激光投影定位技术在飞机装配中的应用研究
王驰
中航飞机股份有限公司 陕西西安 710089
[摘 要] 随着基于模型定义的MBD技术在航空制造业中的深入应用，飞机部件装配技术正向数字化、智能化、柔性化方向不断发展，针对飞机装配定位的数字化设备(如数控定位器Pogo柱、真空吸盘柔性定位工装、机械臂、激光跟踪仪、激光雷达)已在国内各主机厂得到了广泛应用，本文对激光投影定位技术在飞机装配中的应用进行了研究。
[关键词] 激光投影定位技术；飞机装配；应用研究
1 投影原理
1.1 激光投影设备的建立坐标系原理
选取基准点、基准面、基准外形特征等，通过软件算法将产品与三维模型进行最佳拟合，建立一个基于基准点（或基准面、基准外形特征）的相对坐标系。
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1.2 激光投影设备实现零件定位的原理
将待定位零件的外形特征轮廓线以三维的方式投影至产品表面上，将零件摆放调整至外形与激光线条重合后，认为零件已定位到位，使用弓形夹将零件夹紧，即定位完成[1]。
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1.3 激光投影设备输出原理
激光投影设备输出原理：激光投影设备内的激光发生器发射波长为532nm的绿色激光束（功率为5mW），通过设备内部的一对高速运动的高精度光学振镜及变焦镜头控制光束发射至三维空间中指定的点，因设备发射的为高速重复运动的光点，在人眼看来呈一条连续的线条。
2 研究试验方案
2.1 试验件
为方便激光跟踪仪验证精度，选取空间位置开敞的长桁进行零件定位精度验证试验。首先使用投影设备完成长桁定位，压紧器夹紧后，使用激光跟踪仪检查长桁端头位置。分别在7根长桁航向基准端头选取3个点，利用激光跟踪仪测量定位后的空间航向（X向）数据，与理论坐标对比。根据实测数据，零件投影定位平均误差为0.314mm，最大误差0.627mm，最小误差0.144mm，满足产品设计±1mm的定位要求。
2.2 投影设备
该三维激光投影定位仪具有基准自动识别、自动追踪定位功能，在生产装配过程中能够实时跟踪，便捷地完成投影定位，且具有简单的文字投影功能，投影精度±0.13mm，投影距离2.5-5m，投影角度60°/80°（X&Y），聚焦线宽0.5mm。
3 试验结果及分析
3.1 零件定位精度
设计、制造专用试验件，专用试验件为飞机典型壁板结构件，主要零件有蒙皮、长桁、长桁接头、框缘、剪切角片、框接头、框加强型材和系统支架等，此外试验件还包含用于将前述零件连接的紧固件。设计、制造用于试验件装配的型架，设置传统定位器和夹紧装置[2]。
例3(2015全国Ⅰ卷·文6)《九章算术》是我国古代内容极为丰富的数学名著，书中有如下问题：“今有委米依垣内角，下周八尺，高五尺，问“积及为米几何？”其意思为：“在屋内墙角处堆放米(如图1，米堆为一个圆锥的四分之一)，米堆底部的弧长为8尺，米堆的高为5尺，问米堆的体积和堆放的米各为多少？”已知1斛米的体积约为1.62立方尺，圆周率约为3，估算出堆放的米约有( ).
3.2 紧固件孔位精度
长桁、带板类零件，紧固件较多，利用激光投影定位仪进行投影制孔，为避免频闪现象，每次仅能投影5-8个孔，相较于划线制孔，效率降低；角片接头类零件，紧固件数量较少，且由于空间不开敞，紧固件孔位确定较复杂，因此利用激光投影制孔相较于划线制孔，效率提高较明显。
3.3 零件定位与检查效率
（3）装配震动影响投影效果：因飞机部装时大量装配工作并行进行，机身内部因人员走动、制孔及紧固件安装工具带来的震动造成飞机内部轻微震动的环境，激光投影仪会随之震动，造成投影线条震动，影响装配定位精度。
3.4 紧固件制孔效率
使用设备在试验件上投影出紧固件孔中心位置，再以此钻出紧固件孔。随机选取20个孔位使用激光投影定位仪进行检测，输出坐标值并与理论数据进行对比。根据测量数据，利用激光投影定位仪进行紧固件孔定位，平均误差是0.334mm，最大的误差0.866mm，最小误差0.061mm，孔位精度高于传统手工划线以及利用样板、明胶图来确定孔位。
3.5 重点区域的投影检查
利用激光投影定位，可以快捷地对关注区域进行质量检查。例如对蒙皮外廓的检查，对背面搭接区紧固件边距进行反投检查等。
4 实际应用中存在的问题及解决方案
（1）投影的内容有限：经过现场实际使用，通常在800＊800mm范围内可以同时投影2-3个间隔距离不小于300mm的零件，投影范围再大或投影内容再多时会发生光线发虚的现象。
解决方案：现场调整并做记录，待下一架生产时解决。
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（2）投影适应性有限：因飞机内部结构复杂，激光投影要求光线传输路径过程中不能有结构或人员遮挡，若产生遮挡则需要重新调整投影设备位置或投影顺序，初期对装配效率提升效果有限。
解决方案：合理规划工艺流程，减少同时投影零件个数。
长桁为窄长型零件，刚性较差，用激光投影进行定位操作相对于利用工装上的挡块、压紧器定位，效率较低；接头、加强筋类结构件，基准尺寸容易测量，用激光投影进行定位相对于划线定位，效率有所提高；系统支架类零件，结构不规则，且空间尺寸复杂不易转化，用激光投影进行定位相对于划线定位，定位效率提高较大；零件定位后的位置检查，激光投影后的理论边缘一目了然，不用再反复量取数模和实际工件的位置，效率提高较明显[3]。
需求分析是指在课程设置和实施的过程中，课程设计人员和教师通过内省、访谈、观察和问卷等手段对学生的主观与客观需求进行调查分析，从而确定学生学什么和如何学的过程。需求分析20世纪70年代进入外语教育领域，之后研究者们纷纷从不同视角提出了不同的研究分类。Hutchinson&Waters（2002）认为需求可分为目标需求和学习需求：目标需求又可细分为必学知识、欠缺知识和想学知识；学习需求则细分为学习环境条件、学习者知识、学习者技能和策略以及学习者动机等。需求分析是教学实施前的一个诊断过程，能够为教学活动和教学计划改进提供依据。
解决方案：增加激光投影设备支架的稳定性；因激光投影设备在建立坐标系及投影过程中会不断扫描基准及输出光线，减小刷新间隔时间可以有效提高激光线条稳定性。
（4）对装配工艺员要求较高：需要装配工艺有较强的工艺流程规划能力，熟悉装配过程。初期应用时需要不断调整激光投影设备位置或投影顺序，初期定位效率低。
解决方案：通过2-3架的装配工作磨合就可以将激光投影的工艺流程成熟固化，在后续的生产中可以大大提高小型连接件定位效率。
5 结语
激光投影技术目前已在航天、船舶、汽车工业等领域已经得到了广泛应用，其技术本身的原理也与目前飞机数字化、智能化、柔性化装配的发展方向相重合，深入研究并逐步应用激光投影技术，在提升飞机产品质量和生产效率的同时，更能促进航空产品生产的观念性改变及管理体制的变革，攻克当前飞机装配及制造技术中的薄弱环节。
参考文献：
[1]陈国强，李辉，余宁.激光投影在装配连接中的应用[J].航空制造技术，2015(s 2):20-22.
[2]朱文华,马登哲.虚拟装配技术的应用研究[J].机械设计与研究,2004(06):45-46+68+6.
[3]王飞,杨湘龙,冯允成.虚拟现实仿真技术及在飞机装配中的应用[J].北京航空航天大学学报,2001(02):93-96.
[中图分类号] E933.43
[文献标识码] A
标签：激光投影定位技术论文; 飞机装配论文; 应用研究论文; 中航飞机股份有限公司论文;