激光投影定位技术在飞机装配中的应用研究
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摘 要：本研究项目属于数字化装配技术领域，是一种基于MBD技术利用激光投影原理完成零件、紧固件孔定位，进行关键区域质量检查的数字化装配工艺方法。本项目使用三维激光投影技术进行了装配定位、质量检查等方面的飞机装配应用研究，主要包括零件的投影定位、紧固件的投影制孔、关键装配部位检测等，确定了激光投影定位装配方法所适用的范围、定位精度和装配效率。
关键词：三维激光投影;飞机装配;数字化装配;系统支架;紧固件孔
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：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
三维激光投影是通过旋转振镜等设备将激光束以高速扫描的形式投影到工作区域中的曲面上，由于激光束扫描移动的速率高于人眼识别的速率，人眼察觉不到激光点移动的变化，这样可以利用人眼视觉暂留效应，在待投影曲面上观测到激光形成的完整的画面，并且承接投影的可以是任意形状的曲面[1]。
激光投影定位技术在国内航空制造业复材零件铺贴中已广泛应用，但在装配领域还处于起步阶段。本文研究基于飞机典型壁板试验件，进行零件投影定位、紧固件投影制孔和关键装配部位检测等方面的试验和研究，确定了激光投影装配定位技术所适用的范围、定位精度和装配效率，为该技术在飞机装配领域投入应用奠定基础。
1 研究试验方案
1.1 试验件
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。
壁板结构见图1所示。
1.2 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。
1.3 研究方案
利用投影设备在装配型架上分别对长桁基准端头、蒙皮搭接處边缘、框接头、加强立筋、带板边缘、长桁角片、系统支架、长桁与蒙皮连接孔、剪切角片与蒙皮连接孔、框接头与蒙皮连接孔、加强立筋与蒙皮连接孔、长桁角片与蒙皮和长桁连接孔进行投影，对前述内容的投影精度、投影效率、检查效果等进行研究和分析，从而总结出激光投影定位装配方法所适用的范围、实际定位精度、装配效率等。
投影精度方面，通过设备完成零件投影定位、紧固件投影制孔，再分别使用装配现场广泛使用的激光跟踪仪和设备自带的检测功能进行精度验证。
投影效率方面，通过设备完成零件定位和紧固件制孔，再使用传统方法进行相同操作，记录工作时间，进行效率优劣分析。
2 试验结果及分析
2.1 零件定位精度
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 紧固件孔位精度
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。 2.3 零件定位与检查效率
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。
2.4 紧固件制孔效率
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。效率对比见表1。
2.5 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。
3 研究结论
3.1 使用条件
激光投影定位适用于相对较为开敞的区域，确保投射理论位置激光光束通路不受遮挡，因此对于较为封闭、狭小的区域，且无法通过工艺流程调整确保投射通路的装配区域，激光投影定位方法不适用。
3.2 适用范围
3.2.1 零件定位
a.不適宜的零件类型：长桁、带板等较长、刚性较差的零件（相对于利用工装上的挡块、压紧器定位，激光投影效率较低，且无法夹持）。b.适宜的零件类型：系统支架、剪切片、长桁接头等结构小、刚性好的零件。
3.2.2 孔位确定
a.对于多类型连接孔（如框缘与蒙皮、系统支架与结构）且夹层厚度不大时，利用激光投影确定孔位指导操作者直接钻孔，其精度及效率远高于手工划线制孔;但对于精度要求较高的基准孔、夹层较厚的连接孔仍需采用工装钻模来保证孔位和制孔精度。b.紧固件点位须设计在零件实际投影面，如果不在一个面，工艺设计时需将孔位进行偏置处理才能得到精确的孔位投影。否则因零件厚度影响，设备放置的位置、激光入射角度不同，会导致投影偏差，且距离设备越远、角度越大的孔位，影响越大甚至导致超差。
3.2.3 装配检查
可对装配过程中所关注的区域进行检查，核实零件定位位置、制造质量，提前发现紧固件边距超差等质量问题。
3.3 进一步研究问题
使用三维激光投影定位零件，需两位操作人员配合进行。一人手持零件与激光轮廓拟合定位，另一人夹紧、固定，操作过程中手持零件容易发生偏移。因此要将三维激光投影方法更好地应用，需解决零件夹持问题。如采用胶粘方式，但选用的胶粘剂需对机体无损害、易清除，甚至允许保留在夹层内，对此需要与工程部门共同研究。
3.4 小结
与传统定位方法不同，激光投影定位作为一项新兴的装配技术，具有精确、快速、柔性、精益等特点，使得“虚拟定位器”的实现成为可能。在满足特定类零件及紧固件孔位定位精度的同时，相比工装定位器、制孔样板、钻模板等物理手段，激光投影定位方法可快速实现设计变更，且不会产生任何工装变更成本。同时，激光投影还可以对关键零件、连接情况较复杂区域进行检查，提前发现质量隐患。
激光投影定位方法稳定可靠、快速便捷，具有提升效率、防差错和降低制造成本等效果，拥有良好的经济性，一次性投入成本不高。借鉴波音、空客等先进航空制造企业经验，激光投影定位作为一种基于MBD技术的新式装配工艺方法，具备广阔的推广空间和极强的应用价值。
参考文献：
[1]孙佳慧.数字化定位激光3D投影技术研究[D].长春：长春理工大学，2013.
[2]张吉璇.基于激光投影图像分析的四轮定位检定技术研究[D].南京：南京理工大学，2018.
[3]刁玉静.飞机装配质量管理系统关键技术研究[J].信息技术与信息化，2018（12）：190-192.
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