[发明专利]复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法

说明书

本发明公开了复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法，将线激光传感器固联到自动铺丝机的末端铺放头上，线激光传感器跟随末端铺放头运动在机采集当前铺放的丝束带的一系列截面线轮廓数据；根据线激光传感器每个采样时刻铺丝头在工件坐标系下的位姿信息以及预先标定的线激光器坐标系与铺丝头坐标系之间的变换关系，将所述线激光器在该时刻采集到的丝束带截面轮廓线上的数据点列变换到工件坐标下，从而在机合成整个丝束带的全三维形貌；针对在机获得的丝束带三维点云的信息特征，设计检测算法自动进行丝束搭接、缝隙等表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测。本发明使缺陷检测的数据采集过程与自动铺丝过程同时完成。

技术领域

本发明属于在线检测技术领域，具体涉及一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有轻质、高强、可设计性好、抗疲劳、耐腐蚀、便于整体成型等一系列显著优点，是理想的航空结构材料。复合材料构件的用量直接影响飞机综合性能，因此是衡量飞机先进性，乃至衡量一个国家航空制造水平的重要指标。航空复合材料构件通常由碳纤维片层在曲面模具上逐层叠加铺放而成，通常每个铺层具有各自的纤维铺放方向(如0°、±45°、90°)和各自的铺放范围，以满足设计要求的结构性能。自动铺丝是近年来需求最迫切、发展最迅速的一项航空先进制造技术，是大型复杂复合材料构件高效率高质量制造的关键工艺手段。对于每一铺层，自动铺丝装备根据当前层的铺放角度、铺层边界和预先规划的三维轨迹将通常宽度6.35mm或12.7mm的多条碳纤维丝束彼此并排构成丝束带进行铺放，以构成当前完整的铺层。一个铺层铺放完毕以后，再根据下一铺层中各丝束带的三维轨迹等铺放信息，由数控运动系统带动铺丝机末端的铺放头自动将丝束带叠加铺放到前一铺层上面，完成下一铺层。

由于丝束自动铺放系统涉及复杂的机械结构、机电控制、加热加压系统等，铺放工艺稳定性和铺放质量控制难度很大，常常会出现各种铺放缺陷，其中丝束搭接和丝束缝隙是最主要的两种缺陷。一旦铺放过程完成，这些被上面铺层覆盖住的内部质量缺陷就很难发现。目前，对于复合材料构件内部的缺陷一般是整个构件制造完成以后，采用超声检测方法进行检测，但即使这种后续的离线检测方法能够检测出复合材料构件的内部缺陷，但制造工艺已经结束，要消除这些缺陷就很困难，为此，迫切需要在自动铺丝过程中对每一铺层进行在机自动缺陷检测。

复合材料构件自动铺丝在机缺陷检测目前尚没有成熟方法，中国实用新型专利，授权号202020346515.8，公开了一种复合材料用铺丝机的视觉缺陷检测装置，通过2D相机和3D相机进行信息采集，但未涉及复合材料构件自动铺丝在机检测方法，对于复合材料构件自动铺丝缺陷检测面临的三维形貌数据采集与合成、海量数据管理及可视化、搭接和缝隙检测算法等难点问题均未给出解决方法。普通的线激光传感器可以采集激光截面轮廓上的一系列点的二维坐标，但对于如何利用普通的线激光传感器进行任意三维复杂外形的大型复核材料构件的多个复杂铺层的在机缺陷检测尚没有有效方法。特别是，一个复合材料构件通常有几十个铺层，每个铺层的丝束厚度仅有0.15mm左右，线激光传感器在丝束带宽度方向上的点距需要达到0.05mm以内才有可能满足丝束搭接和丝束间缝隙缺陷检测的分辨率需要，对于大型复杂复合材料构件而言这将产生海量的在线检测数据，如何对这样的海量数据进行存储、显示、实时缺陷定位都是尚未解决的具有挑战性的问题。

发明内容