激光投影技术应用可行性探究

王懋君

摘  要：三维激光投影定位技术是通过一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，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就是“激光投影”。激光投影可用于飞机部件装配的激光投影辅助定位设备，但这种技术在飞机上大面积使用还需要探索和研究。

关键词：光学;高速;激光投影;定位设备

1.引言

传统的划线、模板定位方式需要花费大量的时间和人力，而且精度差、重复利用率低、需要一些笨重的工装工具支持。硬质的模板一般比较笨重且容易磨损和变形，同时也需要存放空间和定期的维护。激光投影为先进制造和装配过程中所遇到的定位问题提供了前沿的解决方案。除了用于装配定位之外，激光投影还可以校验、测量零部件的位置，这使得激光投影定位仪可用于定位、装配、质量控制、测量等各个生产制造工艺流程

但国内飞机尚无成功使用案例，因此需要深入了解激光投影技术的原理和使用要求，通过验证，确保能保质保量的广泛应用与飞机的各个领域。

2.激光投影原理介绍

三维激光投影定位技术是通过一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，被称作“激光投影”。激光投影就是以这种方式将零部件的轮廓投影出来。由于激光投影定位仪的三维投影精度高，可以用于飞机部件装配的激光投影辅助定位设备。而且可以利用非接触式的三维激光投影定位技术和测量技术保证工作流程柔性的最大化，使之成为一种可重复的工作流程同时提高生产效率。

激光投影定位系统主要由激光投影定位仪、计算机、支架和附件组成，可以使用一台计算机来控制多台激光投影定位仪，同时还可使用多台激光投影定位仪进行拼接投影。

3.激光投影的优点

3.1高精度：

定制生产的数字振镜使得激光投影的角度分辨率非常高，在全量程投影范围内投影精度可以做到0.13mm，而且最远投影距离可达15m。可以满足飞机装配精度0.2mm

3.2超灵敏的光学探测器

超灵敏的光学探测器（PMT技术）能够探测pW级光能量，这样便可以在工作现场无法布置反光靶点或者不方便布置反光靶点的情况下，扫描圆孔、交叉点等特征信息来建立坐标系。如果工件表面无法布置靶点，而且工件也没有圆孔、拐点等特征信息，激光投影还可以通过两台激光投影仪联动建立坐标系。

3.3高速激光雷达：

高精度激光雷达无需对工件表面做任何处理，扫描精度高，扫描速度可达100，000点/秒，是传统激光雷达扫描速度的50倍，大大降低了扫描时间，这样便可实现快速逆向工程。此外，高精度激光雷达不光可以扫描工件表面得到工件的三维轮廓，还可以将实际的三维轮廓与理论数模进行对比，或者将实验前后扫描的三维轮廓进行对比，得到偏差图后还可将偏差以等高线的形式反投到工件表面实现偏差可视化，这样就可以很直观地在工件实物上确认每部分的偏差大小。

3.4低频闪：

激光投影使用了先进的路径控制技术，这使得其能够保证在复杂多线条的三维轮廓投影或者大范圍的投影时实现低频闪，保证了用户实际工作时的舒适性;

3.5自动聚焦：

自动聚焦功能保证了投影线宽和效果，即便是在复杂曲面上也能实现很好的投影效果;

3.6高稳定性：

卓越的散热防尘技术保证了激光投影的稳定性，使其能在恶劣的环境下长时间稳定工作。

4.激光投影应用领域

4.1高精度激光辅助孔位定位

随着现在飞机制造业的发展，自由曲面的蒙皮零部件越来越多，对孔位的精度定位要求也越来越高，按图样尺寸划线、按样板、按导孔和按钻模等四种传统经典的制孔定位方法已难以满足现代飞机生产的精度要求。使用传统方法面临以下问题：

4.2 高精度激光辅助三维部件定位

由于任何一个工件，在空间都有6个自由度，要确定工件的空间位置，必须约束六个自由度。飞机装配中，由于工件刚度低，需要防止变形，保证定位准确度要求，还要避免定位误差不至于集中积累在一个面上。

激光投影定位技术彻底解决了飞机零部件三维装配的精度差和效率低的问题。依据设计的数模，LPT以激光线条的形式将三维轮廓线投影到安装位置，操作人员只需将该零部件实物的每条边与所投影的激光轮廓线重合，就可以实现在空间的6个自由度的精准定位。这样在减少定位工序和定位模板使用的同时，极大的提高了装配的精度。另外，激光投影定位仪还拥有IPV在线校准功能，其原理是在实际装配时，依据设置的装配公差，激光投影定位仪会自动检查零部件的装配位置误差是否超出公差范围，及时提醒操作人员进行修正。

4.3 “X射线”投影技术

在飞机零部件背面存在大量的对接肋、腹板及加强筋等结构，这些肋筋的结构关系到整个飞机的安全和结构强度。在现场装配时，我们面临以下问题：在机身已覆盖好蒙皮后再在蒙皮表面进行制铆时，内部的肋筋桁条等已不可见，但是蒙皮表面的铆钉孔又必须准确的钻在飞机桁条上;另外，在壁板上进行铆接打孔的时候，又要避免损伤其背面的加强筋。

采用激光投影定位仪的“X射线”投影功能，可以在蒙皮与长桁装配后，直接将内部不可见的长桁在蒙皮的外侧投影出来，操作人员就可根据这个‘X射线’透视图将铆钉孔精确的加工到长桁上，不仅减少了工序，而且避免了传统从内侧打孔方法中，因为装配误差造成的铆钉孔偏差需反复修正的问题。

4.4 易变形部件高精度无桁架装配

目前飞机的主流结构都是采用薄型板件和加强构件组成的结构的薄壁机构。这样既能减轻机体结构重量又能有足够的局部弯曲刚度，又能参加总体承力，所以得到广泛运用。它包含有蒙皮、腹板、隔板、地板等机构，但是由于自身重力及在上面装配的零部件重量分布原因，生产加工过程中会不可避免发生变形。虽然在生产时留有余量可供修正，但是在实际装配过程中变形量无法量化，现有的定位桁架已无法进行精确定位。

零部件出现变形时，首先使用激光雷达对变形件进行高速扫描得到数据，通过数据处理和控制软件将“点云”数据与CAD模型进行对比，发现偏差范围并进行计算，将原有的数模进行校正。

4.5 无人机（UAV）激光辅助装配

在国外，不仅在传统的战斗机或者运输机生产制造当中大量采用激光投影定位技术来提高制铆和装配的精度，甚至可在无人机上实现无工装装配。美国诺斯罗普·格鲁门公司在X47b无人机制造过程中以开发出了一套无工装装配系统，完全颠覆了传统的无人机装配过程。从各个功能模块的线缆铺设定位，到飞机各个部件的现场校正，直到最后装配成一件完整的飞机，除去必要的夹具型架外，激光投影定位仪几乎全部替代了传统的定位工装。这使其成为了全球生产效率和装配精度最高的飞机之一。

4.6舱内重要设备及线束数字化定位

在国外的主机厂中，他们使用激光投影设备在飞机舱内投影出重要设备的关键部件位置和线束安装架的三维轮廓来指导工人进行装配。在建立坐标系时，除了扫描传统的反光靶点之外，激光投影定位仪还可以扫描一些特征信息如拐点、圆孔、圆弧等，这使得激光投影在现场使用的灵活性大大提升。坐标系建立后，即可投影出部件的三维轮廓激光线条，操作人员只需将部件的每条轮廓线与投出的激光线对齐，同时可开启IPV功能实时监测部件的位置保证装配质量。同时，还可在边上投出部件的名称，以免工人错拿误装。

5.结束语

通过对激光投影原理的分析，并结合实际情况和使用范围分析，初步确定激光投影可以广泛应用在MBD环境下的新机研制。如果在此基础上进行深入研究，并进行具体使用条件摸索，可以在技术成熟的情况下讲其广泛应用于飞机装配的各个环节。