摘要
碳纤维复合材料（carbonfiberreinforcedpolymer，CFRP）具有轻质高强的优点，在轻量化制造业发展领域具有重要地位，广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，其传统的机械加工方式存在加工成本高、加工效率低及加工质量差等问题，制约了碳纤维复合材料的发展与应用。作为先进制造技术的重要组成部分，激光加工主要通过激光与材料在作用过程中产生的光物理、光化学反应来实现对材料的加工，通过对不同工艺参数的适当控制，可以实现微型化、超精密的切割，为碳纤维复合材料的加工制备开辟了方向。但是，激光加工过程复杂，受多种因素影响。为使激光加工质量可控，使整个制造过程形成闭环制造系统，提高激光加工过程的智能化水平，本文从碳纤维复合材料激光加工过程需求出发，结合现有技术，设计了一套从加工工艺到过程监控的方案，拟实现激光加工过程的智能监控，具体研究内容如下: (1)通过单因素实验，研究得出表层纤维排布方向、激光功率、激光频率以及扫描速度与热影响区宽度之间的关系，通过响应曲面法建立工艺参数与热影响区宽度之间的二次响应曲面数学模型，并将该模型作为目标函数，通过遗传算法对激光工艺参数进行优化，得到使热影响区最小的优化工艺参数组合。通过灵敏度分析发现，热影响区宽度受激光功率影响最大，扫描速度和激光频率对热影响区宽度的影响程度相差甚微。 (2)分析了激光加工的成本构成，建立了激光加工工艺参数与加工成本的数学模型。并将该模型与已建立的激光加工热影响区宽度预测模型相结合，作为目标函数，采用NSGA-Ⅱ(Non-DominatedSortedGeneticAlgorithm-Ⅱ，NSGA-Ⅱ)算法对激光加工工艺参数进行优化。获得了Pareto前沿面和Pareto最优解，可根据加工成本预算或所需要的热影响区宽度进行参数选择，完成对激光加工成本及加工质量的可控研究，对激光加工碳纤维复合材料的实际工程应用具有一定的参考价值。 (3)对激光指向性的光路进行了分析，得到在激光束发生平移和转动时的偏角，并建立激光光路到工件的位置坐标之间的关系。 (4)根据激光加工过程的关键工艺参数，对监控系统的功能实现进行需求分析，基于OPCUA数控系统通讯技术，以VisualStudio2013为平台，进行碳纤维复合材料激光加工监控软件界面的开发。
NETL