三維激光投影技術(shù)的裝配定位方法研究

王帥

摘要：隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)裝配精度和效率提出了更高的要求，將激光投影定位技術(shù)引入飛機(jī)裝配制造，符合建立基于數(shù)字化、信息化、智能化的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系的基本要求。目前，以某型機(jī)為例，通過研究激光投影定位儀及相關(guān)軟件的使用方法和操作流程，并在某型機(jī)翼身組合體試驗(yàn)件上進(jìn)行初步試用的基礎(chǔ)上，通過在典型壁板試驗(yàn)件上，利用激光投影定位儀進(jìn)行典型零件的投影定位、緊固件的投影制孔，裝配完成后使用激光跟蹤儀進(jìn)行精度檢測(cè)，驗(yàn)證三維激光投影定位儀滿足裝配精度要求，同時(shí)大大的提高了裝配效率。本研究在裝配試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)并解決的問題對(duì)激光投影定位技術(shù)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；三維激光投影；裝配

一、引言

傳統(tǒng)的裝配定位方法――裝配夾具、樣板定位等方式雖能滿足裝配精度要求，但是一般對(duì)于飛機(jī)內(nèi)部不易設(shè)置工裝、樣板的零件不適用，例如：零組件對(duì)接處的連接片、系統(tǒng)角片支架等，此類零件通常采用依靠基準(zhǔn)產(chǎn)品畫線定位等方式，精度差而且效率低；其次，對(duì)于連接關(guān)系復(fù)雜、不便直接取制導(dǎo)孔的零件，傳統(tǒng)工藝采用畫線制孔或樣板制孔，導(dǎo)致制孔效率低、精度差，且如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生更改，相應(yīng)的鉆孔樣板也需相應(yīng)更改，導(dǎo)致重復(fù)投入成本較高；在裝配工程中，工裝問題及零件制造問題難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，裝配出現(xiàn)問題才會(huì)去復(fù)查工裝及零件，往往造成不必要的產(chǎn)品質(zhì)量問題。

三維激光投影定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)典型零件的投影定位、緊固件的投影制孔，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。三維激光投影定位技術(shù)已在航空航天、船舶重工、汽車、軍工、高鐵和科研等領(lǐng)域被廣泛使用，以美國波音公司為例，就有超過900套激光投影定位設(shè)備，已滲入到波音公司的各個(gè)制造和裝配環(huán)節(jié)中，節(jié)省了大量模板和定位工裝，在節(jié)約成本的同時(shí)還提高了工作效率和定位精度。但是，激光投影定位技術(shù)在國內(nèi)航空制造業(yè)還未得到普及，基于該技術(shù)的課題研究在我公司也是首次提出，具有一定的發(fā)展前景。因此要建立和完善基于數(shù)字化、信息化、智能化的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系，進(jìn)一步提高飛機(jī)裝配水平，需盡快引入激光投影定位技術(shù)，并在飛機(jī)裝配過程中進(jìn)行廣泛驗(yàn)證，不斷擴(kuò)大激光投影定位技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品質(zhì)量和裝配效率。

二、高精度三維激光投影技術(shù)介紹

1.關(guān)鍵技術(shù)

三維激光投影定位技術(shù)是通過對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的高精度光學(xué)振鏡控制光束快速經(jīng)過三維空間中指定的點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。高速重復(fù)運(yùn)動(dòng)的光束在人眼看來呈一條連續(xù)的線條，這種由綠色激光產(chǎn)生的虛擬模板，稱作“激光投影”。

2.設(shè)備參數(shù)

本課題選用的是激光投影定位儀LPT15，測(cè)量范圍為1～15.2m，投影測(cè)量精度可達(dá)0.13mm，所擁有數(shù)字光束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、靈敏的信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)等多項(xiàng)專利技術(shù)，使其在生產(chǎn)裝配過程中能夠完成投影定位、掃描、驗(yàn)證、測(cè)量等任務(wù)。

3. 所需條件及要求

1）產(chǎn)品三維數(shù)模；

2）產(chǎn)品工裝上6個(gè)精確的基準(zhǔn)孔，用于插入靶標(biāo)進(jìn)行LPT激光投影定位儀的校準(zhǔn)；如果基準(zhǔn)孔數(shù)量不足，用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)點(diǎn)以滿足LPT校準(zhǔn)建立坐標(biāo)系所用靶點(diǎn)數(shù)量要求；

3）供設(shè)備正常運(yùn)行的220v電源，以及場(chǎng)地條件滿足激光投影定位儀的投影范圍覆蓋整個(gè)產(chǎn)品；

4）LPT15激光投影定位系統(tǒng)1套。

三、數(shù)據(jù)庫制作及投影操作

LPT是以數(shù)據(jù)庫的形式來對(duì)投影任務(wù)進(jìn)行管理。同一數(shù)據(jù)庫中可包含不同的激光組文件、參數(shù)文件、靶點(diǎn)文件、投影文件，且隨時(shí)可以對(duì)這些文件進(jìn)行調(diào)用或是更換。根據(jù)產(chǎn)品的大小，選擇創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)量，同時(shí)根據(jù)零件的類型制作成獨(dú)立的投影文件，并根據(jù)零件的牌號(hào)進(jìn)行命名，使數(shù)據(jù)管理規(guī)范化，條理化，方便查找和調(diào)用。零件制孔驗(yàn)證的投影文件也采用這種方式來制作，但投影文件下的每個(gè)圖層所包含的孔的數(shù)量為5-8個(gè)，以防止出現(xiàn)頻閃，在投影過程中可用LPT的自動(dòng)下一圖層功能來實(shí)現(xiàn)圖層的快速切換。

1.創(chuàng)建投影任務(wù)數(shù)據(jù)庫

利用RayTracer Administrator軟件創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫并以組件號(hào)XX-XXXX-001命名，并設(shè)置激光組文件、參數(shù)文件，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接并指定哪臺(tái)激光投影儀來完成投影任務(wù)，并指定選用的計(jì)量單位及相關(guān)參數(shù)。

2.創(chuàng)建靶點(diǎn)文件

利用Verisurf軟件在XX-XXXX-001數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建靶點(diǎn)文件和投影文件，打開LPT Linker用來收集靶點(diǎn)文件和投影文件的數(shù)據(jù)點(diǎn)。輸入6個(gè)精確點(diǎn)（一般采用工裝上的TB點(diǎn)或ERS點(diǎn)）的坐標(biāo)，并傳輸?shù)絃inker中加載到數(shù)據(jù)庫中，完成靶點(diǎn)文件的創(chuàng)建，之后這些數(shù)據(jù)將會(huì)用于在LPT Operator中進(jìn)行建立坐標(biāo)系。

3.創(chuàng)建投影文件

利用Verisurf軟件中的“Contour”工具，選取需要投影的零件輪廓線，并以零件號(hào)來命名圖層名稱，傳輸?shù)絃inker中加載到數(shù)據(jù)庫中，完成投影文件的創(chuàng)建。

4.投影操作

完成投影文件創(chuàng)建以及設(shè)備的安裝后進(jìn)行產(chǎn)品投影，利用RayTracer Operator軟件進(jìn)行投影，首先投影視場(chǎng)范圍，確定激光投影定位儀與產(chǎn)品的相對(duì)位置，并聚焦調(diào)整投影線的粗細(xì)，使其在工件表面達(dá)到最佳線寬。然后手動(dòng)校準(zhǔn)前四個(gè)靶點(diǎn)，鼠標(biāo)控制激光束移動(dòng)到靶點(diǎn)附近進(jìn)行捕捉，后兩個(gè)靶點(diǎn)激光投影定位儀進(jìn)行自動(dòng)掃描校準(zhǔn)，RayTracer Operator主界面由紅色變?yōu)榫G色，手動(dòng)校準(zhǔn)完成，系統(tǒng)自動(dòng)完成校準(zhǔn)重新建立坐標(biāo)系。查看校準(zhǔn)精度，分析每個(gè)靶點(diǎn)校準(zhǔn)的精度報(bào)告，見圖7，對(duì)誤差較大的靶點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，直到每個(gè)靶點(diǎn)達(dá)到精度要求，操作界面由紅色變?yōu)榫G色，完成坐標(biāo)系的建立。

四、結(jié)束語

隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)裝配精度和效率提出了更高的要求，將激光投影定位技術(shù)引入飛機(jī)裝配制造，符合建立和完善基于數(shù)字化、信息化、智能化飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系的基本要求，具有良好的發(fā)展前景?？傮w概括來說，本項(xiàng)目達(dá)到并超出了預(yù)期的效果，利用激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)畫線制孔、零件定位具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，后續(xù)將在某型機(jī)研制批上進(jìn)行應(yīng)用，在裝配過程中不斷擴(kuò)大激光投影定位技術(shù)的應(yīng)用范圍，技術(shù)成熟后逐漸推廣至各機(jī)型，提高產(chǎn)品質(zhì)量和裝配效率，縮小國內(nèi)飛機(jī)裝配工藝與國外先進(jìn)飛機(jī)裝配工藝之間的差距。

參考文獻(xiàn)

[1] 航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組，《航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)》，國防工業(yè)出版社，北京，1978.

[2] 航空制造工程手冊(cè)總編委會(huì)，《航空制造工程手冊(cè)》第二版，航空工業(yè)出版社，北京，2010.

（作者單位：航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司）