激光投影定位技术在飞机装配中的应用分析

高峰

【摘 要】随着工业互联网、中国制造2025等战略的实施，制造业发展方向以全球化、专业性、服务性为特征，面对产品制造周期长、频繁变化的工作对象，需要人工参与小批量定制化装配生产。智能激光3D投影技术可以用于引导部件精密定位，测量数据误差可视化。激光投影技术广泛应用于飞机整机喷涂等，有效提升复材零件铺层效率。激光投影可实现飞机部件装配小型连接件快速精确定位，选取长桁等装配精度高的零件外形为基准建立飞机内部相对坐标系，实现小型连接件数字化定位，为飞机部件智能化装配提供技术支持。

【关键词】激光投影;定位;飞机装配

近年来制造业向信息化方向发展，制造技术以自动智能化、高附加值化方向稳步提升，制造业中装配定位技术经历从人工定位装配向自动化定位装配过渡，发达国家形成数字化装配技术为主的定位技术方式，但在复杂产品定位装配中面临安装工序复杂等问题。为提高生产柔韧性，需要引入专业技术人员参与产品制造中。随着MBD技术在航空制造业中的深入应用，飞机部件装配技术向柔性化方向发展，针对飞机装配定位数字化设备在国内主机场得到广泛应用，但无法针对机身内部安装小型零件等定位。小型连接件数量庞大，其定位仪装配夹具、人工划线等传统模拟量定方式为主，易发生人为原因质量问题。激光投影实现小型连接件数字化定位，实现数字化装配。可快速对激光投影内容调整，实现柔性化装配。

1.智能激光3D投影定位原理模型

飞机生产制造包括零件加工等环节。装配是将大量飞机零件按顺序组合。由于飞机产品尺寸较大，连接件数量多，飞机装配是复杂的工程，提升飞机装配技术水平有利于提升飞机制造质量。测量设备难以适用于飞机装配现场。

智能激光3D投影系统任务是激光器射出可见激光束，在待投影部件表面形成光点，双振镜往复偏转达到一定频率，光点在投影曲面运动轨迹形成待定位投影图形。指引操作人员将零部件装配至投影曲面正确位置【1】。激光投影系统移动时，投影图可投影定位至被投影部件准确位置，确保指引系统装配准确性。激光3D投影技术是具有实时性的组合系统技术，实现移动式激光3D投影系统位置实时补偿，系统工作前需制作投影文件。激光接收器收到激光信号解算当前位置坐标，控制系统可处理投影系统位姿。

激光接收器与投影承坐标系标定后形成整体，投影系统移动时，激光发射器发出红外信号捕捉激光接收器位置，实现激光光线投射至准确位置。智能激光3D投影系统标定是解算投影坐标系，激光光源出射激光光束后射向目标反射头，记录所在转轴旋转角度。通过控制转轴旋转角度改变激光传播方向，目标反射头将激光线按原光路逆向反射至投影系统，控制处理系统解算反射目标头圆心水平角，将多个目标反射头所在三维坐标制作为标定文件，按照目标反射头定义顺序，通过XY检流计控制振镜转角，解算各目标反射头圆心空间坐标值，确定投影坐标系空间位置参数，利用投影架标定坐标表示投影坐标系。

2.激光投影定位技术应用方法

激光投影设备监理坐标系选取基准面特征，建立基于基准点的相对坐标。零件定位是将零件外形特征轮廓线投影至产品表面，使用弓形夹将零件夹紧【2】。激光投影设备输出是发射绿色激光束，通过光学振镜控制光束发射值三维空间指定点。装配工艺员规划待投影部位，在专用软件中定义基准点，定义零件输出方式。

现场操作将激光投影设备架设至待投影部位前方，按定义基准面在产品对应位置暗转A固靶标座，靶标纸可通过临时胶结等方方式与产品快速固定。控制激光投影设备，捕捉产品基准点，经最佳拟合建立基准面坐标系。依次将待投影零件外形特征以绿色激光线方式投影至零件表面。待定零件摆放调整至外形与激光线条重合。激光投影设备使用方法灵活，可适应不同形状。可以输出点位十字线，简单数字子母【3】。激光投影设备可适应制孔，系统管路及支架安装等飞机部件常用操作，有效拓展飞机部装数字化。

3.飞机装配中激光投影装配技术的应用

三维激光投影通过将激光束投影到工作区域曲面，待投影曲面观测激光形成完整画面。研究飞机典型壁板试件进行紧固件投影制孔等方面实验。设计制造专用试件，主要有蒙皮、长桁接头等。设计制造试件装配型架。设计制造专用试验件，主要零件有长桁接头、壁板接头等，试验件包含零件连接的紧固件。

三维激光投影定位仪具有基准自动识别功能。在装配型架对梁肋对蒙皮搭接外边缘等进行投影，通过设备完成零件投影定位，使用激光跟踪仪进行精度验证。通过设备完成零件定位，选取梁、肋进行零件定位精度实验，利用激光跟踪仪测量定位后空間航向数据。选取长桁、翼缘进行零件定位精度验证试验，使用激光跟踪仪检查长桁端头位置，测量定位后空间航向数据，零件投影定位平均误差为0.314mm，满足产品设计±1mm的定位要求。使用设备在试验件上投影处紧固件孔中心位置，随机选取孔位进行检测，利用激光投影仪紧固件孔定位，最大误差0.866mm，孔位精度高于传统手工划线确定孔位。

长桁用激光投影定位操作效率较低，加强筋类结构件用激光投影定位相对效率提高。系统支架用激光投影进行定位效率较高。使用设备在试件上投影处紧固件中心位置，利用激光投影定位仪进行紧固件孔定位，带板类零件紧固件较多，利用激光投影制孔效率提高。利用激光投影定位可快速进行区域质量检查。实际应用中存在投影适应性有限，装配振动影响投影效果等问题。现场使用在800*800mm内可投影3个间距不小于300mm的零件，要合理规划工艺流程;激光投影要求光线传输路径不能有遮挡，初期对装配效率提升有限。要求现场调整解决。

结语

激光投影定位是新兴的装配技术，使得虚拟定位器成为现实。目前激光投影技术在航天等领域得到广泛应用，其技术原理与智能化装配发展方向重合，满足紧固件孔位定位精度，相比物理手段可快速实现设计变更。激光定位方法稳定可靠，具有降低制造成本等效果。激光投影定位装配工艺方法具有广阔推广空间。

参考文献：

[1]韩炜.激光投影定位技术在飞机装配中的应用研究[J].科技创新与应用，2019（08）：142-143.

[2]林海峰.基于激光投影的飞机装配定位技术应用[J].科学技术创新，2018（34）：33-34.

[3]郭丽丽. 智能激光3D投影系统及空间定位精度标定技术研究[D].长春理工大学，2018.

（作者单位：中航西安飞机工业集团股份有限公司）