激光投影技術(shù)應(yīng)用可行性探究

王懋君

摘 ?要：三維激光投影定位技術(shù)是通過一對高速轉(zhuǎn)動的高精度光學(xué)振鏡控制光束快速經(jīng)過三維空間中指定的點(diǎn)，高速重復(fù)運(yùn)動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)生的虛擬模板就是“激光投影”。激光投影可用于飛機(jī)部件裝配的激光投影輔助定位設(shè)備，但這種技術(shù)在飛機(jī)上大面積使用還需要探索和研究。

關(guān)鍵詞：光學(xué);高速;激光投影;定位設(shè)備

1.引言

傳統(tǒng)的劃線、模板定位方式需要花費(fèi)大量的時間和人力，而且精度差、重復(fù)利用率低、需要一些笨重的工裝工具支持。硬質(zhì)的模板一般比較笨重且容易磨損和變形，同時也需要存放空間和定期的維護(hù)。激光投影為先進(jìn)制造和裝配過程中所遇到的定位問題提供了前沿的解決方案。除了用于裝配定位之外，激光投影還可以校驗、測量零部件的位置，這使得激光投影定位儀可用于定位、裝配、質(zhì)量控制、測量等各個生產(chǎn)制造工藝流程

但國內(nèi)飛機(jī)尚無成功使用案例，因此需要深入了解激光投影技術(shù)的原理和使用要求，通過驗證，確保能保質(zhì)保量的廣泛應(yīng)用與飛機(jī)的各個領(lǐng)域。

2.激光投影原理介紹

三維激光投影定位技術(shù)是通過一對高速轉(zhuǎn)動的高精度光學(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，被稱作“激光投影”。激光投影就是以這種方式將零部件的輪廓投影出來。由于激光投影定位儀的三維投影精度高，可以用于飛機(jī)部件裝配的激光投影輔助定位設(shè)備。而且可以利用非接觸式的三維激光投影定位技術(shù)和測量技術(shù)保證工作流程柔性的最大化，使之成為一種可重復(fù)的工作流程同時提高生產(chǎn)效率。

激光投影定位系統(tǒng)主要由激光投影定位儀、計算機(jī)、支架和附件組成，可以使用一臺計算機(jī)來控制多臺激光投影定位儀，同時還可使用多臺激光投影定位儀進(jìn)行拼接投影。

3.激光投影的優(yōu)點(diǎn)

3.1高精度：

定制生產(chǎn)的數(shù)字振鏡使得激光投影的角度分辨率非常高，在全量程投影范圍內(nèi)投影精度可以做到0.13mm，而且最遠(yuǎn)投影距離可達(dá)15m。可以滿足飛機(jī)裝配精度0.2mm

3.2超靈敏的光學(xué)探測器

超靈敏的光學(xué)探測器（PMT技術(shù)）能夠探測pW級光能量，這樣便可以在工作現(xiàn)場無法布置反光靶點(diǎn)或者不方便布置反光靶點(diǎn)的情況下，掃描圓孔、交叉點(diǎn)等特征信息來建立坐標(biāo)系。如果工件表面無法布置靶點(diǎn)，而且工件也沒有圓孔、拐點(diǎn)等特征信息，激光投影還可以通過兩臺激光投影儀聯(lián)動建立坐標(biāo)系。

3.3高速激光雷達(dá)：

高精度激光雷達(dá)無需對工件表面做任何處理，掃描精度高，掃描速度可達(dá)100，000點(diǎn)/秒，是傳統(tǒng)激光雷達(dá)掃描速度的50倍，大大降低了掃描時間，這樣便可實(shí)現(xiàn)快速逆向工程。此外，高精度激光雷達(dá)不光可以掃描工件表面得到工件的三維輪廓，還可以將實(shí)際的三維輪廓與理論數(shù)模進(jìn)行對比，或者將實(shí)驗前后掃描的三維輪廓進(jìn)行對比，得到偏差圖后還可將偏差以等高線的形式反投到工件表面實(shí)現(xiàn)偏差可視化，這樣就可以很直觀地在工件實(shí)物上確認(rèn)每部分的偏差大小。

3.4低頻閃：

激光投影使用了先進(jìn)的路徑控制技術(shù)，這使得其能夠保證在復(fù)雜多線條的三維輪廓投影或者大范圍的投影時實(shí)現(xiàn)低頻閃，保證了用戶實(shí)際工作時的舒適性;

3.5自動聚焦：

自動聚焦功能保證了投影線寬和效果，即便是在復(fù)雜曲面上也能實(shí)現(xiàn)很好的投影效果;

3.6高穩(wěn)定性：

卓越的散熱防塵技術(shù)保證了激光投影的穩(wěn)定性，使其能在惡劣的環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作。

4.激光投影應(yīng)用領(lǐng)域

4.1高精度激光輔助孔位定位

隨著現(xiàn)在飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，自由曲面的蒙皮零部件越來越多，對孔位的精度定位要求也越來越高，按圖樣尺寸劃線、按樣板、按導(dǎo)孔和按鉆模等四種傳統(tǒng)經(jīng)典的制孔定位方法已難以滿足現(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)的精度要求。使用傳統(tǒng)方法面臨以下問題：

4.2 高精度激光輔助三維部件定位

由于任何一個工件，在空間都有6個自由度，要確定工件的空間位置，必須約束六個自由度。飛機(jī)裝配中，由于工件剛度低，需要防止變形，保證定位準(zhǔn)確度要求，還要避免定位誤差不至于集中積累在一個面上。

激光投影定位技術(shù)徹底解決了飛機(jī)零部件三維裝配的精度差和效率低的問題。依據(jù)設(shè)計的數(shù)模，LPT以激光線條的形式將三維輪廓線投影到安裝位置，操作人員只需將該零部件實(shí)物的每條邊與所投影的激光輪廓線重合，就可以實(shí)現(xiàn)在空間的6個自由度的精準(zhǔn)定位。這樣在減少定位工序和定位模板使用的同時，極大的提高了裝配的精度。另外，激光投影定位儀還擁有IPV在線校準(zhǔn)功能，其原理是在實(shí)際裝配時，依據(jù)設(shè)置的裝配公差，激光投影定位儀會自動檢查零部件的裝配位置誤差是否超出公差范圍，及時提醒操作人員進(jìn)行修正。

4.3 “X射線”投影技術(shù)

在飛機(jī)零部件背面存在大量的對接肋、腹板及加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，這些肋筋的結(jié)構(gòu)關(guān)系到整個飛機(jī)的安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在現(xiàn)場裝配時，我們面臨以下問題：在機(jī)身已覆蓋好蒙皮后再在蒙皮表面進(jìn)行制鉚時，內(nèi)部的肋筋桁條等已不可見，但是蒙皮表面的鉚釘孔又必須準(zhǔn)確的鉆在飛機(jī)桁條上;另外，在壁板上進(jìn)行鉚接打孔的時候，又要避免損傷其背面的加強(qiáng)筋。

采用激光投影定位儀的“X射線”投影功能，可以在蒙皮與長桁裝配后，直接將內(nèi)部不可見的長桁在蒙皮的外側(cè)投影出來，操作人員就可根據(jù)這個‘X射線’透視圖將鉚釘孔精確的加工到長桁上，不僅減少了工序，而且避免了傳統(tǒng)從內(nèi)側(cè)打孔方法中，因為裝配誤差造成的鉚釘孔偏差需反復(fù)修正的問題。

4.4 易變形部件高精度無桁架裝配

目前飛機(jī)的主流結(jié)構(gòu)都是采用薄型板件和加強(qiáng)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)的薄壁機(jī)構(gòu)。這樣既能減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)重量又能有足夠的局部彎曲剛度，又能參加總體承力，所以得到廣泛運(yùn)用。它包含有蒙皮、腹板、隔板、地板等機(jī)構(gòu)，但是由于自身重力及在上面裝配的零部件重量分布原因，生產(chǎn)加工過程中會不可避免發(fā)生變形。雖然在生產(chǎn)時留有余量可供修正，但是在實(shí)際裝配過程中變形量無法量化，現(xiàn)有的定位桁架已無法進(jìn)行精確定位。

零部件出現(xiàn)變形時，首先使用激光雷達(dá)對變形件進(jìn)行高速掃描得到數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和控制軟件將“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)偏差范圍并進(jìn)行計算，將原有的數(shù)模進(jìn)行校正。

4.5 無人機(jī)（UAV）激光輔助裝配

在國外，不僅在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)或者運(yùn)輸機(jī)生產(chǎn)制造當(dāng)中大量采用激光投影定位技術(shù)來提高制鉚和裝配的精度，甚至可在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)無工裝裝配。美國諾斯羅普·格魯門公司在X47b無人機(jī)制造過程中以開發(fā)出了一套無工裝裝配系統(tǒng)，完全顛覆了傳統(tǒng)的無人機(jī)裝配過程。從各個功能模塊的線纜鋪設(shè)定位，到飛機(jī)各個部件的現(xiàn)場校正，直到最后裝配成一件完整的飛機(jī)，除去必要的夾具型架外，激光投影定位儀幾乎全部替代了傳統(tǒng)的定位工裝。這使其成為了全球生產(chǎn)效率和裝配精度最高的飛機(jī)之一。

4.6艙內(nèi)重要設(shè)備及線束數(shù)字化定位

在國外的主機(jī)廠中，他們使用激光投影設(shè)備在飛機(jī)艙內(nèi)投影出重要設(shè)備的關(guān)鍵部件位置和線束安裝架的三維輪廓來指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配。在建立坐標(biāo)系時，除了掃描傳統(tǒng)的反光靶點(diǎn)之外，激光投影定位儀還可以掃描一些特征信息如拐點(diǎn)、圓孔、圓弧等，這使得激光投影在現(xiàn)場使用的靈活性大大提升。坐標(biāo)系建立后，即可投影出部件的三維輪廓激光線條，操作人員只需將部件的每條輪廓線與投出的激光線對齊，同時可開啟IPV功能實(shí)時監(jiān)測部件的位置保證裝配質(zhì)量。同時，還可在邊上投出部件的名稱，以免工人錯拿誤裝。

5.結(jié)束語

通過對激光投影原理的分析，并結(jié)合實(shí)際情況和使用范圍分析，初步確定激光投影可以廣泛應(yīng)用在MBD環(huán)境下的新機(jī)研制。如果在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行具體使用條件摸索，可以在技術(shù)成熟的情況下講其廣泛應(yīng)用于飛機(jī)裝配的各個環(huán)節(jié)。