CN108973160B - 一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法 - Google Patents

一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法，包括步骤：设计靶标孔；预成型工装定位；测距；轮廓展开及坐标变换：利用软件将要加工的零件轮廓以其腹板面为基准展开，然后将展开的图形按坐标关系转移到材料平台上；激光投影：利用激光投影技术，以预成型工装上的靶标孔建立坐标系，并将展开及位置转移后的材料轮廓投影出来；以及材料定位：将预浸料层压板布置于隔膜上并按激光投影的材料轮廓在材料平台上进行定位。

Description

一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法
技术领域
本发明属于复合材料制造领域，更具体地，涉及一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法。
背景技术
复合材料热隔膜预成型工艺近年已在国内航空领域有所应用，其中双隔膜预成型工艺是其中较为先进的一种。该工艺将铺贴好的预浸料层压板置于双层隔膜之间进行预热，然后将加热过的预成型工装转移到隔膜下方，在真空的作用下将隔膜逐渐吸附到预成型模具上，从而使层压板变形并贴合模具外形。在这一过程中，预浸料层压板与预成型工装之间的相对位置尤其重要。如两者定位不准确，纤维角度将无法保证，而且对于变厚度零件，各厚度区域的位置也将与理论值相差甚远。在双隔膜预成型工艺中，预浸料和预成型工装的相对位置一经确定，工艺进行过程中人工是无法干预调整其位置的，所以一种准确通用的预浸料定位方法就尤为重要。
目前国内在C型梁的隔膜预成型方面，采用了在预成型模具上标记参考线的方法，并利用设计的额外铺层进行定位。但该方法通用性较差，需要人工将材料和工装对准，不能适用于双隔膜成型工艺。目前，国内的现有技术无法解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料热隔膜预成型工艺的预浸料定位方法，使预浸料和工装分处不同平台时，实现两者的相对位置的准确定位。要保证此时材料与工装的位置足够精确，需通过建立三维坐标系，结合激光投影和红外测距来实现。
根据本发明的复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法，其中工装平台和材料平台布置在相互平行的两个导轨上，其中所述预浸料定位方法包括步骤：
设计靶标孔：在预成型工装上制造出一系列靶标孔，并将靶标孔孔位在零件坐标系下的三维坐标值标记到预成型工装上；
确定工装与导轨的位置关系：预成型工装在工装平台上放置后，明确导轨方向与工装坐标系的空间关系，并将导轨方向输入到计算机中的工装坐标系下；较为优选的方案是：在预成型工装上的一端设计并加工标准边；
预成型工装定位：将预成型工装放置在工装平台上，使得所述预成型工装的标准边平行于所述导轨的方向；只要工装定位准确，就可以在计算机中以标准边方向作为导轨方向；
测距：测量材料平台和工装平台之间的距离，较为优选的方案是，利用材料平台上安装的激光测距装置测量材料平台和工装平台之间的距离；
轮廓展开及坐标变换：利用软件将要加工的零件轮廓以其腹板面为基准展开，然后将展开的图形按坐标关系转移到材料平台上；
激光投影：利用激光投影技术，以预成型工装上的靶标孔建立坐标系，并将展开及位置转移后的材料轮廓投影出来；以及
材料定位：将预浸料层压板布置于隔膜上并按激光投影的材料轮廓在材料平台上进行定位。
其中，在所述工装平台上设计平行于所述导轨的挡条，所述档条利用所述工装平台的边缘来定位。
其中，在轮廓展开及坐标变换步骤中，先建立右手坐标系，X轴垂直于导轨方向，Y轴平行于导轨方向，方向由工装平台指向材料平台，Z轴垂直于工装平台向上，将展开的材料轮廓沿Y轴正方向移动Y1+W，再沿Z轴负方向移动Z1，即是材料轮廓的正确位置，其中W是工装平台和材料平台的宽度，Y1是工装平台和材料平台之间的间距，Z1是预成型工装的腹板面到工装平台的高度。
根据本发明的预浸料定位方法具有以下优点：
(1)准确度高：利用激光投影，增加了定位准确性。
(2)省时省力：只需人工定位工装的一个方向，操作简便。由于对一个大体积大重量的工装进行双向定位费时费力，本发明极大地提高了生产效率。
(3)通用性强：任何结构的零件，都可以用本发明所提供的方案进行定位，解决了以往不同结构的零件需要制备一套专用定位工装的难题，节约了成本。
(4)预成型制造工装简化：本发明的方案极大地降低了对预成型工装的要求，无需在型面上刻线，无需保障预成型工装余量区的轮廓精度，只需要加工一个标准边及多个靶标孔就能符合要求。
附图说明
本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中：
图1是根据本发明的工装平台和材料平台的示意图；
图2是根据本发明的预成型工装转移的示意图；
图3是根据本发明的预成型工装的定位图；
图4是根据本发明的预成型工装的另一角度的定位图；
图5是根据本发明的红外测距的示意图；
图6是根据本发明的坐标转换及投影的示意图；
图7是根据本发明的预成型工装和工装平台的侧视图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其它实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。
以预成型一个变厚度变截面变曲率的C型梁为例，详述其材料与工装的定位过程：
(1)设计靶标孔：
图1-图2示出了具有相同形状和大小的工装平台1和材料平台2布置在相互平行的两个导轨6上，预成型工装5放置在工装平台1上。在预成型工装5上制造出一系列靶标孔7，并将靶标孔7孔位在零件坐标系下的三维坐标值标记到预成型工装5上。这些靶标孔7在同一个坐标系下的三维坐标值已经确定，并刻在预成型工装5上备用。该坐标系已经和预成型工装5永久绑定了，为方便表述，称它为“工装坐标系”。
(2)工装定位：预成型工装5在工装平台1上放置后，应明确导轨方向与工装坐标系的空间关系。在一个优选的实施例中，在预成型工装5的一端加工出标准边8，并在工装平台1上设计平行于导轨6的挡条9。
如图3-图4中所示，利用工装平台1的两边，将挡条9定位到工装平台1上，挡条沿工装平台1长度方向的位置精度不高，可根据实际情况来定。挡条9定位好后拧紧一端螺栓。将预成型工装5上的标准边8贴紧挡条9。预成型工装5沿挡条方向的位置精度不高，尽量靠平台中心位置即可。
(3)测距：如图5中所示，利用材料平台2上加装的激光测距装置10，或本领域已知的其它测距装置，测量工装平台1和材料平台2之间的距离Y1。该距离是坐标转换的重要数据之一。
(4)轮廓展开及坐标变换：如图6-7中所示，利用软件将零件轮廓以腹板面为基准展开，然后将展开的图形按坐标关系转移到材料平台2上。
以图6所示为例，简述坐标转换过程。先建立右手坐标系，X轴垂直于导轨方向，Y轴平行于导轨方向，方向由工装平台1指向材料平台2，Z轴垂直于工装平台1向上，将展开的材料轮廓沿Y轴正方向移动Y1+W，再沿Z轴负方向移动Z1，即是材料轮廓的正确位置，其中W是工装平台1和材料平台2的宽度，Y1是工装平台1和材料平台2之间的间距，Z1是预成型工装5的腹板面到工装平台1的高度。
(5)激光投影：确定激光投影仪在工装坐标系中的位置：预成型工装5放好之后，激光投影仪要明确自身在工装坐标系中的位置，所以它去采集预成型工装5上已经钻好的靶标孔7，每采集一个靶标孔7的位置，工人会把靶标孔7的坐标输给激光投影仪。理论上，采集三个点之后，激光投影仪的软件系统就能还原工装坐标系，清楚知晓自身在工装坐标系下面的位置。至此，激光投影仪已经纳入到工装坐标系下。
利用激光投影技术，以预成型工装5上的靶标孔7建立坐标系，并将展开及位置转移后的材料轮廓投影出来。此时轮廓投影位于材料平台2上。实际中，在catia软件中提取任意一个工装上的空间曲线，输送给激光投影仪，它都能准确投影，我们也可以自己画一条曲线，让激光投影仪投影，曲线在软件里被画在那个位置，投影就投到那个位置。
(6)材料定位：将预浸料层压板4布置于隔膜3上并按激光投影的材料轮廓在材料平台上进行定位。
然后，如图2所示，利用本领域已知的装置将定位好的预浸料层压板4和隔膜3放置在预成型工装5上进行加工。
根据本发明的预浸料定位方法具有以下优点：
(1)准确度高：利用激光投影，增加了定位准确性。
(2)省时省力：只需人工定位工装的一个方向，操作简便。由于对一个大体积大重量的工装进行双向定位费时费力，本发明极大地提高了生产效率。
(3)通用性强：任何结构的零件，都可以用本发明所提供的方案进行定位，解决了以往不同结构的零件需要制备一套专用定位工装的难题，节约了成本。
(4)预成型制造工装简化：本发明的方案极大地降低了对预成型工装的要求，无需在型面上刻线，无需保障预成型工装余量区的轮廓精度，只需要加工一个标准边及多个靶标孔就能符合要求。
以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。

Claims (3)

1.一种复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法，工装平台(1)和材料平台(2)布置在相互平行的两个导轨(6)上，其特征在于，所述预浸料定位方法包括步骤：
设计靶标孔：在预成型工装(5)上制造出一系列靶标孔(7)，并将靶标孔(7)孔位在零件坐标系下的三维坐标值标记到预成型工装(5)上；
预成型工装定位：将预成型工装(5)放置在工装平台(1)上，在预成型工装(5)的一端加工出标准边(8)，使得所述预成型工装(5)的标准边(8)平行于所述导轨(6)的方向；
测距：测量材料平台(2)和工装平台(1)之间的距离；
轮廓展开及坐标变换：利用软件将要加工的零件轮廓以其腹板面为基准展开，然后将展开的图形按坐标关系转移到所述材料平台(2)上；先建立右手坐标系，X轴垂直于所述导轨(6)的方向，Y轴平行于所述导轨(6)的方向，方向由工装平台(1)指向材料平台(2)，Z轴垂直于工装平台(1)向上，将展开的材料轮廓沿Y轴正方向移动Y1+W，再沿Z轴负方向移动Z1，即是材料轮廓的正确位置，其中W是工装平台(1)和材料平台(2)的宽度，Y1是工装平台(1)和材料平台(2)之间的间距，Z1是预成型工装(5)的腹板面到工装平台(1)的高度；
激光投影：利用激光投影技术，以预成型工装(5)上的靶标孔(7)建立坐标系，并将展开及位置转移后的材料轮廓投影出来；以及
材料定位：将预浸料层压板(4)布置于隔膜(3)上并按激光投影的材料轮廓在所述材料平台(2)上进行定位。
2.根据权利要求1所述的复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法，其特征在于，测距的步骤包括利用材料平台(2)上安装的激光测距装置(10)测量材料平台(2)和工装平台(1)之间的距离。
3.根据权利要求2所述的复合材料热隔膜预成型的预浸料定位方法，其特征在于，在所述工装平台(1)上设计平行于所述导轨(6)的挡条(9)，所述挡条(9)利用所述工装平台(1)的边缘来定位。
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