復(fù)合材料因其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、良好抗疲勞性、可設(shè)計性等優(yōu)異特性，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)的進(jìn)步及復(fù)合材料制造工藝的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造等技術(shù)正逐步成為復(fù)合材料制造的核心技術(shù)。與復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)相結(jié)合，復(fù)合材料零件的數(shù)字化檢測成為控制復(fù)合材料零件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
傳統(tǒng)的復(fù)合材料零件檢測方法是制作檢驗樣板，檢測精度低、效率低、成本高。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)，特別是激光跟蹤儀的出現(xiàn)，為復(fù)合材料零件的數(shù)字化檢測提供了必要技術(shù)手段。
激光跟蹤儀測量系統(tǒng)組成及測量原理
激光跟蹤儀被譽(yù)為移動式三坐標(biāo)測量機(jī)，它是基于球坐標(biāo)系的便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)，具有測量精度高、實時快速、動態(tài)測量、便于移動等優(yōu)點(diǎn)。
激光跟蹤儀可以測量目標(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)移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。總之，激光跟蹤儀是通過測量一個在目標(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)方向為X 軸，以度盤平面的法線向上方向為Z 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），并在空間移動時，激光跟蹤儀會自動跟蹤反射器，同時記錄干涉測距值D 及垂直度盤和水平度盤上的角度值α、β ，用這3個觀測值，依據(jù)公式（1）
就可得到點(diǎn)的空間三維直角坐標(biāo)（x、y、z ）。
復(fù)合材料零件的檢測
某型號飛機(jī)復(fù)合材料加強(qiáng)肋，使用傳統(tǒng)模擬量技術(shù)制造。現(xiàn)在隨著數(shù)字化制造的需求，需要使用激光跟蹤儀檢測此零件與理論位置的偏差。
本文采用的激光跟蹤儀測量系統(tǒng)是Leica AT901-LR，測量半徑80m，空間長度測量不確定度15μm+6μm/m；T-probe測量半徑15m，空間長度測量不確定度7μm/m。
復(fù)合材料零件的測量過程包括：測量數(shù)模的建立、測量坐標(biāo)系的建立、測量和結(jié)果分析3個步驟。
1 測量數(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量數(shù)模才能進(jìn)行數(shù)字化測量。
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)通過檢驗樣板的檢驗，因此可以把成型模具作為復(fù)材零件的檢測依據(jù)。利用激光跟蹤儀測量復(fù)合材料成型模具，使用測量結(jié)果建立測量數(shù)模。
測量數(shù)模建立的過程為：首先使用激光跟蹤儀在模具上測量點(diǎn)；然后通過大量的測量點(diǎn)形成測量點(diǎn)云；最后由大量的測量點(diǎn)云通過擬合計算生成型面。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量數(shù)模。
2 測量坐標(biāo)系的建立
測量數(shù)模必需與測量的復(fù)合材料零件處在同一個坐標(biāo)系內(nèi)才可以進(jìn)行測量，所以必須建立測量坐標(biāo)系。建立的方法是在建立測量數(shù)模時，在成型模具周邊設(shè)立固定的測量點(diǎn)，使用激光跟蹤儀對這些測量點(diǎn)進(jìn)行測量，并記錄空間坐標(biāo)測量值。此測量點(diǎn)就可以作為測量坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，任何對零件的測量都以這些測量點(diǎn)為原始基準(zhǔn)。
3 零件的測量
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量基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測量基準(zhǔn)點(diǎn)將零件與測量數(shù)模處于同一個坐標(biāo)系內(nèi)。坐標(biāo)系統(tǒng)一后，開始對零件進(jìn)行檢測。使用反射器直接測量零件型面，測量軟件自動將實測數(shù)據(jù)與測量數(shù)模理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，既可以測量出零件的幾何位置，還可以綜合評價整體位置在當(dāng)前坐標(biāo)系的狀態(tài)。
4 結(jié)果分析
測量結(jié)果的影響因素主要包括：儀器精度、振動、零件擺放位置等幾個方面。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。振動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量結(jié)果的主要因素。由于在測量過程中，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)，對測量結(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測量結(jié)果造成的影響。表1為擬合優(yōu)化前后的測量結(jié)果。從表1中可以看出，優(yōu)化前的測量結(jié)果與理論值偏差較大，但這些數(shù)值并不能表現(xiàn)出零件真實的情況，通過擬合優(yōu)化后，測量結(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的情況。
表1 擬合優(yōu)化前后的測量結(jié)果
結(jié)束語
數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是復(fù)合材料成型模具設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，快速數(shù)字化檢測，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。
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