大型精密裝配激光定位測量技術研究

王志華，李楠，呂國兵

(北京新立機械有限責任公司 檢測校準實驗室，北京 100074)

0 引言

在航空航天、重型機械等大型裝備制造業中，對大型設備或機械部件精密裝配的質量控制越來越嚴格。開展大型部件精密裝配激光定位測量技術研究，是裝備目標空間位置解算的重要保障，對于提高大型精密裝配精度和效率、積累測量技術經驗具有重要意義。

1 傳統方式及其遇到的問題

大型部件精密裝配通常以傳統專用工裝作為輔助，并配合利用基本物理原理來實現一些復雜的裝配測量。例如，在大型車輛精密裝配過程中，如何精確構建車輛中心面裝配基準線一直是一項難題，目前一般采用專用工裝拉線法配合精密經緯儀來實現裝配基準線的定位構建，如圖1所示。

圖1 大型車輛裝配基準線定位構建示意簡圖

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線在設計上有嚴格的垂直度要求。圖1中采用專用等腰三角形工裝，兩底角以軸孔為基準，固定左、右連接部件于車尾設計位置，留置測量接口，車頭中心基準與左或右連接部件測量接口以細鋼絲連接，并用重錘拉直，保證左連接部件測量接口拉直的鋼絲長度與右連接部件測量接口拉直的鋼絲長度相等，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)中點與車頭中心基準的連線必然垂直于底邊，可認為裝配位置符合要求。之后采用精密經緯儀測量專用等腰三角形工裝上相應靶標偏移的角度，并換算成垂直度。如果垂直度滿足設計指標，則進入下一步工序，否則調試后再進行同樣的測量，直至合格。

左、右連接部件裝配位置檢測合格并固定后，參照左右連接部件對稱中心與車頭中心基準的連線，以拉直的細鋼絲模擬車輛裝配基準線，作為后續設備、零部件等上裝時的參考基準。但是，采用鋼絲拉線懸掛重錘較為原始落后，調試過程繁瑣，不利于提高裝配效率；同時，以鋼絲拉線法模擬的裝配基準線不夠穩定，受人為因素干擾較大，且存在直線度誤差，對裝配精度有著顯著影響。為解決以上問題，本文將激光定位測量技術應用于大型精密裝配中，以提升裝配的準確性和可靠性。

2 激光定位測量技術原理

采用激光定位測量技術，以激光測距定位裝置確定左、右連接部件的精確位置，再利用激光標線裝置精確構建裝配基準線，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計位置，激光測距定位裝置分別安裝在專用等腰三角形工裝底部的對稱位置，確保左、右測量接口連線BC與左、右軸孔連線MN平行。車頭中心基準位于車體中心線上。BP連線和CP連線為激光測距定位裝置所發射的激光線，照射到車頭中心基準位置的激光線經過反射、接收、計時及計算即可實現距離測量。裝配左、右連接部件時，通過調節專用等腰三角形工裝的位置，使其兩側的激光測距定位裝置所測距離相等(在誤差允許范圍之內)，即圖中BP等于CP，由于BC與MN平行，則車頭中心基準P與左、右軸孔連線中點O的連線PO垂直于MN，可以認為左、右連接部件裝配到位。

圖2 激光定位測量系統原理圖

圖2中EFHG為激光標線裝置所發射的扇面激光，并投影于車輛車體上，可精密調整激光標線裝置三維調節平臺，使其發射的扇面激光精準投影于車體中心線上，形成裝配參考基準線(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該具有的功能。使用此方法實際裝配時，操作方便、不受環境干擾、不占空間，且準確度更高。可見，以激光定位測量技術構建的裝配基準線完全滿足裝配要求。

3 數學模型

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

如圖3所示，專用等腰三角形工裝的兩底角B和C分別安裝參數完全相同的激光測距定位裝置，測量車頭中心基準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程中，工藝上要求PB與PC距離嚴格相等，這樣PD將嚴格垂直于BC，那將完全滿足設計要求。但是，由于激光測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，因此在裝配過程中使其所測數值完全一致有一定困難，從提高裝配效率來說也非常不現實，所以裝配過程中PB與PC客觀上一定會出現距離誤差。只要出現距離誤差，原理上專用等腰三角形工裝必然出現了偏移，即頂角A偏移至A1。

圖3 激光定位數學模型依據圖

從圖3可以得出，實際裝配定位過程中，只要測量出圖中的偏移角α，即可判定左、右連接部件是否裝配到位。精密經緯儀放置在車輛尾部一定距離的O點，平移和調焦使O，D，P三點在一條直線上，觀測A1點的偏移角α，可引入設計指標來具體推導，如圖3中的虛線圖所示，假設DA1=L，DB1=DC1=R，BB1=CC1=δ，OD=d。∠AOA1=α，∠ADA1=β，∠OA1D=γ，其中L，R，d均為已知參數，δ為圖紙給定設計公差，根據正弦定理，可得

(1)

根據三角函數關系可推出方程組

(2)

解此方程組可得

(3)

則

(4)

圖4 激光定位測量系統實際裝配簡圖

因此，今后在進行大型車輛裝配時，只要能保證激光測距定位裝置數據準確可靠，便可以安全閾值法調整測量距離差，可以不用精密經緯儀進行測量驗證，節約了測量時間，提升了測量效率。

4 大型車輛定位精度評估與比對

為了定量評估大型車輛激光定位測量系統的定位精度，引入具體數據進行分析。代入各已知參數的值：L=1000 mm，R=1000 mm，d=2000 mm，下文將對定位精度進行具體評價。

根據激光測距定位裝置的校準證書可知，在20 m范圍內，其示值誤差最大為1 mm。考慮極限情況，假設兩臺激光測距定位裝置所測距離的誤差為1 mm，可認為圖4中PB和PC的距離差為1 mm，理想情況下取中值，則PB和PC長度誤差分別為0.5 mm和-0.5 mm。此時在圖3中，相當于直線BC產生了旋轉，變成了直線B1C1，此時取β=β′，δ=δ′。

傳統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、自重引起彎曲產生的距離誤差和標記人眼讀數誤差，依據多次測量經驗值應不大于2 mm，可按極限值2 mm估計，理想情況下取中值，則PB和PC長度誤差分別為1 mm和-1 mm。

參照上述計算方法，將δ″=1 mm代入式(4)可得α″=22.9″。

上述計算的偏移角α′和α″分別代表了激光定位法和傳統鋼絲拉線法對大型車輛裝配測量定位時的最低極限誤差，經試驗驗證符合實際。從數據可見，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整測量距離差，在滿足設計要求的前提下優化了工藝流程，節約了裝配測量時間。而傳統鋼絲拉線法引入的三種主要誤差無法消除且不可控，尤其是標記人眼讀數誤差因人而異，因此每次的測量定位誤差評估數據都可能出現較大的變化，無法尋找規律，且每次測量定位都需要較長時間調整鋼絲拉線的距離差，裝配測量定位效率低下。

可見，以大型車輛精密裝配激光定位數學模型為依據建立的方法測量效率更高且準確性更好，定位時讀數以數字方式實時顯示，方便快捷，減輕了測量工作人員的勞動強度，優于傳統鋼絲拉線法。

5 大型車輛精密裝配基準線的建立

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計位置，之后通過工藝方法很容易找出其對稱中心點(即精密靶標D的中心)，使之與車頭中心基準連接，形成裝配基準線。但該裝配基準線是虛擬基準線，傳統方法是以拉線法模擬該虛擬基準線。采用激光定位測量系統中的扇面激光標線裝置，可直接將該虛擬基準線以投影實線的形式表現出來，以便在后續相關部件裝配中直接應用。

扇面激光標線裝置的核心部件為激光發生器和大地垂直儀，可以發射垂直于大地的扇面激光，遇到障礙物時投影為直線。采用扇面激光標線裝置發射豎直扇面激光，垂直投射到調平的車體上，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激光線，通過調整扇面激光標線裝置的三維調節平臺，可以使細激光線精確地重合于車頭中心基準與車尾左、右連接部件對稱中心上，此時投射在車體上的細激光線正好是裝配虛擬基準線的實體表現形式，因此可以直接作為裝配基準線。

由于車輛經水平儀調節平行于大地，扇面激光標線裝置發射的扇面激光垂直于車體表面，對于車體表面凸出部位(高)和凹陷部位(低)均能投影出細激光線來，顯然，這才是激光投影裝配基準線的關鍵所在，其使后續部件在車體高、低部位的裝配變得簡單，可以直接以激光投影線作為參考基準來裝配后續相關部件，傳統的拉線法對高、低部位的裝配使用懸掛鉛錘的方式進行，不僅裝配時間長，而且穩定性差、誤差大。可見，以扇面激光標線裝置產生激光投影線的方法引入誤差較小、測量效率更高，且不受人為因素干擾，工藝上更先進，完全優于傳統的拉線法。

6 結束語

將激光測距定位裝置納入計量管理，送計量機構定期校準后使用。每次大型車輛左、右連接部件裝配時，直接調試專用等腰三角形工裝使兩臺激光測距定位裝置所測距離小于安全閾值|Δ|min，則左、右連接部件裝配到位，進入下一步工序激光標線裝置投影建立裝配基準線。可見，其意義在于裝配與檢測同步完成，不需要事后用精密經緯儀測量偏移角驗證，極大地簡化了操作流程。

綜上所述，激光定位測量技術的應用大幅提升了大型車輛的裝配效率及裝配準確性，其中激光測距技術和激光標線技術的應用對于大型裝配具有重要意義。