激光投影技術應用可行性探究

王懋君

摘 ?要：三維激光投影定位技術是通過一對高速轉動的高精度光學振鏡控制光束快速經過三維空間中指定的點，高速重復運動的光束在人眼看來呈一條連續的線條，這種由綠色激光產生的虛擬模板就是“激光投影”。激光投影可用于飛機部件裝配的激光投影輔助定位設備，但這種技術在飛機上大面積使用還需要探索和研究。

關鍵詞：光學;高速;激光投影;定位設備

1.引言

傳統的劃線、模板定位方式需要花費大量的時間和人力，而且精度差、重復利用率低、需要一些笨重的工裝工具支持。硬質的模板一般比較笨重且容易磨損和變形，同時也需要存放空間和定期的維護。激光投影為先進制造和裝配過程中所遇到的定位問題提供了前沿的解決方案。除了用于裝配定位之外，激光投影還可以校驗、測量零部件的位置，這使得激光投影定位儀可用于定位、裝配、質量控制、測量等各個生產制造工藝流程

但國內飛機尚無成功使用案例，因此需要深入了解激光投影技術的原理和使用要求，通過驗證，確保能保質保量的廣泛應用與飛機的各個領域。

2.激光投影原理介紹

三維激光投影定位技術是通過一對高速轉動的高精度光學振鏡控制光束快速經過三維空間中指定的點來實現的。高速重復運動的光束在人眼看來呈一條連續的線條，這種由綠色激光產生的虛擬模板，被稱作“激光投影”。激光投影就是以這種方式將零部件的輪廓投影出來。由于激光投影定位儀的三維投影精度高，可以用于飛機部件裝配的激光投影輔助定位設備。而且可以利用非接觸式的三維激光投影定位技術和測量技術保證工作流程柔性的最大化，使之成為一種可重復的工作流程同時提高生產效率。

激光投影定位系統主要由激光投影定位儀、計算機、支架和附件組成，可以使用一臺計算機來控制多臺激光投影定位儀，同時還可使用多臺激光投影定位儀進行拼接投影。

3.激光投影的優點

3.1高精度：

定制生產的數字振鏡使得激光投影的角度分辨率非常高，在全量程投影范圍內投影精度可以做到0.13mm，而且最遠投影距離可達15m。可以滿足飛機裝配精度0.2mm

3.2超靈敏的光學探測器

超靈敏的光學探測器（PMT技術）能夠探測pW級光能量，這樣便可以在工作現場無法布置反光靶點或者不方便布置反光靶點的情況下，掃描圓孔、交叉點等特征信息來建立坐標系。如果工件表面無法布置靶點，而且工件也沒有圓孔、拐點等特征信息，激光投影還可以通過兩臺激光投影儀聯動建立坐標系。

3.3高速激光雷達：

高精度激光雷達無需對工件表面做任何處理，掃描精度高，掃描速度可達100，000點/秒，是傳統激光雷達掃描速度的50倍，大大降低了掃描時間，這樣便可實現快速逆向工程。此外，高精度激光雷達不光可以掃描工件表面得到工件的三維輪廓，還可以將實際的三維輪廓與理論數模進行對比，或者將實驗前后掃描的三維輪廓進行對比，得到偏差圖后還可將偏差以等高線的形式反投到工件表面實現偏差可視化，這樣就可以很直觀地在工件實物上確認每部分的偏差大小。

3.4低頻閃：

激光投影使用了先進的路徑控制技術，這使得其能夠保證在復雜多線條的三維輪廓投影或者大范圍的投影時實現低頻閃，保證了用戶實際工作時的舒適性;

3.5自動聚焦：

自動聚焦功能保證了投影線寬和效果，即便是在復雜曲面上也能實現很好的投影效果;

3.6高穩定性：

卓越的散熱防塵技術保證了激光投影的穩定性，使其能在惡劣的環境下長時間穩定工作。

4.激光投影應用領域

4.1高精度激光輔助孔位定位

隨著現在飛機制造業的發展，自由曲面的蒙皮零部件越來越多，對孔位的精度定位要求也越來越高，按圖樣尺寸劃線、按樣板、按導孔和按鉆模等四種傳統經典的制孔定位方法已難以滿足現代飛機生產的精度要求。使用傳統方法面臨以下問題：

4.2 高精度激光輔助三維部件定位

由于任何一個工件，在空間都有6個自由度，要確定工件的空間位置，必須約束六個自由度。飛機裝配中，由于工件剛度低，需要防止變形，保證定位準確度要求，還要避免定位誤差不至于集中積累在一個面上。

激光投影定位技術徹底解決了飛機零部件三維裝配的精度差和效率低的問題。依據設計的數模，LPT以激光線條的形式將三維輪廓線投影到安裝位置，操作人員只需將該零部件實物的每條邊與所投影的激光輪廓線重合，就可以實現在空間的6個自由度的精準定位。這樣在減少定位工序和定位模板使用的同時，極大的提高了裝配的精度。另外，激光投影定位儀還擁有IPV在線校準功能，其原理是在實際裝配時，依據設置的裝配公差，激光投影定位儀會自動檢查零部件的裝配位置誤差是否超出公差范圍，及時提醒操作人員進行修正。

4.3 “X射線”投影技術

在飛機零部件背面存在大量的對接肋、腹板及加強筋等結構，這些肋筋的結構關系到整個飛機的安全和結構強度。在現場裝配時，我們面臨以下問題：在機身已覆蓋好蒙皮后再在蒙皮表面進行制鉚時，內部的肋筋桁條等已不可見，但是蒙皮表面的鉚釘孔又必須準確的鉆在飛機桁條上;另外，在壁板上進行鉚接打孔的時候，又要避免損傷其背面的加強筋。

采用激光投影定位儀的“X射線”投影功能，可以在蒙皮與長桁裝配后，直接將內部不可見的長桁在蒙皮的外側投影出來，操作人員就可根據這個‘X射線’透視圖將鉚釘孔精確的加工到長桁上，不僅減少了工序，而且避免了傳統從內側打孔方法中，因為裝配誤差造成的鉚釘孔偏差需反復修正的問題。

4.4 易變形部件高精度無桁架裝配

目前飛機的主流結構都是采用薄型板件和加強構件組成的結構的薄壁機構。這樣既能減輕機體結構重量又能有足夠的局部彎曲剛度，又能參加總體承力，所以得到廣泛運用。它包含有蒙皮、腹板、隔板、地板等機構，但是由于自身重力及在上面裝配的零部件重量分布原因，生產加工過程中會不可避免發生變形。雖然在生產時留有余量可供修正，但是在實際裝配過程中變形量無法量化，現有的定位桁架已無法進行精確定位。

零部件出現變形時，首先使用激光雷達對變形件進行高速掃描得到數據，通過數據處理和控制軟件將“點云”數據與CAD模型進行對比，發現偏差范圍并進行計算，將原有的數模進行校正。

4.5 無人機（UAV）激光輔助裝配

在國外，不僅在傳統的戰斗機或者運輸機生產制造當中大量采用激光投影定位技術來提高制鉚和裝配的精度，甚至可在無人機上實現無工裝裝配。美國諾斯羅普·格魯門公司在X47b無人機制造過程中以開發出了一套無工裝裝配系統，完全顛覆了傳統的無人機裝配過程。從各個功能模塊的線纜鋪設定位，到飛機各個部件的現場校正，直到最后裝配成一件完整的飛機，除去必要的夾具型架外，激光投影定位儀幾乎全部替代了傳統的定位工裝。這使其成為了全球生產效率和裝配精度最高的飛機之一。

4.6艙內重要設備及線束數字化定位

在國外的主機廠中，他們使用激光投影設備在飛機艙內投影出重要設備的關鍵部件位置和線束安裝架的三維輪廓來指導工人進行裝配。在建立坐標系時，除了掃描傳統的反光靶點之外，激光投影定位儀還可以掃描一些特征信息如拐點、圓孔、圓弧等，這使得激光投影在現場使用的靈活性大大提升。坐標系建立后，即可投影出部件的三維輪廓激光線條，操作人員只需將部件的每條輪廓線與投出的激光線對齊，同時可開啟IPV功能實時監測部件的位置保證裝配質量。同時，還可在邊上投出部件的名稱，以免工人錯拿誤裝。

5.結束語

通過對激光投影原理的分析，并結合實際情況和使用范圍分析，初步確定激光投影可以廣泛應用在MBD環境下的新機研制。如果在此基礎上進行深入研究，并進行具體使用條件摸索，可以在技術成熟的情況下講其廣泛應用于飛機裝配的各個環節。