激光投影定位技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究

王馳

中航飛機(jī)股份有限公司 陜西西安 710089

1 投影原理

1.1 激光投影設(shè)備的建立坐標(biāo)系原理

選取基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)外形特征等，通過軟件算法將產(chǎn)品與三維模型進(jìn)行最佳擬合，建立一個基于基準(zhǔn)點(diǎn)（或基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)外形特征）的相對坐標(biāo)系。

1.2 激光投影設(shè)備實現(xiàn)零件定位的原理

將待定位零件的外形特征輪廓線以三維的方式投影至產(chǎn)品表面上，將零件擺放調(diào)整至外形與激光線條重合后，認(rèn)為零件已定位到位，使用弓形夾將零件夾緊，即定位完成[1]。

1.3 激光投影設(shè)備輸出原理

激光投影設(shè)備輸出原理：激光投影設(shè)備內(nèi)的激光發(fā)生器發(fā)射波長為532nm的綠色激光束（功率為5mW），通過設(shè)備內(nèi)部的一對高速運(yùn)動的高精度光學(xué)振鏡及變焦鏡頭控制光束發(fā)射至三維空間中指定的點(diǎn)，因設(shè)備發(fā)射的為高速重復(fù)運(yùn)動的光點(diǎn)，在人眼看來呈一條連續(xù)的線條。

2 研究試驗方案

2.1 試驗件

設(shè)計、制造專用試驗件，專用試驗件為飛機(jī)典型壁板結(jié)構(gòu)件，主要零件有蒙皮、長桁、長桁接頭、框緣、剪切角片、框接頭、框加強(qiáng)型材和系統(tǒng)支架等，此外試驗件還包含用于將前述零件連接的緊固件。設(shè)計、制造用于試驗件裝配的型架，設(shè)置傳統(tǒng)定位器和夾緊裝置[2]。

2.2 投影設(shè)備

該三維激光投影定位儀具有基準(zhǔn)自動識別、自動追蹤定位功能，在生產(chǎn)裝配過程中能夠?qū)崟r跟蹤，便捷地完成投影定位，且具有簡單的文字投影功能，投影精度±0.13mm，投影距離2.5-5m，投影角度60°/80°（X&Y），聚焦線寬0.5mm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 零件定位精度

為方便激光跟蹤儀驗證精度，選取空間位置開敞的長桁進(jìn)行零件定位精度驗證試驗。首先使用投影設(shè)備完成長桁定位，壓緊器夾緊后，使用激光跟蹤儀檢查長桁端頭位置。分別在7根長桁航向基準(zhǔn)端頭選取3個點(diǎn)，利用激光跟蹤儀測量定位后的空間航向（X向）數(shù)據(jù)，與理論坐標(biāo)對比。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，零件投影定位平均誤差為0.314mm，最大誤差0.627mm，最小誤差0.144mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計±1mm的定位要求。

3.2 緊固件孔位精度

使用設(shè)備在試驗件上投影出緊固件孔中心位置，再以此鉆出緊固件孔。隨機(jī)選取20個孔位使用激光投影定位儀進(jìn)行檢測，輸出坐標(biāo)值并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用激光投影定位儀進(jìn)行緊固件孔定位，平均誤差是0.334mm，最大的誤差0.866mm，最小誤差0.061mm，孔位精度高于傳統(tǒng)手工劃線以及利用樣板、明膠圖來確定孔位。

3.3 零件定位與檢查效率

長桁為窄長型零件，剛性較差，用激光投影進(jìn)行定位操作相對于利用工裝上的擋塊、壓緊器定位，效率較低；接頭、加強(qiáng)筋類結(jié)構(gòu)件，基準(zhǔn)尺寸容易測量，用激光投影進(jìn)行定位相對于劃線定位，效率有所提高；系統(tǒng)支架類零件，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，且空間尺寸復(fù)雜不易轉(zhuǎn)化，用激光投影進(jìn)行定位相對于劃線定位，定位效率提高較大；零件定位后的位置檢查，激光投影后的理論邊緣一目了然，不用再反復(fù)量取數(shù)模和實際工件的位置，效率提高較明顯[3]。

3.4 緊固件制孔效率

長桁、帶板類零件，緊固件較多，利用激光投影定位儀進(jìn)行投影制孔，為避免頻閃現(xiàn)象，每次僅能投影5-8個孔，相較于劃線制孔，效率降低；角片接頭類零件，緊固件數(shù)量較少，且由于空間不開敞，緊固件孔位確定較復(fù)雜，因此利用激光投影制孔相較于劃線制孔，效率提高較明顯。

3.5 重點(diǎn)區(qū)域的投影檢查

利用激光投影定位，可以快捷地對關(guān)注區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量檢查。例如對蒙皮外廓的檢查，對背面搭接區(qū)緊固件邊距進(jìn)行反投檢查等。

4 實際應(yīng)用中存在的問題及解決方案

（1）投影的內(nèi)容有限：經(jīng)過現(xiàn)場實際使用，通常在800＊800mm范圍內(nèi)可以同時投影2-3個間隔距離不小于300mm的零件，投影范圍再大或投影內(nèi)容再多時會發(fā)生光線發(fā)虛的現(xiàn)象。

解決方案：合理規(guī)劃工藝流程，減少同時投影零件個數(shù)。

（2）投影適應(yīng)性有限：因飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激光投影要求光線傳輸路徑過程中不能有結(jié)構(gòu)或人員遮擋，若產(chǎn)生遮擋則需要重新調(diào)整投影設(shè)備位置或投影順序，初期對裝配效率提升效果有限。

解決方案：現(xiàn)場調(diào)整并做記錄，待下一架生產(chǎn)時解決。

（3）裝配震動影響投影效果：因飛機(jī)部裝時大量裝配工作并行進(jìn)行，機(jī)身內(nèi)部因人員走動、制孔及緊固件安裝工具帶來的震動造成飛機(jī)內(nèi)部輕微震動的環(huán)境，激光投影儀會隨之震動，造成投影線條震動，影響裝配定位精度。

解決方案：增加激光投影設(shè)備支架的穩(wěn)定性；因激光投影設(shè)備在建立坐標(biāo)系及投影過程中會不斷掃描基準(zhǔn)及輸出光線，減小刷新間隔時間可以有效提高激光線條穩(wěn)定性。

（4）對裝配工藝員要求較高：需要裝配工藝有較強(qiáng)的工藝流程規(guī)劃能力，熟悉裝配過程。初期應(yīng)用時需要不斷調(diào)整激光投影設(shè)備位置或投影順序，初期定位效率低。

解決方案：通過2-3架的裝配工作磨合就可以將激光投影的工藝流程成熟固化，在后續(xù)的生產(chǎn)中可以大大提高小型連接件定位效率。

5 結(jié)語

激光投影技術(shù)目前已在航天、船舶、汽車工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其技術(shù)本身的原理也與目前飛機(jī)數(shù)字化、智能化、柔性化裝配的發(fā)展方向相重合，深入研究并逐步應(yīng)用激光投影技術(shù)，在提升飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時，更能促進(jìn)航空產(chǎn)品生產(chǎn)的觀念性改變及管理體制的變革，攻克當(dāng)前飛機(jī)裝配及制造技術(shù)中的薄弱環(huán)節(jié)。