激光投影定位技術在飛機裝配中的應用研究
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摘 要：本研究項目屬于數字化裝配技術領域，是一種基于MBD技術利用激光投影原理完成零件、緊固件孔定位，進行關鍵區域質量檢查的數字化裝配工藝方法。本項目使用三維激光投影技術進行了裝配定位、質量檢查等方面的飛機裝配應用研究，主要包括零件的投影定位、緊固件的投影制孔、關鍵裝配部位檢測等，確定了激光投影定位裝配方法所適用的范圍、定位精度和裝配效率。
關鍵詞：三維激光投影;飛機裝配;數字化裝配;系統支架;緊固件孔
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）08-0142-02
Abstract： This research project belongs to the field of digital assembly technology. it is a kind of digital assembly process method based on MBD technology， which uses laser projection principle to complete the positioning of parts and fasteners， and carries out the quality inspection of key areas. In this project， three-dimensional laser projection technology is used to study the application of aircraft assembly in assembly positioning， quality inspection and so on， including the projection positioning of parts， the projection hole making of fasteners， the detection of key assembly parts， and so on. The applicable range， positioning accuracy and assembly efficiency of laser projection positioning assembly method are determined.
Keywords： three-dimensional laser projection; aircraft assembly; digital assembly; system support; fastener hole
三維激光投影是通過旋轉振鏡等設備將激光束以高速掃描的形式投影到工作區域中的曲面上，由于激光束掃描移動的速率高于人眼識別的速率，人眼察覺不到激光點移動的變化，這樣可以利用人眼視覺暫留效應，在待投影曲面上觀測到激光形成的完整的畫面，并且承接投影的可以是任意形狀的曲面[1]。
激光投影定位技術在國內航空制造業復材零件鋪貼中已廣泛應用，但在裝配領域還處于起步階段。本文研究基于飛機典型壁板試驗件，進行零件投影定位、緊固件投影制孔和關鍵裝配部位檢測等方面的試驗和研究，確定了激光投影裝配定位技術所適用的范圍、定位精度和裝配效率，為該技術在飛機裝配領域投入應用奠定基礎。
1 研究試驗方案
1.1 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。
壁板結構見圖1所示。
1.2 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。
1.3 研究方案
利用投影設備在裝配型架上分別對長桁基準端頭、蒙皮搭接處邊緣、框接頭、加強立筋、帶板邊緣、長桁角片、系統支架、長桁與蒙皮連接孔、剪切角片與蒙皮連接孔、框接頭與蒙皮連接孔、加強立筋與蒙皮連接孔、長桁角片與蒙皮和長桁連接孔進行投影，對前述內容的投影精度、投影效率、檢查效果等進行研究和分析，從而總結出激光投影定位裝配方法所適用的范圍、實際定位精度、裝配效率等。
投影精度方面，通過設備完成零件投影定位、緊固件投影制孔，再分別使用裝配現場廣泛使用的激光跟蹤儀和設備自帶的檢測功能進行精度驗證。
投影效率方面，通過設備完成零件定位和緊固件制孔，再使用傳統方法進行相同操作，記錄工作時間，進行效率優劣分析。
2 試驗結果及分析
2.1 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。
2.2 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。 2.3 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。
2.4 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。效率對比見表1。
2.5 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。
3 研究結論
3.1 使用條件
激光投影定位適用于相對較為開敞的區域，確保投射理論位置激光光束通路不受遮擋，因此對于較為封閉、狹小的區域，且無法通過工藝流程調整確保投射通路的裝配區域，激光投影定位方法不適用。
3.2 適用范圍
3.2.1 零件定位
a.不適宜的零件類型：長桁、帶板等較長、剛性較差的零件（相對于利用工裝上的擋塊、壓緊器定位，激光投影效率較低，且無法夾持）。b.適宜的零件類型：系統支架、剪切片、長桁接頭等結構小、剛性好的零件。
3.2.2 孔位確定
a.對于多類型連接孔（如框緣與蒙皮、系統支架與結構）且夾層厚度不大時，利用激光投影確定孔位指導操作者直接鉆孔，其精度及效率遠高于手工劃線制孔;但對于精度要求較高的基準孔、夾層較厚的連接孔仍需采用工裝鉆模來保證孔位和制孔精度。b.緊固件點位須設計在零件實際投影面，如果不在一個面，工藝設計時需將孔位進行偏置處理才能得到精確的孔位投影。否則因零件厚度影響，設備放置的位置、激光入射角度不同，會導致投影偏差，且距離設備越遠、角度越大的孔位，影響越大甚至導致超差。
3.2.3 裝配檢查
可對裝配過程中所關注的區域進行檢查，核實零件定位位置、制造質量，提前發現緊固件邊距超差等質量問題。
3.3 進一步研究問題
使用三維激光投影定位零件，需兩位操作人員配合進行。一人手持零件與激光輪廓擬合定位，另一人夾緊、固定，操作過程中手持零件容易發生偏移。因此要將三維激光投影方法更好地應用，需解決零件夾持問題。如采用膠粘方式，但選用的膠粘劑需對機體無損害、易清除，甚至允許保留在夾層內，對此需要與工程部門共同研究。
3.4 小結
與傳統定位方法不同，激光投影定位作為一項新興的裝配技術，具有精確、快速、柔性、精益等特點，使得“虛擬定位器”的實現成為可能。在滿足特定類零件及緊固件孔位定位精度的同時，相比工裝定位器、制孔樣板、鉆模板等物理手段，激光投影定位方法可快速實現設計變更，且不會產生任何工裝變更成本。同時，激光投影還可以對關鍵零件、連接情況較復雜區域進行檢查，提前發現質量隱患。
激光投影定位方法穩定可靠、快速便捷，具有提升效率、防差錯和降低制造成本等效果，擁有良好的經濟性，一次性投入成本不高。借鑒波音、空客等先進航空制造企業經驗，激光投影定位作為一種基于MBD技術的新式裝配工藝方法，具備廣闊的推廣空間和極強的應用價值。
參考文獻：
[1]孫佳慧.數字化定位激光3D投影技術研究[D].長春：長春理工大學，2013.
[2]張吉璇.基于激光投影圖像分析的四輪定位檢定技術研究[D].南京：南京理工大學，2018.
[3]刁玉靜.飛機裝配質量管理系統關鍵技術研究[J].信息技術與信息化，2018（12）：190-192.
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