激光投影定位技術在飛機裝配中的應用研究

王馳

中航飛機股份有限公司 陜西西安 710089

1 投影原理

1.1 激光投影設備的建立坐標系原理

選取基準點、基準面、基準外形特征等，通過軟件算法將產品與三維模型進行最佳擬合，建立一個基于基準點（或基準面、基準外形特征）的相對坐標系。

1.2 激光投影設備實現零件定位的原理

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

1.3 激光投影設備輸出原理

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

2 研究試驗方案

2.1 試驗件

設計、制造專用試驗件，專用試驗件為飛機典型壁板結構件，主要零件有蒙皮、長桁、長桁接頭、框緣、剪切角片、框接頭、框加強型材和系統支架等，此外試驗件還包含用于將前述零件連接的緊固件。設計、制造用于試驗件裝配的型架，設置傳統定位器和夾緊裝置[2]。

2.2 投影設備

該三維激光投影定位儀具有基準自動識別、自動追蹤定位功能，在生產裝配過程中能夠實時跟蹤，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行零件定位精度驗證試驗。首先使用投影設備完成長桁定位，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根長桁航向基準端頭選取3個點，利用激光跟蹤儀測量定位后的空間航向（X向）數據，與理論坐標對比。根據實測數據，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，滿足產品設計±1mm的定位要求。

3.2 緊固件孔位精度

使用設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。隨機選取20個孔位使用激光投影定位儀進行檢測，輸出坐標值并與理論數據進行對比。根據測量數據，利用激光投影定位儀進行緊固件孔定位，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、加強筋類結構件，基準尺寸容易測量，用激光投影進行定位相對于劃線定位，效率有所提高；系統支架類零件，結構不規則，且空間尺寸復雜不易轉化，用激光投影進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，不用再反復量取數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行投影制孔，為避免頻閃現象，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，緊固件數量較少，且由于空間不開敞，緊固件孔位確定較復雜，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 重點區域的投影檢查

利用激光投影定位，可以快捷地對關注區域進行質量檢查。例如對蒙皮外廓的檢查，對背面搭接區緊固件邊距進行反投檢查等。

4 實際應用中存在的問題及解決方案

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

解決方案：合理規劃工藝流程，減少同時投影零件個數。

（2）投影適應性有限：因飛機內部結構復雜，激光投影要求光線傳輸路徑過程中不能有結構或人員遮擋，若產生遮擋則需要重新調整投影設備位置或投影順序，初期對裝配效率提升效果有限。

解決方案：現場調整并做記錄，待下一架生產時解決。

（3）裝配震動影響投影效果：因飛機部裝時大量裝配工作并行進行，機身內部因人員走動、制孔及緊固件安裝工具帶來的震動造成飛機內部輕微震動的環境，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：增加激光投影設備支架的穩定性；因激光投影設備在建立坐標系及投影過程中會不斷掃描基準及輸出光線，減小刷新間隔時間可以有效提高激光線條穩定性。

（4）對裝配工藝員要求較高：需要裝配工藝有較強的工藝流程規劃能力，熟悉裝配過程。初期應用時需要不斷調整激光投影設備位置或投影順序，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，在后續的生產中可以大大提高小型連接件定位效率。

5 結語

激光投影技術目前已在航天、船舶、汽車工業等領域已經得到了廣泛應用，其技術本身的原理也與目前飛機數字化、智能化、柔性化裝配的發展方向相重合，深入研究并逐步應用激光投影技術，在提升飛機產品質量和生產效率的同時，更能促進航空產品生產的觀念性改變及管理體制的變革，攻克當前飛機裝配及制造技術中的薄弱環節。