的定位投影。

（3）对于多曲率结构，靶标的放置位置会影响投影线的完整性，需在工装设计时一并设计。

参考文献

[1] 查振兴,张磊磊.激光铺层定位系统校准技术的研究[J]  硅谷  2014（19）

[2] 俞慈君,李江雄, 余锋杰,等. 带工程约束的点匹配算法.机械工程学报, 2010, 46(5):183-190