CN108180847B - 一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，步骤包括：三维激光扫描设备的现场调试准备；将三维激光扫描设备以及抽真空平台的位置相对固定，再安装预制体模具，对模具基座所在平面以及三维激光扫描设备的坐标进行校准；扫描获得支撑模上表面点云；在支撑模上表面放置待测预制体；在模具基座上覆盖真空膜，进行抽真空；在达到预设真空度后，扫描获得真空膜上表面点云；将真空膜上表面点云与支撑模上表面点云进行测量偏差操作，获得待测预制体在预设真空度下的测量厚度值。该厚度测量方法采用抽真空厚度测量方法测量复杂曲面编织预制体厚度，对预制体无任何损伤，适用于多种形状编织预制体的厚度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种厚度测量方法，尤其是一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法。
背景技术
三维编织复合材料是一种具有高比强度、高比模量、高损伤容限、耐冲击、抗分层和抗疲劳等特点的新型高性能纺织结构复合材料。凭借这些突出的性能表征，该类材料已经作为火箭整流罩，发射器喷管、发动机支架、飞机机身等关键部件，在火箭、卫星、飞机、高速动车组、汽车、武器装备等方面逐渐得到推广，性能提升显著。
复杂曲面编织预制体的厚度与复合材料的力学性能关系密切，所以编织预制体的厚度测量十分关键。现有复杂曲面编织预制体厚度测量方法采用扎针法测量厚度，用一枚针竖直扎穿预制体，针头触及辅助测量工具挡板时，针身与编织预制体面的交点距针尖的长度即为该点处编织预制体厚度。这种方法易造成编织预制体内部纤维刺裂损伤，易引入金属杂质残留，易出现扎过或扎不透等缺陷。测量结果误差大，无法精确测量编织预制体的厚度。依托测厚仪式原理测量时，由于预制体是连续变厚曲面，测头平面无法贴合测量曲面，测量结果无法真实表征曲面某处厚度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的编织预制体厚度测量方法对于复杂曲面预制体的测量结果误差大，无法精确测量编织预制体的厚度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，包括如下步骤：
步骤1，三维激光扫描设备的现场调试准备；
步骤2，将三维激光扫描设备以及抽真空平台的位置相对固定，再在抽真空平台上安装预制体模具，预制体模具由模具基座以及设置在模具基座上的支撑模构成，对模具基座所在平面以及三维激光扫描设备的坐标进行校准；
步骤3，利用三维激光扫描设备对位置固定的支撑模上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的支撑模上表面点云；
步骤4，在支撑模上表面放置待测预制体，并使待测预制体下表面与支撑模上表面贴合，且二者的边缘对齐；
步骤5，在模具基座上覆盖真空膜，支撑模和待测预制体均位于真空膜下方，真空膜的四周密封在模具基座上，将真空膜的抽气接口通过管路连接真空泵，再启动真空泵进行抽真空；
步骤6，在抽真空达到预设真空度后，保持预设真空度3～5min，利用三维激光扫描设备对持续抽真空状态下的真空膜上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的真空膜上表面点云；
步骤7，将真空膜上表面点云与支撑模上表面点云进行测量偏差操作，获得各个测量点处压缩待测预制体和真空膜的整体厚度值δ，则待测预制体在预设真空度下的测量厚度值为δ-δ′，其中δ′为真空膜的厚度。
作为本发明的进一步限定方案，步骤4中，在待测预制体上预先编织有横向和纵向分布的预制体标定线，在模具基座上设有与待测预制体上的预制体标定线相对于的校准标定线。采用预制体标定线和校准标定线能够辅助校准待测预制体在支撑模上的位置，增强测量精度。
作为本发明的进一步限定方案，步骤4中，在支撑模上表面放置待测预制体后，利用校验卡板对待测预制体与支撑模的相应位置处的预制体标定线和校准标定线进行校准。采用校验卡板能够方便对齐预制体标定线和校准标定线，实现位置精确校准。
作为本发明的进一步限定方案，校验卡板包括固定梁、卡板、定位销以及固定螺栓；在固定梁的下侧边上设有U形槽口，卡板可拆卸竖向固定安装在固定梁的U形槽口处，且在卡板的下边缘上设有与对应位置处预制体标定线的起伏形状相对于的弧形边缘；在模具基座上且位于每个校准标定线的两端处均设置有螺纹孔和销孔；在固定梁的两端分别设有两个安装孔；固定梁沿校准标定线安装，且定位销贯穿安装孔插入销孔内，固定螺栓贯穿安装孔旋合在螺纹孔上。采用在卡板的下边缘上设有与对应位置处预制体标定线的起伏形状相对于的弧形边缘，能够精确贴合待测预制体的上表面进行校准。
作为本发明的进一步限定方案，在定位销的上端上设有把手杆。采用把手杆方便定位销的快速插拔。
作为本发明的进一步限定方案，在支撑模的上表面上设有与待测预制体下表面相对应的支撑曲面；在支撑曲面的边缘处设有导气线槽，且导气线槽与支撑曲面边缘间距≤3cm。采用支撑曲面对待测预制体下表面进行支撑，防止待测预制体抽真空时下侧面挤压变形，确保测量精度；采用导气线槽能够起到导气作用，确保抽真空时内部气压均匀。
作为本发明的进一步限定方案，在模具基座上侧面上围绕支撑模设置有一圈密封槽，在密封槽内填充密封硅胶，真空膜的四周通过密封槽内的密封硅胶进行密封。采用密封槽和密封硅胶的组合来对真空膜的四周边缘进行密封，具有较强的密封性能，且由于密封槽的作用能够限制密封硅胶，防止在抽真空时被吸出槽外而漏气。
作为本发明的进一步限定方案，密封槽的宽度为5mm，深度为1mm。采用该尺寸的密封槽具有非常好的密封硅胶限位效果，且填充5mm宽的密封硅胶具有非常好的密封效果。
作为本发明的进一步限定方案，步骤6中，预设真空度为0.7bar，真空泵的启动值设为0.68bar，真空泵的停止值设为0.71bar；抽真空时的环境温度范围为10～30℃。通过大量实验获得在抽真空时维持在0.7bar真空度条件下较为稳定，确保待测预制体抽真空厚度测量的数据稳定性。
作为本发明的进一步限定方案，步骤7中，进行测量偏差操作时，选取测量点坐标处半径为2.5mm范围内的各个坐标点作为区域坐标点，计算区域坐标点内各个坐标点处的厚度值的均值作为该测量点处的整体厚度值δ。采用区域坐标点平均值计算整体厚度，能够增强测量的可靠性，避免偶然误差。
本发明的有益效果在于：采用抽真空厚度测量方法测量复杂曲面编织预制体厚度以扫描点云方式进行测试，对预制体无任何损伤，适用于复杂曲面编织预制体、异形编织预制体、仿形编织预制体或其它形状回转编织预制体的厚度测量；测量过程中编织预制体无损伤，不会引入其它杂质，对以编织预制体成型的复合材料性能无影响；测量结果精准且可表征编织预制体整体厚度分布趋势；可测量编织预制体任一点处的厚度值，无测量区域局限；可实现测量值与理论值的拟合比对，具有设计参数指导性；依托“差量法”将两次点云数据做测量偏差处理得到厚度值，可实现不同真空度下编织预制体的厚度测量；可表征编织预制体整体厚度变化趋势。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的预制体模具结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，包括如下步骤：
步骤1，三维激光扫描设备的现场调试准备，包括设备搭建、设备线路连接、设备开机调试等；
步骤2，将三维激光扫描设备以及抽真空平台的位置相对固定，再在抽真空平台上安装预制体模具，预制体模具由模具基座1以及设置在模具基座上的支撑模2构成，对模具基座1所在平面以及三维激光扫描设备的坐标进行校准，以模具基座1平面为基准面进行三维激光扫描设备的坐标系校准，后续所有操作过程中，三维激光扫描设备、抽真空平台及抽真空平台上的待测预制体严禁出现任何移动、偏移，保证两次扫描得到的点云坐标系严格一致；
步骤3，利用三维激光扫描设备对位置固定的支撑模2上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的支撑模2上表面点云，扫描点云次数至少达到3～5次，确保扫描出的点云无噪点、缺陷(点云空缺)；
步骤4，在支撑模2上表面放置待测预制体，并使待测预制体下表面与支撑模2上表面贴合，且二者的边缘对齐，待测预制体最厚部位与支撑曲面最凹部位对应；
步骤5，在模具基座1上覆盖真空膜，支撑模2和待测预制体均位于真空膜下方，真空膜的四周密封在模具基座1上，将真空膜的抽气接口通过管路连接真空泵，真空膜上设有四个抽气接口，并在每个抽气接口处垫放无纺布，再启动真空泵进行抽真空；
步骤6，在抽真空时先将抽真空速率控制在满额速率的三分之一左右，伴随缓慢地抽真空过程中，将待测预制体表面真空膜的折痕、褶皱铺平展开调整，表面真空膜平整地贴合待测预制体表面后，满开速率抽真空，在抽真空达到预设真空度后，保持预设真空度3～5min，利用三维激光扫描设备对持续抽真空状态下的真空膜上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的真空膜上表面点云；
步骤7，将真空膜上表面点云与支撑模2上表面点云进行测量偏差操作，获得各个测量点处压缩待测预制体和真空膜的整体厚度值δ，则待测预制体在预设真空度下的测量厚度值为δ-δ′，其中δ′为真空膜的厚度。
如图2所示，作为本发明的进一步限定方案，步骤4中，在待测预制体上预先编织有横向和纵向分布的预制体标定线，在模具基座1上设有与待测预制体上的预制体标定线相对于的校准标定线12；在支撑模2上表面放置待测预制体后，利用校验卡板对待测预制体与支撑模2的相应位置处的预制体标定线和校准标定线进行校准。
作为本发明的进一步限定方案，校验卡板包括固定梁3、卡板5、定位销7以及固定螺栓；在固定梁3的下侧边上设有U形槽口4，卡板5可拆卸竖向固定安装在固定梁3的U形槽口4处，且在卡板5的下边缘上设有与对应位置处预制体标定线的起伏形状相对于的弧形边缘6；在模具基座1上且位于每个校准标定线的两端处均设置有螺纹孔11和销孔10；在固定梁3的两端分别设有两个安装孔9；固定梁3沿校准标定线12安装，且定位销7贯穿安装孔9插入销孔10内，固定螺栓贯穿安装孔9旋合在螺纹孔11上；在定位销7的上端上设有把手杆8；在支撑模2的上表面上设有与待测预制体下表面相对应的支撑曲面；在支撑曲面的边缘处设有导气线槽14，且导气线槽14与支撑曲面边缘间距≤3cm；在模具基座1上侧面上围绕支撑模设置有一圈密封槽，图中未示出该密封槽，可在密封槽内填充密封硅胶，真空膜的四周通过密封槽内的密封硅胶进行密封；密封槽的宽度为5mm，深度为1mm。
作为本发明的进一步限定方案，步骤6中，预设真空度为0.7bar，真空泵的启动值设为0.68bar，真空泵的停止值设为0.71bar；抽真空时的环境温度范围为10～30℃。
作为本发明的进一步限定方案，步骤7中，进行测量偏差操作时，选取测量点坐标处半径为2.5mm范围内的各个坐标点作为区域坐标点，计算区域坐标点内各个坐标点处的厚度值的均值作为该测量点处的整体厚度值δ；本实施例选取测量点坐标处半径为2.5mm范围内的五个坐标点作为区域坐标点，设定支撑曲面上测量点G的空间坐标为(XG，YG，ZG)，以测量点G所在支撑面的切面作法向量映射到真空膜表面对应点g的空间坐标为(Xg，Yg，Zg)，因此，各个坐标点处的整体厚度值
再通过δ-δ′计算出相应坐标点处的预制体厚度。
Claims (6)
1.一种复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，三维激光扫描设备的现场调试准备；
步骤2，将三维激光扫描设备以及抽真空平台的位置相对固定，再在抽真空平台上安装预制体模具，预制体模具由模具基座以及设置在模具基座上的支撑模构成，对模具基座所在平面以及三维激光扫描设备的坐标进行校准；
步骤3，利用三维激光扫描设备对位置固定的支撑模上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的支撑模上表面点云；
步骤4，在支撑模上表面放置待测预制体，并使待测预制体下表面与支撑模上表面贴合，且二者的边缘对齐；
步骤5，在模具基座上覆盖真空膜，支撑模和待测预制体均位于真空膜下方，真空膜的四周密封在模具基座上，将真空膜的抽气接口通过管路连接真空泵，再启动真空泵进行抽真空；
步骤6，在抽真空达到预设真空度后，保持预设真空度3～5min，利用三维激光扫描设备对持续抽真空状态下的真空膜上表面进行扫描，获得由各个坐标点构成的真空膜上表面点云；
步骤7，将真空膜上表面点云与支撑模上表面点云进行测量偏差操作，获得各个测量点处压缩待测预制体和真空膜的整体厚度值δ，则待测预制体在预设真空度下的测量厚度值为δ-δ′，其中δ′为真空膜的厚度；
在支撑模的上表面上设有与待测预制体下表面相对应的支撑曲面；在支撑曲面的边缘处设有导气线槽，且导气线槽与支撑曲面边缘间距≤3cm；
在该步骤4中，在待测预制体上预先编织有横向和纵向分布的预制体标定线，在模具基座上设有与待测预制体上的预制体标定线相对应的校准标定线；
在支撑模上表面放置待测预制体后，利用校验卡板对待测预制体与支撑模的相应位置处的预制体标定线和校准标定线进行校准；
校验卡板包括固定梁、卡板、定位销以及固定螺栓；在固定梁的下侧边上设有U形槽口，卡板可拆卸竖向固定安装在固定梁的U形槽口处，且在卡板的下边缘上设有与对应位置处预制体标定线的起伏形状相对应的弧形边缘；在模具基座上且位于每个校准标定线的两端处均设置有螺纹孔和销孔；在固定梁的两端分别设有两个安装孔；固定梁沿校准标定线安装，且定位销贯穿安装孔插入销孔内，固定螺栓贯穿安装孔旋合在螺纹孔上。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，在定位销的上端上设有把手杆。
3.根据权利要求1所述的复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，在模具基座上侧面上围绕支撑模设置有一圈密封槽，在密封槽内填充密封硅胶，真空膜的四周通过密封槽内的密封硅胶进行密封。
4.根据权利要求3所述的复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，密封槽的宽度为5mm，深度为1mm。
5.根据权利要求1所述的复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，步骤6中，预设真空度为0.7bar，真空泵的启动值设为0.68bar，真空泵的停止值设为0.71bar；抽真空时的环境温度范围为10～30℃。
6.根据权利要求1所述的复杂曲面编织预制体的厚度测量方法，其特征在于，步骤7中，进行测量偏差操作时，选取测量点坐标处半径为2.5mm范围内的各个坐标点作为区域坐标点，计算区域坐标点内各个坐标点处的厚度值的均值作为该测量点处的整体厚度值δ。
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