CN102513891B - 一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置及方法，在复合材料平板及小曲率板壳需要修理处先打好孔，然后在孔周围预先贴一层环形激光反光膜，反光膜的宽度比激光设备两个激光头距离略大，调整好打磨设备上的激光***角度，使激光设备与打磨设备的轴线构成一定角度，此角度可通过计算求的。利用激光反射原理，调整打磨设备角度，使两个激光头分别打在反光膜内外边缘处，调整垂直性，使反射的光线进入激光接收器，当两个激光接收器同时接收到信号时，内部的蜂鸣装置发出蜂鸣声，代表此时设备已经调整好。之后启动打磨设备进行孔边的打磨，直到磨出一定角度的孔边为止。最终实现对板壳结构任意角度锥形孔进行快速定位和打磨。

Description

一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置及方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置及方法，属于复合材料结构修理技术领域。

背景技术

随着复合材料在现代飞机结构中的大量应用，飞机复合材料结构修理成为必须解决的重要技术问题。对复合材料结构进行修理时，需要去除损伤区域，其边缘往往是具有一定角度的斜面，由于角度较小，导致打磨区域较大，高精度的打磨对修理的成败有着直接的影响。

现有的损伤去除主要依靠工人手动操纵气动打磨工具来实现，此种方法无论是在精度上还是在效率上都存在不足。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置及方法。

一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，包括打磨刀具、激光定位装置和气动打磨工具；

打磨刀具固定在气动打磨工具的钻头位置，打磨刀具的顶端为锥形，直径为φ₁，安装杆直径为φ₂、锥度角为α、高度为l；

激光定位装置包括两套激光放射和接收装置、角度指示盘、指针、蜂鸣装置和可旋转连接件；两套激光放射和接收装置同轴设置，为一体结构，两套激光放射和接收装置通过可旋转连接件连接与气动打磨工具的钻头根部连接，指针固定连接在激光放射和接收装置上，指针和激光放射和接收装置能够一起绕铰链处转动；角度指示盘固定在气动打磨工具上，打磨刀具的轴线为l₁，两套激光放射和接收装置发出的两束激光的中心线为l₂，指针在角度指示盘中指向0刻度线的直线为l₃，l₃与l₂垂直；当两套激光放射和接收装置旋转时，指针指向角度指示盘，测量出l₁与l₂之间的夹角β。

一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在复合材料板上打孔；

在复合材料板上先打圆孔，圆孔的孔径要小于打磨刀具的锥孔的直径；

步骤二、粘贴环形激光反光膜；

在复合材料板已打好的圆孔周围粘贴可反射激光束的环形激光反光膜，环形激光反光膜整体为环形，其内半径比打磨圆孔半径大；

步骤三：定位打磨装置进行标定，确定角度刻度线；

标定具体操作如下：

1）当旋转激光定位装置时，带动指针旋转，当中心线为l₂与轴线l₁平行时指针所指的位置为0°刻度；

2）确定0°刻度线以后，使用角度测量工具对角度指示盘的刻度进行标定，0刻度线以上的为激光装置旋转的范围0°至90°；

步骤四：调整定位打磨装置，确定打磨角度；

给定需要的打磨角度A，通过下述公式选取打磨刀具，其锥度角为α，调整激光设备名义中线与手钻轴线的夹角β，保证打磨中的角度，进行打磨；

打磨角A为：

当复合材料板为平面时：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})$

当复合材料板为小曲率曲面时：

$A\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{L}{R}\right))$

其中：α为打磨刀具锥形磨头的锥度角，L打磨位置到激光射线基点的弧线距离，R为复合材料板曲率半径；

步骤五：进行打磨；

手持定位打磨装置设备，使打磨刀具的锥形磨头对准圆孔中心，同时使两套激光放射和接收装置对准环形激光反光膜上同一块扇区，发出激光，若两个激光放射和接收装置接收到激光束信号，则说明激光发射处垂直于环形激光反光膜表面，蜂鸣装置发出响声，此时对复合材料板进行打磨，打磨过程中，定位打磨装置匀速的绕圆孔中心做圆周运动，均匀的听到蜂鸣声，若响声不均匀或不响了，则需要重新定位，继续打磨，最终磨出所需具有一定锥度的修理孔。

本发明的优点在于：

（1）该装置通过调整打磨刀具与激光设备的夹角，可对板壳结构任意角度锥形孔进行快速定位和打磨，可使复合材料板壳挖孔的孔洞精度更高，而且可以打磨出任意角度的孔洞；

（2）通过采用本发明的方法，可大大提高打磨的效率，从而降低打磨的工时，降低成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的打磨刀具的立体图；

图3是本发明的打磨刀具的剖面图；

图4是本发明的环形激光反光膜在平面、曲面的示意图；

图5是本发明的方法流程图；

图6是本发明的定位打磨装置与复合材料板位置结构示意图；

图7是本发明的定位打磨装置与复合材料板的打磨角度示意图。

图中：

1-打磨刀具                 2-激光定位装置    3-气动打磨工具

201-激光放射和接收装置 202-角度指示盘    203-指针

204-可旋转连接件        205-环形激光反光膜

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，如图1所示，包括打磨刀具1、激光定位装置2和气动打磨工具3。

打磨刀具1固定在气动打磨工具3的钻头位置，气动打磨工具3为现有的电钻。

打磨刀具1如图2、图3所示，打磨刀具1的顶端为锥形，φ₁为打磨刀磨头具直径、φ₂为打磨刀具安装杆直径、α为磨头自身的锥度角、l为磨头高度。

激光定位装置2包括两套激光放射和接收装置201、角度指示盘202、指针203、蜂鸣装置和可旋转连接件204；

两套激光放射和接收装置201同轴设置，为一体结构，两套激光放射和接收装置201通过可旋转连接件连接204与气动打磨工具3的钻头根部连接，指针203固定连接在激光放射和接收装置201上，指针203和激光放射和接收装置201能够一起绕铰链处转动。角度指示盘202固定在气动打磨工具3上，打磨刀具1的轴线为l₁，两套激光放射和接收装置201发出的两束激光的中心线为l₂，指针203在角度指示盘202中指向0刻度线的直线为l₃，l₃与l₂垂直。当两套激光放射和接收装置201旋转时，指针203指向角度指示盘202，测量出l₁与l₂之间的夹角β。

激光放射和接收装置201的旋转范围是0°至90°，角度指示盘202的刻度为0°至90°。

本发明的一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，还包括环形激光反光膜205，将环形激光反光膜205贴在需要打磨的复合材料板壳结构上，打磨装置在环形激光反光膜205的位置上进行打磨。如图4所示，a为环形激光反光膜205贴在平面的示意图，b为环形激光反光膜205贴在曲面的示意图。环形激光反光膜205为环形，且为不连续的扇区，扇区的个数可根据精度要求调整，越多精度越高，操作难度越大。

在打磨过程中，当两套激光放射和接收装置201发出的射线落在环形激光反光膜205的同一个反光扇区上，而且，激光放射和接收装置201与环形激光反光膜205垂直时，激光放射和接收装置201接收到反射信号，蜂鸣装置发出蜂鸣声音。当两套激光放射和接收装置201发出的射线落在环形激光反光膜205的空白区上，蜂鸣装置不发出蜂鸣声音。综上所述，这样能保证两个激光放射和接收装置201连线方向经过打磨区域的圆心，再加上只有当激光放射和接收装置201与环形激光反光膜205垂直时，才能正常接收到反射信号，从而保证气动打磨工具3与环形激光反光膜205平面之间角度是固定的，从而保证加工角度是准确的。

打磨时候，需手持设备稳定的绕空圆心转动，速度保持稳定，可以听到均匀的蜂鸣声，从而判断打磨角度是正确的，否则则需要进行重新对齐。

一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨方法，流程如图5所示，包括以下几个步骤：

步骤一：在复合材料板上打孔；

在复合材料板上先打圆孔，圆孔的孔径要小于打磨刀具1的锥孔的直径，为打磨时留有余量。

步骤二、粘贴环形激光反光膜205；

如图4所示，在复合材料板已打好的圆孔周围粘贴可反射激光束的环形激光反光膜205，环形激光反光膜205整体为环形，其内半径比打磨圆孔半径大，反光膜外半径与内半径的差值由激光设备两对激光头距离决定，环形激光反光膜205平面要与激光定位装置2的中心线l2保持垂直，并且环形激光反光膜205内外半径差值稍大于（超出量1～2mm）激光头距离即可，环形激光反光膜205材料可以为锡箔或铝箔等镜面反射为主的材料。

步骤三：定位打磨装置进行标定，确定角度刻度线；

标定具体操作如下，如图1所示：

1）当旋转激光定位装置2时，带动指针203旋转，当中心线为l₂与轴线l₁平行时指针203所指的位置为0°刻度。

2）确定0°刻度线以后，可以使用角度测量工具对角度指示盘202的刻度进行标定，0刻度线以上的为激光装置旋转的范围0°至90°。

步骤四：调整定位打磨装置，确定打磨角度；

如图6和图7所示，给定需要的打磨角度A，通过下述公式选取打磨刀具1，其锥度角为α，调整激光设备名义中线与手钻轴线的夹角β，保证打磨中的角度，进行打磨。

打磨角A为：

当复合材料板为平面时：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})$

当复合材料板为小曲率曲面时：

$A\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{L}{R}\right))$

其中：α为打磨刀具1锥形磨头的锥度角，L打磨位置到激光射线基点的弧线距离（为近似值），R为复合材料板曲率半径。

步骤五：进行打磨；

手持定位打磨装置设备，使打磨刀具1的锥形磨头对准圆孔中心，同时使两套激光放射和接收装置201对准环形激光反光膜205上同一块扇区，发出激光，若两个激光放射和接收装置201接收到激光束信号，则说明激光发射处垂直于环形激光反光膜205表面，蜂鸣装置发出响声，此时可以对复合材料板进行打磨，打磨过程中，定位打磨装置匀速的绕圆孔中心做圆周运动，可以均匀的听到蜂鸣声，若响声不均匀或干脆不响了，则需要重新定位，继续打磨，最终磨出所需具有一定锥度的修理孔。

给定需要的打磨角度A，选取合适的打磨刀具1锥形磨头，打磨刀具1锥形磨头的锥度角为α，调整打磨刀具1的轴线与两套激光放射和接收装置201发出的两束激光的中心线的夹角β，从而保证打磨中的角度，打磨角A的确定过程为：

对于平面（复合材料板为平面），可以从上图6和图7中很容易的看出打磨角度：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})$

对于小曲率曲面（复合材料板为小曲率曲面），比较复杂，如图6和图7所示，并根据三角形的外角等于与它不相邻的两个内角和可知：

δ＝α+β

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

在根据三角形内角和为180度（即π），得

$A=\mathrm{\π}-\mathrm{\δ}-\mathrm{\θ}$

$=\mathrm{\π}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})-(\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

$=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})$

L为激光射线基点到经过打磨位置的半径的垂线距离，故

$\tan \mathrm{\γ}=\frac{L}{R}$

所以

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{L}{R}\right)$

由于L不易测量，只能通过测量打磨点到激光射线基点的弧线长度近似代替，故

$\mathrm{\γ}\≈\arctan \left(\frac{L}{R}\right)$

所以打磨角度A为：

$A\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{L}{R}\right))$

其中：α为打磨刀具1锥形磨头的锥度角，β为调整打磨刀具1的轴线与两套激光放射和接收装置201发出的两束激光的中心线的夹角，R为复合材料板曲率半径，L打磨位置到激光射线基点的弧线距离（为近似值）。可通过调整β角与不同的锥度角α得到不同的打磨角度A。

曲板相对于平板的误差可以进行初步估计。L为打磨点到激光轴线的距离，在10cm以内，当曲率半径R>10m时，误差

度，所以对于曲率半径大于10m的小曲率板，其打磨角度误差不超过0.573°。

Claims (6)

1.一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，其特征在于，包括打磨刀具、激光定位装置和气动打磨工具；

打磨刀具固定在气动打磨工具的钻头位置，打磨刀具的顶端为锥形，直径为φ₁，安装杆直径为φ₂、锥度角为α、高度为l；

激光定位装置包括两套激光放射和接收装置、角度指示盘、指针、蜂鸣装置和可旋转连接件；两套激光放射和接收装置同轴设置，为一体结构，两套激光放射和接收装置通过可旋转连接件连接与气动打磨工具的钻头根部连接，指针固定连接在激光放射和接收装置上，指针和激光放射和接收装置能够一起绕铰链处转动；角度指示盘固定在气动打磨工具上，打磨刀具的轴线为l₁，两套激光放射和接收装置发出的两束激光的中心线为l₂，指针在角度指示盘中指向0刻度线的直线为l₃，l₃与l₂垂直；当两套激光放射和接收装置旋转时，指针指向角度指示盘，测量出l₁与l₂之间的夹角β；

所述的定位打磨装置还包括环形激光反光膜，将环形激光反光膜贴在需要打磨的复合材料板壳结构上，打磨装置在环形激光反光膜的位置上进行打磨；环形激光反光膜为环形，且为不连续的扇区；

所述的两套激光放射和接收装置发出的射线落在环形激光反光膜的同一个反光扇区上，而且，激光放射和接收装置与环形激光反光膜垂直时，激光放射和接收装置接收到反射信号，蜂鸣装置发出蜂鸣声音；两套激光放射和接收装置发出的射线落在环形激光反光膜的空白区上，蜂鸣装置不发出蜂鸣声音。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，其特征在于，所述的激光放射和接收装置的旋转范围是0°至90°，角度指示盘的刻度为0°至90°。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨装置，其特征在于，所述的扇区的个数根据精度调整。

4.一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在复合材料板上打孔；

在复合材料板上先打圆孔，圆孔的孔径要小于打磨刀具的锥孔的直径；

步骤二、粘贴环形激光反光膜；

在复合材料板已打好的圆孔周围粘贴可反射激光束的环形激光反光膜，环形激光反光膜整体为环形，其内半径比打磨圆孔半径大；

步骤三：定位打磨装置进行标定，确定角度刻度线；

标定具体操作如下：

1）当旋转激光定位装置时，带动指针旋转，当中心线为l₂与轴线l₁平行时指针所指的位置为0°刻度；

2）确定0°刻度线以后，使用角度测量工具对角度指示盘的刻度进行标定，0刻度线以上的为激光装置旋转的范围0°至90°；

步骤四：调整定位打磨装置，确定打磨角度；

给定需要的打磨角度A，通过下述公式选取打磨刀具，其锥度角为α，调整激光设备名义中线与手钻轴线的夹角β，保证打磨中的角度，进行打磨；

打磨角A为：

当复合材料板为平面时：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})$

当复合材料板为小曲率曲面时：

$A\≈\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{L}{R}\right))$

其中：α为打磨刀具锥形磨头的锥度角，L打磨位置到激光射线基点的弧线距离，R为复合材料板曲率半径；

步骤五：进行打磨；

手持定位打磨装置设备，使打磨刀具的锥形磨头对准圆孔中心，同时使两套激光放射和接收装置对准环形激光反光膜上同一块扇区，发出激光，若两个激光放射和接收装置接收到激光束信号，则说明激光发射处垂直于环形激光反光膜表面，蜂鸣装置发出响声，此时对复合材料板进行打磨，打磨过程中，定位打磨装置匀速的绕圆孔中心做圆周运动，均匀的听到蜂鸣声，若响声不均匀或不响了，则需要重新定位，继续打磨，最终磨出所需具有一定锥度的修理孔。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨方法，其特征在于，步骤一中所述的环形激光反光膜外半径与内半径的差值由激光设备两对激光头距离决定，环形激光反光膜平面要与激光定位装置的中心线l₂保持垂直，并且环形激光反光膜内外半径差值为1～2mm。

6.根据权利要求4所述的一种复合材料板壳结构任意角度锥形孔定位打磨方法，其特征在于，环形激光反光膜材料为锡箔或铝箔。

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