大型精密裝配激光定位測(cè)量技術(shù)研究

王志華，李楠，呂國(guó)兵

(北京新立機(jī)械有限責(zé)任公司 檢測(cè)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

0 引言

在航空航天、重型機(jī)械等大型裝備制造業(yè)中，對(duì)大型設(shè)備或機(jī)械部件精密裝配的質(zhì)量控制越來(lái)越嚴(yán)格。開展大型部件精密裝配激光定位測(cè)量技術(shù)研究，是裝備目標(biāo)空間位置解算的重要保障，對(duì)于提高大型精密裝配精度和效率、積累測(cè)量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)具有重要意義。

1 傳統(tǒng)方式及其遇到的問(wèn)題

大型部件精密裝配通常以傳統(tǒng)專用工裝作為輔助，并配合利用基本物理原理來(lái)實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的裝配測(cè)量。例如，在大型車輛精密裝配過(guò)程中，如何精確構(gòu)建車輛中心面裝配基準(zhǔn)線一直是一項(xiàng)難題，目前一般采用專用工裝拉線法配合精密經(jīng)緯儀來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配基準(zhǔn)線的定位構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 大型車輛裝配基準(zhǔn)線定位構(gòu)建示意簡(jiǎn)圖

左、右連接部件為大型車輛裝配的重要部件，其左、右軸孔連線與車輛裝配基準(zhǔn)線在設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格的垂直度要求。圖1中采用專用等腰三角形工裝，兩底角以軸孔為基準(zhǔn)，固定左、右連接部件于車尾設(shè)計(jì)位置，留置測(cè)量接口，車頭中心基準(zhǔn)與左或右連接部件測(cè)量接口以細(xì)鋼絲連接，并用重錘拉直，保證左連接部件測(cè)量接口拉直的鋼絲長(zhǎng)度與右連接部件測(cè)量接口拉直的鋼絲長(zhǎng)度相等，即左、右拉直鋼絲(兩腰)與左、右軸孔連線(底邊)形成了等腰三角形，則左、右軸孔連線(底邊)中點(diǎn)與車頭中心基準(zhǔn)的連線必然垂直于底邊，可認(rèn)為裝配位置符合要求。之后采用精密經(jīng)緯儀測(cè)量專用等腰三角形工裝上相應(yīng)靶標(biāo)偏移的角度，并換算成垂直度。如果垂直度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，則進(jìn)入下一步工序，否則調(diào)試后再進(jìn)行同樣的測(cè)量，直至合格。

左、右連接部件裝配位置檢測(cè)合格并固定后，參照左右連接部件對(duì)稱中心與車頭中心基準(zhǔn)的連線，以拉直的細(xì)鋼絲模擬車輛裝配基準(zhǔn)線，作為后續(xù)設(shè)備、零部件等上裝時(shí)的參考基準(zhǔn)。但是，采用鋼絲拉線懸掛重錘較為原始落后，調(diào)試過(guò)程繁瑣，不利于提高裝配效率；同時(shí)，以鋼絲拉線法模擬的裝配基準(zhǔn)線不夠穩(wěn)定，受人為因素干擾較大，且存在直線度誤差，對(duì)裝配精度有著顯著影響。為解決以上問(wèn)題，本文將激光定位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大型精密裝配中，以提升裝配的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 激光定位測(cè)量技術(shù)原理

采用激光定位測(cè)量技術(shù)，以激光測(cè)距定位裝置確定左、右連接部件的精確位置，再利用激光標(biāo)線裝置精確構(gòu)建裝配基準(zhǔn)線，如圖2所示。

左、右連接部件采用專用等腰三角形工裝固定在車輛車體尾部設(shè)計(jì)位置，激光測(cè)距定位裝置分別安裝在專用等腰三角形工裝底部的對(duì)稱位置，確保左、右測(cè)量接口連線BC與左、右軸孔連線MN平行。車頭中心基準(zhǔn)位于車體中心線上。BP連線和CP連線為激光測(cè)距定位裝置所發(fā)射的激光線，照射到車頭中心基準(zhǔn)位置的激光線經(jīng)過(guò)反射、接收、計(jì)時(shí)及計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。裝配左、右連接部件時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)專用等腰三角形工裝的位置，使其兩側(cè)的激光測(cè)距定位裝置所測(cè)距離相等(在誤差允許范圍之內(nèi))，即圖中BP等于CP，由于BC與MN平行，則車頭中心基準(zhǔn)P與左、右軸孔連線中點(diǎn)O的連線PO垂直于MN，可以認(rèn)為左、右連接部件裝配到位。

圖2 激光定位測(cè)量系統(tǒng)原理圖

圖2中EFHG為激光標(biāo)線裝置所發(fā)射的扇面激光，并投影于車輛車體上，可精密調(diào)整激光標(biāo)線裝置三維調(diào)節(jié)平臺(tái)，使其發(fā)射的扇面激光精準(zhǔn)投影于車體中心線上，形成裝配參考基準(zhǔn)線(即圖2中的投影線EF)。由于扇面激光垂直照射到障礙物時(shí)顯示為投影線，因此車體中心線上所有接觸激光線的物體表面均可顯示投影線，這恰好是裝配中心線應(yīng)該具有的功能。使用此方法實(shí)際裝配時(shí)，操作方便、不受環(huán)境干擾、不占空間，且準(zhǔn)確度更高。可見，以激光定位測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的裝配基準(zhǔn)線完全滿足裝配要求。

3 數(shù)學(xué)模型

圖2中的專用等腰三角形工裝在制作時(shí)，其頂角A和兩底角對(duì)稱中心D分別安裝精密靶標(biāo)，精密靶標(biāo)連線AD與底邊BC嚴(yán)格垂直(垂直度誤差相對(duì)較小，可以忽略不計(jì))。

如圖3所示，專用等腰三角形工裝的兩底角B和C分別安裝參數(shù)完全相同的激光測(cè)距定位裝置，測(cè)量車頭中心基準(zhǔn)P至左連接部件B與P至右連接部件C的距離。在左、右連接部件精密裝配定位過(guò)程中，工藝上要求PB與PC距離嚴(yán)格相等，這樣PD將嚴(yán)格垂直于BC，那將完全滿足設(shè)計(jì)要求。但是，由于激光測(cè)距定位裝置存在允許誤差限，其安裝位置以及專用等腰三角形工裝本身也存在一定的誤差，因此在裝配過(guò)程中使其所測(cè)數(shù)值完全一致有一定困難，從提高裝配效率來(lái)說(shuō)也非常不現(xiàn)實(shí)，所以裝配過(guò)程中PB與PC客觀上一定會(huì)出現(xiàn)距離誤差。只要出現(xiàn)距離誤差，原理上專用等腰三角形工裝必然出現(xiàn)了偏移，即頂角A偏移至A1。

圖3 激光定位數(shù)學(xué)模型依據(jù)圖

從圖3可以得出，實(shí)際裝配定位過(guò)程中，只要測(cè)量出圖中的偏移角α，即可判定左、右連接部件是否裝配到位。精密經(jīng)緯儀放置在車輛尾部一定距離的O點(diǎn)，平移和調(diào)焦使O，D，P三點(diǎn)在一條直線上，觀測(cè)A1點(diǎn)的偏移角α，可引入設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)具體推導(dǎo)，如圖3中的虛線圖所示，假設(shè)DA1=L，DB1=DC1=R，BB1=CC1=δ，OD=d?！螦OA1=α，∠ADA1=β，∠OA1D=γ，其中L，R，d均為已知參數(shù)，δ為圖紙給定設(shè)計(jì)公差，根據(jù)正弦定理，可得

(1)

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可推出方程組

(2)

解此方程組可得

(3)

則

(4)

圖4 激光定位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際裝配簡(jiǎn)圖

因此，今后在進(jìn)行大型車輛裝配時(shí)，只要能保證激光測(cè)距定位裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，便可以安全閾值法調(diào)整測(cè)量距離差，可以不用精密經(jīng)緯儀進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，節(jié)約了測(cè)量時(shí)間，提升了測(cè)量效率。

4 大型車輛定位精度評(píng)估與比對(duì)

為了定量評(píng)估大型車輛激光定位測(cè)量系統(tǒng)的定位精度，引入具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。代入各已知參數(shù)的值：L=1000 mm，R=1000 mm，d=2000 mm，下文將對(duì)定位精度進(jìn)行具體評(píng)價(jià)。

根據(jù)激光測(cè)距定位裝置的校準(zhǔn)證書可知，在20 m范圍內(nèi)，其示值誤差最大為1 mm?？紤]極限情況，假設(shè)兩臺(tái)激光測(cè)距定位裝置所測(cè)距離的誤差為1 mm，可認(rèn)為圖4中PB和PC的距離差為1 mm，理想情況下取中值，則PB和PC長(zhǎng)度誤差分別為0.5 mm和-0.5 mm。此時(shí)在圖3中，相當(dāng)于直線BC產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，變成了直線B1C1，此時(shí)取β=β′，δ=δ′。

傳統(tǒng)鋼絲拉線懸掛重錘的方法引入的誤差包括鋼絲拉伸變形引起的距離誤差、自重引起彎曲產(chǎn)生的距離誤差和標(biāo)記人眼讀數(shù)誤差，依據(jù)多次測(cè)量經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)不大于2 mm，可按極限值2 mm估計(jì)，理想情況下取中值，則PB和PC長(zhǎng)度誤差分別為1 mm和-1 mm。

參照上述計(jì)算方法，將δ″=1 mm代入式(4)可得α″=22.9″。

上述計(jì)算的偏移角α′和α″分別代表了激光定位法和傳統(tǒng)鋼絲拉線法對(duì)大型車輛裝配測(cè)量定位時(shí)的最低極限誤差，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證符合實(shí)際。從數(shù)據(jù)可見，激光定位法將最低極限誤差減少了幾乎一半，而且能以安全閾值法快速調(diào)整測(cè)量距離差，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下優(yōu)化了工藝流程，節(jié)約了裝配測(cè)量時(shí)間。而傳統(tǒng)鋼絲拉線法引入的三種主要誤差無(wú)法消除且不可控，尤其是標(biāo)記人眼讀數(shù)誤差因人而異，因此每次的測(cè)量定位誤差評(píng)估數(shù)據(jù)都可能出現(xiàn)較大的變化，無(wú)法尋找規(guī)律，且每次測(cè)量定位都需要較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整鋼絲拉線的距離差，裝配測(cè)量定位效率低下。

可見，以大型車輛精密裝配激光定位數(shù)學(xué)模型為依據(jù)建立的方法測(cè)量效率更高且準(zhǔn)確性更好，定位時(shí)讀數(shù)以數(shù)字方式實(shí)時(shí)顯示，方便快捷，減輕了測(cè)量工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)于傳統(tǒng)鋼絲拉線法。

5 大型車輛精密裝配基準(zhǔn)線的建立

采用前文所述方法可以精確固定左、右連接部件于大型車輛車尾設(shè)計(jì)位置，之后通過(guò)工藝方法很容易找出其對(duì)稱中心點(diǎn)(即精密靶標(biāo)D的中心)，使之與車頭中心基準(zhǔn)連接，形成裝配基準(zhǔn)線。但該裝配基準(zhǔn)線是虛擬基準(zhǔn)線，傳統(tǒng)方法是以拉線法模擬該虛擬基準(zhǔn)線。采用激光定位測(cè)量系統(tǒng)中的扇面激光標(biāo)線裝置，可直接將該虛擬基準(zhǔn)線以投影實(shí)線的形式表現(xiàn)出來(lái)，以便在后續(xù)相關(guān)部件裝配中直接應(yīng)用。

扇面激光標(biāo)線裝置的核心部件為激光發(fā)生器和大地垂直儀，可以發(fā)射垂直于大地的扇面激光，遇到障礙物時(shí)投影為直線。采用扇面激光標(biāo)線裝置發(fā)射豎直扇面激光，垂直投射到調(diào)平的車體上，形成垂直于車體的豎直中心面，并在車體表面形成清晰的細(xì)激光線，通過(guò)調(diào)整扇面激光標(biāo)線裝置的三維調(diào)節(jié)平臺(tái)，可以使細(xì)激光線精確地重合于車頭中心基準(zhǔn)與車尾左、右連接部件對(duì)稱中心上，此時(shí)投射在車體上的細(xì)激光線正好是裝配虛擬基準(zhǔn)線的實(shí)體表現(xiàn)形式，因此可以直接作為裝配基準(zhǔn)線。

由于車輛經(jīng)水平儀調(diào)節(jié)平行于大地，扇面激光標(biāo)線裝置發(fā)射的扇面激光垂直于車體表面，對(duì)于車體表面凸出部位(高)和凹陷部位(低)均能投影出細(xì)激光線來(lái)，顯然，這才是激光投影裝配基準(zhǔn)線的關(guān)鍵所在，其使后續(xù)部件在車體高、低部位的裝配變得簡(jiǎn)單，可以直接以激光投影線作為參考基準(zhǔn)來(lái)裝配后續(xù)相關(guān)部件，傳統(tǒng)的拉線法對(duì)高、低部位的裝配使用懸掛鉛錘的方式進(jìn)行，不僅裝配時(shí)間長(zhǎng)，而且穩(wěn)定性差、誤差大?？梢?，以扇面激光標(biāo)線裝置產(chǎn)生激光投影線的方法引入誤差較小、測(cè)量效率更高，且不受人為因素干擾，工藝上更先進(jìn)，完全優(yōu)于傳統(tǒng)的拉線法。

6 結(jié)束語(yǔ)

將激光測(cè)距定位裝置納入計(jì)量管理，送計(jì)量機(jī)構(gòu)定期校準(zhǔn)后使用。每次大型車輛左、右連接部件裝配時(shí)，直接調(diào)試專用等腰三角形工裝使兩臺(tái)激光測(cè)距定位裝置所測(cè)距離小于安全閾值|Δ|min，則左、右連接部件裝配到位，進(jìn)入下一步工序激光標(biāo)線裝置投影建立裝配基準(zhǔn)線。可見，其意義在于裝配與檢測(cè)同步完成，不需要事后用精密經(jīng)緯儀測(cè)量偏移角驗(yàn)證，極大地簡(jiǎn)化了操作流程。

綜上所述，激光定位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了大型車輛的裝配效率及裝配準(zhǔn)確性，其中激光測(cè)距技術(shù)和激光標(biāo)線技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于大型裝配具有重要意義。