基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法技术

本发明专利技术公开一种基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法，以提高几何构型的表面理化性能，该方法包括，采用激光对FRP损伤区域进行激光可控加工，实现碳纤维逐层清除，形成利于胶接维修的几何构型与表面性能。本发明专利技术具有操作简单、树脂清除效果好、纤维完整度高、形状精度及三维尺寸精度高等特点。本发明专利技术可以解决现有技术中针对实现维修几何构型表面树脂残留多、纤维断裂量大、形状精度及三维尺寸精度差等难题。进而可有效提升FRP胶接维修树脂清除效果、纤维完整度、形状精度及三维尺寸精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法


[0001]本专利技术涉及复合材料胶接维修领域，尤其涉及一种基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料(FiberReinforcedPlastics，FRP)因其轻质高强的特性而广泛应用于现代飞机结构，其占比已经成为衡量飞机先进程度的重要指标之一。由于复合材料为各向异性的脆性材料，其在使用过程中易遭受外物冲击，对结构可能造成严重影响的可见或不可见损伤，通常采用胶接维修对损伤FRP结构件进行维修。
[0003]根据波音、空客设计制造商提供的飞机结构修理手册要求。受损的民机FRP结构件在维修前需进行损伤评估，根据损伤情况，参照对应机型的飞机维修手册进行维修设计，清除损伤区域纤维及树脂，形成利于胶接的维修几何构型(维修几何构型是依据层合板结构，依照维修手册要求，所实现的利于胶接维修的矩形、圆形阶梯型形状)。手册规定需通过打磨方式去除FRP结构件损伤区域，在清除损伤区域纤维层及树脂时不伤及该区域下层碳纤维丝束；清除损伤区域时需严格按照维修设计的形状及尺寸进行，不得损伤周边结构完好区域。目前清除损伤区域主要通过人工打磨或铣销方式实现，传统方式可以实现胶接维修几何构型，但实现的几何构型表面树脂残留多、纤维断裂量大，形状及三维尺寸精度差，且对环境污染较大。本专利技术创新点为采用集成化机器人
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激光器精密加工系统，通过激光代替打磨方式实现符合飞机维修手册要求的FRP胶接维修几何构型。
[0004]相比于传统方式，本专利技术依据集成化机器人
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激光器精密加工系统，能够以良好的树脂清除效果、纤维完整度、形状精度及三维尺寸精度，实现FRP结构胶接维修前的维修几何构型，且明显优于传统手工打磨的形状尺寸稳定性与精度。

技术实现思路

[0005]提供了本专利技术以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种基于激光可控清除的FRP胶接维修几何构型实现方法，以快速地帮助用户有针对性地了解慢病，缓解医疗资源紧张的问题。本专利技术是一种采用激光实现FRP胶接维修几何构型，提升胶接维修几何构型树脂清除效果、纤维完整度、形状精度及三维尺寸精度的方法。本专利技术可以有效去除损伤区域的树脂及纤维层，形成利于胶接维修的几何构型。实现的FRP胶接维修几何构型具有树脂清除效果好、纤维损伤断裂少、形状精度及三维尺寸精度高等优点。
[0006]本专利技术通过以下技术手段实现上述技术目的：
[0007]本专利技术提供了一种基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法，所述方法用于提高几何构型的表面理化性能，基于一种集成化机器人
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激光器精密加工系统，所述集成化机器人
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激光器精密加工系统包括工业控制计算机、激光控制系统、红外脉冲光纤激光器、扫描振镜、场镜、机械臂、机械臂控制柜、加工平台、除湿机、烟尘收集装置以及空气净化器；将由所述扫描振镜及所述场镜组成的集成加工头安装至所述机械臂，由所述机械臂
带动所述加工头移动，将所述集成加工头移动至FRP结构件损伤区域切平面上方，进行激光加工，以实现胶接维修几何构型，由工业控制计算机协调控制所述红外脉冲光纤激光器、机械臂、除湿机、烟尘收集装置及空气净化器，以实现整个加工过程及废物收集；
[0008]所述方法包括：
[0009]步骤S1：将损伤FRP结构件放置于加工平台；
[0010]步骤S2：调整机械臂六轴转动角度，使损伤FRP结构件切平面位于激光器场镜的焦平面；
[0011]步骤S3：确定激光加工表面树脂、第1层纤维至第N层纤维的加工参数；
[0012]步骤S4：分别设定激光加工表面树脂、第1层纤维至第N层纤维的加工参数及胶接维修三维几何构型尺寸；
[0013]步骤S5：激光加工：根据步骤S4设定的激光加工参数，输出对应激光脉冲，清除表面树脂、第1层纤维至第N层纤维，完成设定的维修几何构型。
[0014]进一步地，所述步骤S3具体包括：
[0015]S31：调节激光功率、频率，确保激光能量密度达到树脂及纤维的损伤阈值；
[0016]S32：调节激光脉宽、扫描速度、扫描线间距及扫描路径。
[0017]进一步地，所述步骤S4具体包括：
[0018]S41：设定激光清除区域几何形状及尺寸。
[0019]进一步地，所述步骤S2中，通过机械臂控制柜中的控制软件控制机械臂以实现机械臂姿态调整，所述工业控制计算机通过激光控制系统和机械臂控制柜分别控制红外脉冲光纤激光器与机械臂。
[0020]进一步地，所述步骤S4中，通过激光控制系统设定激光参数，所述激光控制系统与红外脉冲光纤激光器相连，所述红外脉冲光纤激光器产生的激光通过扫描振镜和场镜作用于待加工FRP结构件；所述工业控制计算机通过总控软件控制除湿机、烟尘净化器及空气净化器，以维持环境参数。
[0021]与现有技术相比，本专利技术所述的激光加工FRP胶接维修几何构型实现方法，由于激光加工过程中需考虑光斑搭接率、峰值功率和能量密度对几何构型实现的影响，故应选择合适的光斑搭接率、峰值功率和能量密度进行激光加工，具有以下有益技术效果：
[0022](1)高精度：通过振镜控制软件，能够按照设定区域的尺寸进行激光加工，水平误差不超过50μm，厚度误差不超过20μm。
[0023](2)高执行度：在控制软件中输入损伤区域的几何形状，通过控制激光加工路径，本专利技术可实现所输入的几何形状。
[0024](3)树脂清除效果好：本专利技术采用1064nm脉冲激光，可以有效清除胶接维修几何构型表面树脂。
[0025](4)无损处理：通过控制激光加工参数，可以确保维修几何构型表面纤维完整度。
[0026](5)污染小：相比于传统打磨方式，激光加工可减少大量有害烟尘，通过烟尘收集器及空气净化器，进一步收集激光加工过程中产生的有害烟尘，降低对环境的污染。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的
附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本专利技术实施例激光实现CFRP胶接维修几何构型示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法集成化机器人
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激光器精密加工系统示意图；
[0030]图3为本专利技术实施例激光实现CFRP胶接维修几何构型激光加工路径示意图；
[0031]图4为本专利技术清除表面树脂实物图；
[0032]图5为本专利技术加工第1层碳纤维实物图：(a)试样实际尺寸；(b)第1层碳纤维；
[0033]图6为本专利技术加工第2层碳纤维实物图：(a)试样实际尺寸；(b)第2层碳纤维；
[0034]图7为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光可控加工的FRP胶接维修几何构型实现方法(及表面性能)，其特征在于，所述方法用于提高几何构型的表面理化性能，基于一种集成化机器人
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激光器精密加工系统，所述集成化机器人
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激光器精密加工系统包括工业控制计算机、激光控制系统、红外脉冲光纤激光器、扫描振镜、场镜、机械臂、机械臂控制柜、加工平台、除湿机、烟尘收集装置以及空气净化器；将由所述扫描振镜及所述场镜组成的集成加工头安装至所述机械臂，由所述机械臂带动所述加工头移动，将所述集成加工头移动至FRP结构件损伤区域切平面上方，进行激光加工，以实现胶接维修几何构型，由工业控制计算机协调控制所述红外脉冲光纤激光器、机械臂、除湿机、烟尘收集装置及空气净化器，以实现整个加工过程及废物收集；所述方法包括：步骤S1：将损伤FRP结构件放置于加工平台；步骤S2：调整机械臂六轴转动角度，使损伤FRP结构件切平面位于激光器场镜的焦平面；步骤S3：确定激光加工表面树脂、第1层纤维至第N层纤维的加工参数；步骤S4：分别设定激光加工表面树脂、第1层纤维至第N层纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文锋，王迪升，李绍龙，王林，李天权，王文轩，尹新光，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：