激光投影技術在飛機導管支架安裝中的研究與應用

（中航工業(yè)陜西飛機工業(yè)有限公司工程技術部工藝處，漢中723213）

0 引言

激光最初的中文名叫做 “鐳射” “萊塞”，是它的英文名稱Laser的音譯，是由英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation各單詞頭一個字母組成的縮寫詞，意思是 “通過受激發(fā)射光擴大”。激光的英文全名已經(jīng)完全表達了制造激光的主要過程［1］。

激光光源投影具有以下特點：1）真正保持長期高畫質，同時對人眼無傷害。傳統(tǒng)投影機會在使用一段時間后，隨著光源的急劇衰減而使圖像變暗變黃（如亮度衰減、色飽和度對比度降低等）。使用激光器作為顯示光源，其壽命可達10000h以上，其衰退過程也是緩慢的，使得其輸出的畫質長期保持高亮度、色飽和度和對比度，畫面色彩始終亮麗如新。在工業(yè)制造領域，出于更高精度、更穩(wěn)定的追求，如圖1所示，有紅綠藍3種顏色可選，或者兩兩組合的雙色，采用波長625nm的綠光和波長525nm的紅光。由于人眼對于綠光能更好的識別以及為冷色光源，因而除了特殊行業(yè)選擇紅光外，多數(shù)都選擇綠色。選擇對人眼無傷害的低功率激光源，最低到5mW（人眼安全級別為30mW）。2）色域更廣，色彩更亮麗。傳統(tǒng)投影機只能表現(xiàn)自然界中30%左右的人眼可識別色彩，另外70%的色彩無法通過傳統(tǒng)顯示設備讓我們感知，激光投影與傳統(tǒng)色域的對比如圖2所示。純色的LED或激光光源是數(shù)字成像的理想光源，激光投影機能表現(xiàn)自然界中90%以上的人眼可識別色彩，激光投影機能給觀者還原出一個更完美的五彩斑斕的真實視界，更好地滿足投射技術需求。3）激光投影具有更長的使用壽命。激光光源屬于新一代低功率冷光源，功率為毫瓦級，不存在發(fā)熱量過大而使其溫度過高的因素。只需通過增加激光器數(shù)量，就可以很輕松地將激光投影機單機的光通量達到10000lm～50000lm，且其光源的使用壽命仍然可以達到 10000h～20000h［2］。

圖1 紅綠藍可見激光Fig.1 Visible laser of red，green，and blue color

圖2 激光顯示色域與傳統(tǒng)顯示色域對比示意圖Fig.2 Schematic diagram of color gamut contrast between laser display gamut and traditional display

1 激光投影技術的原理介紹

激光投影是通過投影儀將被投影的理論數(shù)據(jù)模型與實際工件進行坐標系擬合后，將需要的圖形1：1投影到工件上。具體原理如下：受激發(fā)而產生單色的光源（紅、綠、藍）通過擴束等光線強化作用，在反光鏡的反射下改變方向，經(jīng)過棱鏡的折射，最后通過透鏡進行光線的投影。激光顯示成像光路示意圖如圖3所示［3］。

圖3 激光顯示成像光路示意圖Fig.3 Schematic diagram of the optical path of a laser display imaging

2 激光投影設備的介紹

此次激光投影技術所用的設備是LAP公司（雷爾普激光應用技術有限公司）提供的高精度綠色激光頭投影設備，設備型號為0007589-0004。其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 激光投影設備主要技術參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of laser projection equipment

激光投影設備的投影覆蓋范圍如圖4所示。

圖4 投影覆蓋范圍Fig.4 Map of projection coverage

影頭最大覆蓋范圍是8m×8m，多個LAP投影頭協(xié)同工作，可擴大覆蓋范圍，提高投影效果，如圖5所示。

如圖6所示，激光投影設備標準組成如下：綠光精密投影頭 （2個，焦距可調）、分線盒／機柜（1個）、15m數(shù)據(jù)線 （2條， 最長30m）、 靶標 （12個，嵌入式，粘貼式無損傷型）、遙控器 （1個）、校驗板 （1個）、Composite PRO軟件 （1個）、 電腦（1臺，Windows系統(tǒng)）和 CATIA擴展模塊 （1個，可選）。

圖5 多個LAP投影頭協(xié)同工作示意圖Fig.5 Schematic diagram of multiple LAP projection heads

圖6 激光投影設備的組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of the composition of a laser projection device

3 飛機導管支架安裝現(xiàn)狀

軍用運輸機上導管數(shù)量很多，平均每架機有2000個～3000個。飛機上的空間有限，因此要求盡可能節(jié)省導管所占空間，導管的空間走向總是沿機身、機翼結構布局后的剩余空間布置，導致導管的外形非常復雜，如圖7所示。傳統(tǒng)的彎管工藝都是在飛機內部成品組件裝配完成后，根據(jù)實際空間取制導管實樣，再根據(jù)導管實樣制造彎曲夾具、焊接夾具、檢驗夾具，或直接在彎管機上進行手工制造導管 （占飛機導管數(shù)量的85%）。而在部裝現(xiàn)場進行導管安裝時需統(tǒng)籌安排、合理布局，一般遵循電纜讓導管和支架，導管讓支架的原則，因此部裝支架位置的確定與否成為影響導管取制的重要因素之一。而目前支架安裝手段落后，安裝精度不高，支架位置變化頻繁，導致導管實樣更改的次數(shù)比較頻繁，從而在整體上延誤與影響飛機制造交付周期與安裝質量。

圖7 導管裝配空間與復雜導管示意圖Fig.7 Catheter assembly space and complex catheter diagram

4 激光投影技術在飛機導管支架安裝中的應用

4.1 總體實施思路

激光投影技術在飛機導管支架安裝中的總體實施主要分為：投影技術的選擇、投影數(shù)據(jù)的處理、投影前的準備、投影的過程及結果4個部分。每個部分均有具體的工作內容和詳細的實施思路，如圖8所示。

圖8 激光投影技術實施的總體思路圖Fig.8 General idea of the implementation of laser projection technology

4.2 被投影數(shù)據(jù)的選擇

由于激光投影設備只能在開敞的部位使用，因此結合投影設備的特點，投影數(shù)據(jù)的構建以機翼前緣內的供油系統(tǒng)、壓力加油系統(tǒng)為投影對象，實施導管支架的定位投影，如圖9所示。

圖9 機翼前緣內燃油系統(tǒng)導管及安裝支架示意圖Fig.9 Schematic diagram of fuel system conduit and mounting bracket inside wing leading edge

4.3 被投影數(shù)據(jù)的處理

先由技術人員在CMIS平臺中下載最新版的機翼燃油系統(tǒng)的三維模型，并在統(tǒng)一飛機理論坐標系下，將系統(tǒng)支架數(shù)模集成到一個裝配體下，然后利用CATIA軟件進行投影線框處理，再將支架線框模型轉存成投影軟件 （Composite Pro）可讀取的IGS格式數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 機翼前緣內燃油系統(tǒng)安裝支架及支架線框示意圖Fig.10 Schematic diagram of fuel system mounting bracket and bracket wire frame in the leading edge of wing

4.4 激光投影范圍的調試

在機翼架外工作區(qū)域，利用工作梯或專用托架（支架）將投影儀固定在平穩(wěn)的開敞區(qū)間。投影頭覆蓋范圍與距離成正比，一般按照如下比例計算投影頭覆蓋范圍：激光投影頭距被投物體5m，5m×tan40°≈4m，則最大覆蓋范圍是8m×8m。

根據(jù)機翼的長度及范圍選擇2個投影頭進行交叉投影，如圖11所示。

圖11 選取2個投影頭進行交叉投影的示意圖Fig.11 Schematic diagram of cross projection with 2 projection heads

4.5 投影坐標系的構建

先在機翼架外區(qū)將機翼部件水平放置，然后根據(jù)機翼部件上翼面水平測量點為基準，利用激光跟蹤儀將水平測量點的測量值與飛機坐標系下的理論值進行擬合，完成飛機部件 （實物）在飛機設計坐標系下的建站工作。然后再利用投影設備上反光靶標點選取飛機坐標下的坐標點，來完成激光投影坐標系與飛機坐標系的擬合工作，其原理圖如圖12所示［4］。其中，01表示飛機部件，02表示固定導管支架的連接板，03表示導管支架。

圖12 投影坐標系的構建原理圖Fig.12 Schematic diagram of the construction of a projection coordinate system

4.6 投影的過程及投影結果的處理

（1）確保投影儀軟件與電腦相連接

投影前，需在電腦中安裝兩個軟件，分別為CAD Pro Config和Projector。其中，CAD Pro Config用于搜索并連接投影儀，當看到投影儀的數(shù)據(jù)信息時，表明投影儀已經(jīng)與電腦連接，如圖13所示。

圖13 投影搜索軟件與電腦連接示意圖Fig.13 Connection schematic of projection search software and computer

（2）校驗文件的生成與讀取

利用激光跟蹤儀測量的靶標點位置 （飛機的理論坐標），生成X、Y、Z 3個坐標，保存成可用txt文本打開進行編輯的cal格式文件。建立坐標系必須要4個或4個以上的靶標點，本次選取了6個靶標點用于坐標系的構建。打開CAD Pro Config，點擊效驗，選效驗文件生成的cal格式文件，如圖14所示。然后利用遙控設備控制光標移動，掃描實際工件上已知特征點的位置，與預先輸入軟件的已知特征點的理論值進行對比，計算誤差值，精度最低可以達到0.1mm／m，系統(tǒng)軟件會建立一個坐標系。輸入處于同一坐標系下的投影文件，這樣就能將投影文件1∶1地在承載面上投影出來。

圖14 投影生成的cal格式效驗文件示意圖Fig.14 Schematic diagram of the generated cal file format validation projection

（3）投影文件的選擇與輸出

打開Projector，切換為測試模式。點擊投影—測試模式，選擇4.3節(jié)生成的IGS格式數(shù)據(jù)投影文件，然后利用激光投影設備在部件上進行投影操作。被投影的零件理論位置及外形與投影的結果如圖15所示。

圖15 激光投影結果示意圖Fig.15 Schematic diagram of laser projection results

（4）投影結果的比較與鑒別

投影后，可以通過兩種途徑或方式來鑒別投影位置的正確性：1）直接利用圖15（a）的理論相對位置（相對于安裝立柱的邊距等），來測量比較實際與理論的吻合程度；2）采用傳統(tǒng)劃線的方式，在保證劃線位置正確性的基礎上，通過所畫線來檢驗投影位置的正確性。

5 激光投影技術在飛機制造其他領域中的應用

5.1 在飛機裝配領域中的應用

激光投影技術為解決飛機裝配中先進制造和裝配過程中的定位問題提供了途徑與方向。傳統(tǒng)的劃線、樣板定位的方式需要花費大量的時間和人力，且精度差，重復利用率低，需要一些笨重的工裝或專用工具支持［5］。硬質的樣板一般比較笨重而且容易磨損和變形，同時需要存放的空間和定期維護。另外，激光投影技術也可以應用到復材鋪層鋪設、零部件裝配中的輔助定位、飛機外形噴涂、工廠設備布局等方面，如圖16所示。

圖16 激光投影技術在飛機裝配中的應用Fig.16 Application of laser projection technology in aircraft assembly

5.2 在飛機制孔領域中的應用

隨著智能化、自動化技術的發(fā)展，機器人制孔、自動鉆鉚技術常用來保證產品加工質量與效率。但這些設備的應用前提都需要人工事先進行產品預裝配，并在產品上制出高精度的定位基準孔，用來產品預連接與修正設備坐標系。在壁板加工前，需進行大量人工基準孔制取工作，經(jīng)常會出現(xiàn)多制、漏制、制錯等質量問題，影響生產正常進行。如圖17所示，采用激光投影技術就能精準地實現(xiàn)這些定位基準孔的取制。另外，激光投影技術對于典型平面框上裝配孔、導孔的取制具有獨特的優(yōu)勢與技術先進性，如圖18所示。

圖17 激光投影用于定位基準孔投影的示意圖Fig.17 Schematic map for projection of reference hole by laser projection

圖18 典型平面框及制孔點位示意圖Fig.18 Typical plane frame and point map of hole making

6 結論

激光投影技術是一項新興的數(shù)字化制造技術，它不光在飛機裝配、飛機制孔領域有應用，還在飛機的復合材料鋪設、輔助導向定位等其他領域有著諸多的應用。它是數(shù)字化技術蓬勃發(fā)展的結果，有著廣闊的應用前景，隨著數(shù)字化技術的發(fā)展必將延伸到航空、航天制造的其他領域。

［1］山穎 .現(xiàn)代制造技術［M］.北京：清華大學出版社，2012.SHAN Ying.Modern manufacturing technology［M］.Beijing： Tsinghua University Press， 2012.

［2］曹鳳國.激光加工設備與工藝［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2015.CAO Feng-guo.Laser processing equipment and technology［M］.Beijing： Chemical Industry Press， 2015.

［3］鄭啟光，邵丹.激光加工工藝手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015.ZHENG Qi-guang，SHAO Dan.Manual of laser processing［M］.Beijing： China Machine Press， 2015.

［4］楊晟.激光加工設備電氣控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.YANG Sheng.Electrical control of laser processing equipment［M］.Beijing： Electronics Industry Press， 2014.

［5］《航空制造工程手冊》總編委員會.航空制造工程手冊·飛機裝配［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1993.Editorial Committee of Aeronautical Manufacturing Engineering Handbook.Aeronautical manufacturing engineering handbook： aircraft assembly［M］.Beijing： Aviation Industry Press，1993.