葉順堅，梁瑩，劉立安，張柳鋒，游廷光

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

伴隨著MBD技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，數(shù)字化裝配技術(shù)不斷涌現(xiàn)，激光投影裝配技術(shù)就是其中的典型代表之一。近年來，航天任務(wù)急劇增加，航天領(lǐng)域大力推行智能制造、全三維下廠等數(shù)字化技術(shù)，以期提升研制效率與質(zhì)量。數(shù)字化激光投影裝配技術(shù)在提高裝配效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量方面有較大優(yōu)勢，本文闡述了數(shù)字化激光投影技術(shù)在運載火箭艙體裝配中的應(yīng)用及研究實例。

1 激光投影技術(shù)

1.1 激光投影介紹

20 世紀(jì)80 年代起，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，歐美航空企業(yè)陸續(xù)地開展了飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的研究與應(yīng)用，取得了巨大成功，其中數(shù)字化激光投影技術(shù)在飛機不同部位定位安裝、復(fù)合材料鋪層中得到了廣泛應(yīng)用。

數(shù)字化激光投影技術(shù)是利用CAD數(shù)模，將模型以激光線條的形式按1∶1的比例投影在物體表面上，利用投影成像完成較高精度的數(shù)模還原。投影生成的激光線條為清晰可見的綠色激光，一般波長625nm，功率<30mW[1]。高精度的激光線條為技能人員提供了操作指導(dǎo)方案，可以完成高精度的定位與安裝；同時，為檢驗人員提供了高效的質(zhì)量控制檢查方法，可以完成“智能識別”安裝位置與安裝質(zhì)量的檢驗。

1.2 激光投影技術(shù)原理

數(shù)字化激光投影是指通過激光投影儀將被投產(chǎn)品的三維模型按1∶1比例投影在工作面上。激光投影儀一般由激光發(fā)射器、光學(xué)振鏡、感光定位頭、對焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示[2]。

圖1 激光投影原理圖

激光束通過一對光學(xué)振鏡和匹配檢流計在x軸和y軸上反射和操作，對焦系統(tǒng)將初始激光束擴展，以正確對焦在遠(yuǎn)處的物體上，控制處理系統(tǒng)精確地將光束指向物體表面，生成可見圖案、標(biāo)識、三維及二維光線等。

2 火箭艙體裝配現(xiàn)狀

運載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括貯箱和鉚接艙段，以下統(tǒng)稱艙體。艙體是運載火箭的基體，它承載火箭的全部載荷，安裝與連接各種設(shè)備和儀器，貯存全部燃料，其重要意義不言而喻，艙體產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定了火箭運行的可靠性[3]。

目前，運載火箭鉚接艙段、貯箱箱底上的支架、支座、角片、四防等產(chǎn)品普遍采用手工方式進行測量、引基準(zhǔn)線、劃位置線、定位安裝，加工方法落后、精度及質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易導(dǎo)致諸如劃線位置、開孔尺寸錯誤等低層次質(zhì)量問題。同時，由于加工方法的落后，導(dǎo)致操作人員及檢驗人員勞動強度大、生產(chǎn)效率低下，難以支撐運載火箭的高密度發(fā)射需求，其裝配過程如圖2所示。

圖2 人工手動劃線裝配

3 數(shù)字化激光投影關(guān)鍵技術(shù)

3.1 激光投影系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)

為了能將CAD數(shù)模1∶1的投影成像到火箭艙體工作面上，需將激光投影系統(tǒng)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系進行統(tǒng)一，也就是說要對激光投影系統(tǒng)進行標(biāo)定。通過標(biāo)定板上的目標(biāo)定位點來完成激光投影系統(tǒng)的標(biāo)定工作。目標(biāo)定位點為圓柱形的標(biāo)準(zhǔn)塊，安裝在標(biāo)定板上的孔位中。激光投影系統(tǒng)檢測到目標(biāo)定位點的方位，而目標(biāo)定位點的空間方位可由激光跟蹤儀事先測得，再根據(jù)已測得的數(shù)據(jù)對激光投影系統(tǒng)進行標(biāo)定。

圖3 坐標(biāo)系標(biāo)定原理

世界坐標(biāo)系和激光投影系統(tǒng)坐標(biāo)系的幾何關(guān)系如下：

(1)

即：

(2)

設(shè)旋轉(zhuǎn)矩陣為R：

(3)

則

(4)

投影坐標(biāo)系變換時，分別繞x軸、y軸和z軸旋轉(zhuǎn)α、β、γ角度，便可建立兩個坐標(biāo)系之間的聯(lián)系，如式(5)所示。因此激光投影系統(tǒng)坐標(biāo)系和三維數(shù)模坐標(biāo)系之間可以進行相互轉(zhuǎn)換。

(5)

3.2 激光投影模擬仿真技術(shù)

根據(jù)定位原理，定位點至少需選擇3個。但依據(jù)工程經(jīng)驗，3個定位點必然會引起較大位置偏差，而多個定位點則能補償誤差，提升激光投影精度。因此，實際激光投影成像至少要求用6～8個定位點。在模擬仿真實驗過程中，通過測量6個產(chǎn)品上的目標(biāo)點，可獲得含6個未知數(shù)(ω，φ，κ，Px，Py，Pz)的方程，利用MATLAB軟件進行運算。同時，確定在CATIA中進行模擬的6個目標(biāo)點的參數(shù)值，如表1所示，其中V為垂直方位角、H為水平俯仰角[5]。

表1 目標(biāo)點參數(shù)值

利用MATLAB軟件對由CATIA生成的三維數(shù)模及激光投影坐標(biāo)系下的數(shù)值進行仿真，可以判定基于6點定位的坐標(biāo)系下，理論模型與實際投影圖像之間的誤差接近于0，能夠滿足投影需求。

4 數(shù)字化激光投影技術(shù)在火箭艙體裝配中的應(yīng)用

數(shù)字化激光投影技術(shù)在火箭艙體裝配中的應(yīng)用總體實施路徑如圖4所示，主要分為艙體三維建模、投影坐標(biāo)構(gòu)建、過程驗證及工藝優(yōu)化4個過程，每個過程均有具體的工作項目。

圖4 總體實施路徑

4.1 三維建模

由于數(shù)字化激光投影技術(shù)適用于開敞性好的產(chǎn)品安裝場景，因此選取運載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的鉚接艙體以及貯箱箱底上的支架、支座、角片等安裝為研究對象，實施數(shù)字化激光引導(dǎo)裝配。選取典型的鉚接艙體和貯箱箱底，構(gòu)建其三維數(shù)模。產(chǎn)品上的顯著特征，如基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面以及開孔、標(biāo)準(zhǔn)圓等需在數(shù)模中一一呈現(xiàn)，并確保三維數(shù)模的準(zhǔn)確性(裝配中不使用或不能作為參考基準(zhǔn)的其他特征無需建模)。將運載火箭鉚接艙體和貯箱箱底的三維模型導(dǎo)入至激光投影專用軟件中。被投影信息應(yīng)包含產(chǎn)品的主要特征，如投影輪廓線、航向、圖號(部分易錯支架，需增加投影托板螺母孔位等附加信息)等信息，產(chǎn)品三維數(shù)模如圖5所示。

圖5 運載火箭鉚接艙體、貯箱箱底三維模型圖

4.2 坐標(biāo)構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定及模擬仿真結(jié)果，選取火箭艙體實物上的基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)孔或者粘貼靶標(biāo)(至少6處)，構(gòu)建實物基準(zhǔn)。實物基準(zhǔn)與軟件中的三維數(shù)模基準(zhǔn)進行比對，判斷實物基準(zhǔn)與理論基準(zhǔn)的偏差。若偏差在可接受范圍內(nèi)，開展后續(xù)工作；若偏差超出要求值，則實物與三維數(shù)模進行基準(zhǔn)擬合，構(gòu)建相對坐標(biāo)系。

將待定位零件的特征信息投影至產(chǎn)品表面上，將零件調(diào)整好位置后擺放至外形與激光線條重合，確定航向、孔位等信息無誤后，即定位完成。

4.3 過程驗證

投影結(jié)束后，對于投影結(jié)果的驗證和鑒定可以通過兩種途徑或方式來檢驗投影位置的正確性：1)更換坐標(biāo)系，直接利用三維數(shù)模重新進行投影，測量和比較實際與理論安裝位置的吻合程度；2)采用傳統(tǒng)測量方式，測量被安裝產(chǎn)品的位置正確性。

4.4 工藝優(yōu)化

根據(jù)工藝試驗結(jié)果，優(yōu)化完善產(chǎn)品投影特征信息，投影順序，固化基準(zhǔn)點、標(biāo)準(zhǔn)圓、靶標(biāo)粘貼位置等的選擇。形成運載火箭鉚接艙體和貯箱箱底激光引導(dǎo)裝配工藝規(guī)程和激光投影檢驗規(guī)程等。

4.5 應(yīng)用效果

在某運載火箭艙體支架、支座安裝上開展了激光投影裝配試驗，選取4個基準(zhǔn)象限以及2處標(biāo)準(zhǔn)孔位，控制激光投影設(shè)備捕捉6處基準(zhǔn)點靶標(biāo)，建立實物坐標(biāo)系。經(jīng)測量實物坐標(biāo)與三維數(shù)模理論坐標(biāo)存在2.5mm偏差，進行相應(yīng)補償處理。

選取支架、支座兩側(cè)安裝邊及航向、編號等特征信息進行投影輸出，如圖6、圖7所示。經(jīng)激光跟蹤儀測量以及劃線驗證，激光投影輸出線條與理論安裝位置無偏差，滿足技術(shù)文件要求，具有較好的激光引導(dǎo)裝配及過程驗證效果。

圖6 鉚接艙體激光引導(dǎo)裝配

圖7 貯箱箱底激光引導(dǎo)裝配

5 結(jié)語

作為一種基于MBD的新興數(shù)字化裝配技術(shù)，激光投影技術(shù)在飛機裝配、船舶制造、復(fù)合材料制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，在航天裝配領(lǐng)域正在開展應(yīng)用研究。與傳統(tǒng)的劃線樣板、模具等制造方式相比，它有如下幾點顯著的優(yōu)勢：

1)與傳統(tǒng)型架、樣板、模具輔助制造相比，應(yīng)用激光數(shù)字化量傳方式，定位精度更高。5m的定位精度能達(dá)到0.2mm。較高的定位精度能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度地減少裝配過程中操作人員變量的影響；高精度的投影能夠有效提升裝配質(zhì)量；實時檢測能有效減少制造錯誤[6-7]。

2)相比工裝、樣板、鉆模等物理手段，激光引導(dǎo)裝配方法可快速實現(xiàn)設(shè)計的變更或偏離，且不會產(chǎn)生相應(yīng)工裝變更的成本，具有較好的經(jīng)濟性，一次性投入的成本也不高[8-9]。

3)采用激光引導(dǎo)裝配和過程驗證之后，局部自動化、數(shù)字化程度提高，操作時不必查看總圖和零件圖，只需按照圖號選擇相應(yīng)裝配程序，選定基準(zhǔn)后，只需1人按照投影劃線，減少了大量的看圖、看工藝、安裝工裝等的時間，工作效率顯著提升。

4)通過數(shù)字化激光引導(dǎo)裝配與過程驗證技術(shù)的研究與應(yīng)用，打通了航天制造設(shè)計端到現(xiàn)場制造端的全三維數(shù)字化，提高了現(xiàn)場生產(chǎn)可視化與工藝集成應(yīng)用能力，起到了良好的全三維數(shù)字化制造示范作用。