基于MBD技术的装配定位方法研究
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[摘 要]随着我国航空事业的不断发展，飞机设计基于三维标注技术（MBD）日渐成熟，现已逐步完成三维模型取代二维工程图，因此对飞机装配技术发展提供了更广阔空间，同时对飞机装配的精度和效率提出了更高的要求。基于MBD技术利用，可利用三维激光投影定位仪进行零件的投影定位、紧固件的投影制孔等装配工作完成试验件的装配试验，在飞机装配领域的具有重要的发展前景。
[关键词]MBD 数字化 三维激光投影 装配
中图分类号：TP469 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0352-01
一、引言
传统的装配定位方法――装配型架定位、装配孔定位、基准件定位等[1]虽能满足装配精度要求，但是一般对于飞机内部不易设置工装、样板的零件不适用，例如：零组件对接处的连接片、系统角片支架等，此类零件通常采用依靠基准产品或画线定位等方式，精度差而且效率低；其次，对于连接关系复杂、不便直接取制导孔的零件，传统采用画线制孔或样板制孔，导致制孔效率低、精度差；最后，在装配工程中，工装问题及零件制造问题难以及时发现，装配出现问题才会去复查工装及零件，往往造成不必要的产品质量问题。若将三维激光投影定位技术应用于飞机装配过程中，上述问题将可以得到有效解决。据调查了解，美国波音公司已有超过900套激光投影定位设备，应用在各个制造和装配环节中，节省了大量模板和定位工装，在节约成本的同时还提高了工作效率和定位精度。但是，三维激光投影定位技术还未引入国内航空制造业，具有较大的发展空间。
二、关键技术
1.概述
三维激光投影定位技术是通过对高速转动的高精度光学振镜控制光束快速经过三维空间中指定的点来实现的。高速重复运动的光束在人眼看来呈一条连续的线条，这种由绿色激光产生的虚拟模板，称作“激光投影”，投影精度可达±0.13mm（±0.005in）。利用激光投影形成的三维虚拟模板，操作人员仅需将实体零件与激光线重合，就可实现零件的精确定位。
2.建立坐标系方式
2.1利用基准孔进行建系，可选取工装上的ERS点和TB点进行建站，也可选产品上精确度较高的紧固件孔进行建站；
2.2利用任一点坐标值赋值进行建系，即当无工装ERS点和TB点可利用，产品上紧固件孔位精度无法满足要求时，可在任意位置粘贴靶标点，利用激光跟踪仪测量该点的坐标值，然后输入坐标值进行建站；
2.3通过3-2-1原则建系：分别将三个，两个，一个平面座标靶点安装在三个彼此近乎垂直的面上，然后用3-2-1法建系，最终时数模与实体产品对齐。
3.动态定位跟踪功能
三维激光投影定位仪是基于设备两侧相机实时监控被投产品上安装的标靶点来识别被投产品在空间中的位置的，所以只要标靶点与被投工件的相对位置没有发生改变，那么无论被投工件发生移动或翻转，只要在设备的视场范围以内且标靶点都能被设备相机识别到，那么激光线都能准确无误的重新找正投影在工件表面的正确位置。反之，移动三维激光投影仪亦然。因此在实际操作中，跟根据装配流程、工作空间及操作习惯等在装配过程中实时调整激光投影定位仪的位置，满足人机功效要求。
三、装配应用
1.零件投影定位
利用三维激光投影定位零件，依据产品数模，以激光线条的形式将零组件的三维轮廓线投影到安装位置，操作人员将该零组件实物的每条边与所投影的激光轮廓线重合，实现在空间的6个自由度的精确定位。
经试验验证，对于系统角片、接头类零件，结构小、刚性好，利用激光投影出三维轮廓，用零件边缘拟合投影边缘，实现精确定位，可解决飞机内部不易设置工装、样板进行零件的定位问题（例如飞机内部的系统角片及支架等），装配效率可提高60%，节约人工成本。但对于长桁、带板等较长的零件用激光投影定位仪进行定位相对于利用工装上的挡块、压紧器定位，效率较低，且零件刚性差，无法夹持，因此该定位方法暂时不适用。
2.紧固件孔位投影制孔
利用三维激光投影技术，可依据设计数模将紧固件孔位以各种十字图案投影在零件上，代替传统手工画线制孔的方式，提高制孔精度，避免了工人在装配工作中反复依据数模检查紧固件孔位信息，有利于现场的防差错管理，极大提高装配效率。同时减少了钻孔样板的设计制造成本，便于产品设计更改，减少在制品报废率，降低重复投入成本。
经试验验证，数模中紧固件孔位必须画在零件的投影面，或将孔位偏置到零件的投影面，才能得到精确的孔位投影。否则因零件厚度的影响，仪器放置的位置、激光入射角度不同，都会导致投影的结果不同，且距离仪器越远、角度越大的孔位，影响越大甚至超差；当数模中紧固件孔位与投影文件制作在同一个面时，仪器放置的位置、激光入射角度对投影结果无影响，且从正、反两面均可进行投影制孔，误差可忽略，因此对于机身内部闭角制孔区域，可采用激光投影的方式，由外向内进行制孔操作。
3.关键、重要零件检查的直观性初步检查
利用三維激光投影方法还可以依据设置的装配公差，检查零、组件装配误差是否超出公差范围，提醒操作人员进行修正，及时发现关键零件制造问题，以及多层连接处涉及紧固件边距等问题，提高产品质量。
4.误差分析
4.1激光投影系统误差
定位误差与靶标点误差有关，激光投影仪利用工装上的六个ERS点或TB点，建立投影系统与产品的空间位置关系，投影系统的误差为±0.15mm。
4.2激光跟踪仪系统误差
激光跟踪仪测量时的误差公式为10μm+5μm/m。本试验激光跟踪仪距离试验件2m，激光跟踪仪系统产生的误差为20μm。
4.3零件制造误差
依据现阶段零件加工水平，机加件外形公差±0.1mm，钣金件外形公差±0.5mm。
4.4人工装配误差
根据激光投影进行装配操作时，操作工人对定位精度有一定的影响，同样的操作不同的操作工人会得到不完全相同的误差。
四、结论
随着我国航空事业的不断发展，对飞机装配精度和效率提出了更高的要求，将激光投影定位技术引入飞机装配制造，符合建立和完善基于数字化、信息化、智能化飞机设计制造技影定位仪满足装配要求且明显高于人工画线定位、制孔精度，且装配效率可提高60%，因此将三维激光投影定位仪应用于飞机装配具有重要的现实意义。
参考文献
[1]航空制造工程手册总编委会，《航空制造工程手册》第二版，航空工业出版社，北京，2010.
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