三维激光投影技术的装配定位方法研究

王帅

摘要：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，符合建立基于数字化、信息化、智能化的飞机设计制造技术体系的基本要求。目前，以某型机为例，通过研究激光投影定位仪及相关软件的使用方法和操作流程，并在某型机翼身组合体试验件上进行初步试用的基础上，通过在典型壁板试验件上，利用激光投影定位仪进行典型零件的投影定位、紧固件的投影制孔，装配完成后使用激光跟踪仪进行精度检测，验证三维激光投影定位仪满足装配精度要求，同时大大的提高了装配效率。本研究在装配试验过程中发现并解决的问题对激光投影定位技术在飞机装配领域的应用具有重要的参考价值。

关键词：数字化；三维激光投影；装配

一、引言

传统的装配定位方法――装配夹具、样板定位等方式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，传统工艺采用画线制孔或样板制孔，导致制孔效率低、精度差，且如果产品设计发生更改，相应的钻孔样板也需相应更改，导致重复投入成本较高；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。

三维激光投影定位技术可以实现典型零件的投影定位、紧固件的投影制孔，降低成本，提高产品质量和生产效率。三维激光投影定位技术已在航空航天、船舶重工、汽车、军工、高铁和科研等领域被广泛使用，以美国波音公司为例，就有超过900套激光投影定位设备，已渗入到波音公司的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，激光投影定位技术在国内航空制造业还未得到普及，基于该技术的课题研究在我公司也是首次提出，具有一定的发展前景。因此要建立和完善基于数字化、信息化、智能化的飞机设计制造技术体系，进一步提高飞机装配水平，需尽快引入激光投影定位技术，并在飞机装配过程中进行广泛验证，不断扩大激光投影定位技术的应用范围，提高产品质量和装配效率。

二、高精度三维激光投影技术介绍

1.关键技术

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”。

2.设备参数

本课题选用的是激光投影定位仪LPT15，测量范围为1～15.2m，投影测量精度可达0.13mm，所擁有数字光束转向系统、自动聚焦系统、灵敏的信号探测系统等多项专利技术，使其在生产装配过程中能够完成投影定位、扫描、验证、测量等任务。

3. 所需条件及要求

1）产品三维数模；

2）产品工装上6个精确的基准孔，用于插入靶标进行LPT激光投影定位仪的校准；如果基准孔数量不足，用激光跟踪仪进行测点以满足LPT校准建立坐标系所用靶点数量要求；

3）供设备正常运行的220v电源，以及场地条件满足激光投影定位仪的投影范围覆盖整个产品；

4）LPT15激光投影定位系统1套。

三、数据库制作及投影操作

LPT是以数据库的形式来对投影任务进行管理。同一数据库中可包含不同的激光组文件、参数文件、靶点文件、投影文件，且随时可以对这些文件进行调用或是更换。根据产品的大小，选择创建一个数据库的数量，同时根据零件的类型制作成独立的投影文件，并根据零件的牌号进行命名，使数据管理规范化，条理化，方便查找和调用。零件制孔验证的投影文件也采用这种方式来制作，但投影文件下的每个图层所包含的孔的数量为5-8个，以防止出现频闪，在投影过程中可用LPT的自动下一图层功能来实现图层的快速切换。

1.创建投影任务数据库

利用RayTracer Administrator软件创建一个新的数据库并以组件号XX-XXXX-001命名，并设置激光组文件、参数文件，来实现网络连接并指定哪台激光投影仪来完成投影任务，并指定选用的计量单位及相关参数。

2.创建靶点文件

利用Verisurf软件在XX-XXXX-001数据库中创建靶点文件和投影文件，打开LPT Linker用来收集靶点文件和投影文件的数据点。输入6个精确点（一般采用工装上的TB点或ERS点）的坐标，并传输到Linker中加载到数据库中，完成靶点文件的创建，之后这些数据将会用于在LPT Operator中进行建立坐标系。

3.创建投影文件

利用Verisurf软件中的“Contour”工具，选取需要投影的零件轮廓线，并以零件号来命名图层名称，传输到Linker中加载到数据库中，完成投影文件的创建。

4.投影操作

完成投影文件创建以及设备的安装后进行产品投影，利用RayTracer Operator软件进行投影，首先投影视场范围，确定激光投影定位仪与产品的相对位置，并聚焦调整投影线的粗细，使其在工件表面达到最佳线宽。然后手动校准前四个靶点，鼠标控制激光束移动到靶点附近进行捕捉，后两个靶点激光投影定位仪进行自动扫描校准，RayTracer Operator主界面由红色变为绿色，手动校准完成，系统自动完成校准重新建立坐标系。查看校准精度，分析每个靶点校准的精度报告，见图7，对误差较大的靶点进行调整，直到每个靶点达到精度要求，操作界面由红色变为绿色，完成坐标系的建立。

四、结束语

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术体系的基本要求，具有良好的发展前景。总体概括来说，本项目达到并超出了预期的效果，利用激光代替传统画线制孔、零件定位具有重要的现实意义，后续将在某型机研制批上进行应用，在装配过程中不断扩大激光投影定位技术的应用范围，技术成熟后逐渐推广至各机型，提高产品质量和装配效率，缩小国内飞机装配工艺与国外先进飞机装配工艺之间的差距。

参考文献

[1] 航空工艺装备设计手册编写组，《航空工艺装备设计手册》，国防工业出版社，北京，1978.

[2] 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.

（作者单位：航空工业西安飞机工业有限责任公司）