王懋君

摘 ?要：三維激光投影定位技術(shù)是通過一對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(yàn)、測(cè)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(cè)量等各個(gè)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(yàn)證，確保能保質(zhì)保量的廣泛應(yīng)用與飛機(jī)的各個(gè)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(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(shí)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(jì)算機(jī)、支架和附件組成，可以使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來控制多臺(tái)激光投影定位儀，同時(shí)還可使用多臺(tái)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?？梢詽M足飛機(jī)裝配精度0.2mm

3.2超靈敏的光學(xué)探測(cè)器

超靈敏的光學(xué)探測(cè)器（PMT技術(shù)）能夠探測(cè)pW級(jí)光能量，這樣便可以在工作現(xiàn)場(chǎng)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(tái)激光投影儀聯(lián)動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)比，或者將實(shí)驗(yàn)前后掃描的三維輪廓進(jìn)行對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)低頻閃，保證了用戶實(shí)際工作時(shí)的舒適性;

3.5自動(dòng)聚焦：

自動(dòng)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(shí)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(duì)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(gè)工件，在空間都有6個(gè)自由度，要確定工件的空間位置，必須約束六個(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(shí)，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(shí)，依據(jù)設(shè)置的裝配公差，激光投影定位儀會(huì)自動(dòng)檢查零部件的裝配位置誤差是否超出公差范圍，及時(shí)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(duì)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(gè)飛機(jī)的安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)‘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?yàn)檠b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(huì)不可避免發(fā)生變形。雖然在生產(chǎn)時(shí)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(shí)，首先使用激光雷達(dá)對(duì)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(duì)比，發(fā)現(xiàn)偏差范圍并進(jìn)行計(jì)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(gè)功能模塊的線纜鋪設(shè)定位，到飛機(jī)各個(gè)部件的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(chǎng)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(duì)齊，同時(shí)可開啟IPV功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部件的位置保證裝配質(zhì)量。同時(shí)，還可在邊上投出部件的名稱，以免工人錯(cuò)拿誤裝。

5.結(jié)束語

通過對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)。