激光投影在船舶裝配過程中的應(yīng)用

楊 駿，張紅偉，王 杰，朱文敏

（江南造船（集團）有限責任公司江南研究院，上海201913）

0 引 言

船舶是由巨量零部件經(jīng)過一系列并不連續(xù)的工序加工之后裝配而成的巨系統(tǒng)工程產(chǎn)品。船舶的主要建造流程包括鋼材預(yù)處理、鋼板劃線印字、組立建造、預(yù)舾裝、分段及總段建造和碼頭舾裝等，總體上可概括為船體結(jié)構(gòu)建造和舾裝件安裝。

船體結(jié)構(gòu)的裝配過程由簡至繁依次為組立、分段、總段、巨型總段和整船，其中組立是最簡單的裝配體，可根據(jù)尺寸及附屬零件的規(guī)模分為小組立、中組立和大組立，其裝配方式主要是焊接。在焊接零部件之前，需通過劃線對其進行精確的定位。目前主要有2 種劃線方式：對于船體小組立階段的定位，一般基于切割指令，利用切割機或劃線印字機在鋼板上劃出定位線；對于中組立和大組立階段的船體零部件和舾裝件定位，一般采用人工劃線的方式劃出定位線。劃線工序作為裝配的主要依據(jù)，既是船舶建造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又是提升裝配質(zhì)量的瓶頸環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的劃線工序耗時較長、效率較低，且受工人劃線水平的影響較大。從劃線技術(shù)上尋求突破能對此有一定程度的改善，但并不能從根本上解決傳統(tǒng)劃線工序存在的時間消耗和誤差問題。此外，劃線機在工作過程中需消耗大量耗材，同時會污染環(huán)境，目前隨著環(huán)境保護問題日益受重視，綠色制造的理念在船舶建造領(lǐng)域不斷普及，降低船舶建造過程中的污染物排放具有重要意義。

針對上述船舶裝配過程中存在的定位問題，本文引入激光投影定位技術(shù)，用其替代傳統(tǒng)的劃線工序。該技術(shù)能將虛擬的裝配工藝信息直接投射到真實的物理世界中，為工人提供直觀的安裝導引。目前，激光投影技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中，包括零部件裝配定位［1-2］和復合材料鋪層［3-4］等。此外，已有部分學者對激光投影技術(shù)進行改進，包括標定技術(shù)［5］、動態(tài)聚焦［6］和激光打標系統(tǒng)矯正［7］等。在船舶生產(chǎn)領(lǐng)域，該技術(shù)的研究正處于起步階段，相關(guān)研究較少。本文針對該技術(shù)在船舶裝配過程中的應(yīng)用進行研究，以船體小組立階段的零部件裝配為研究對象，對總體技術(shù)方案、模型的轉(zhuǎn)換與輸出、投影設(shè)備的定位校準和零部件的裝配定位進行研究論證，形成基于激光投影的船舶數(shù)字化裝配方案，并通過實際的小組立裝配應(yīng)用驗證該方案的可行性，為其后續(xù)推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化裝配流程

整個激光投影定位技術(shù)方案的數(shù)字化裝配流程見圖1，包括裝配工藝信息準備、基準板安裝就位、投影設(shè)備標定、工藝信息投影和按線裝配。首先，基于三維設(shè)計軟件對組立裝配工藝進行設(shè)計，確定裝配過程中需要的工藝信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為投影設(shè)備可支持的數(shù)據(jù)格式。其次，將組立的基準板在指定工位就位，并通過專用的定位靶標建立投影設(shè)備空間坐標系，保證該坐標系與組立的真實坐標系一致。最后，將組立裝配所需工藝信息直接投影到基準板的安裝表面上，工人基于投影信息開展零部件裝配作業(yè)。

圖1 激光投影定位技術(shù)方案的數(shù)字化裝配流程

2 裝配工藝信息

在進行組立裝配時，施工人員需查看的工藝信息主要包括組立名、基準板名、零件名、基準板輪廓線和零件裝配定位線。目前主流的船舶三維設(shè)計軟件有3D Experience（CATIA）、TRIBON和SPD等，利用這些軟件的屬性抽取功能可快速得到組立名、基準板名和零件名，而基準板輪廓線和零件裝配定位線必須滿足精準投射的需求，需通過從三維實體模型中抽取并轉(zhuǎn)換得到。

由于船舶主要采用焊接的方式裝配，因此在設(shè)計裝配工藝時需考慮焊接之后的收縮補償，此外還要考慮為避免出現(xiàn)加工誤差導致材料長度不夠而增加的余量。圖2 為鋼板余量示意圖。

圖2 鋼板余量示意圖

目前船廠在進行生產(chǎn)設(shè)計建模時并不會直接將上述2 類信息添加到三維模型中，因此僅對三維模型進行操作無法得到上述信息，需通過其他渠道獲取。船體結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計完成之后，需為后面的套料工序提供建造工藝信息文件，該文件需結(jié)合設(shè)計知識和相關(guān)準則添加焊接收縮量和余量尺寸，其中也會包含前述組立名、基準板名和零件名等信息。對該文件進行解析并將其轉(zhuǎn)換為激光投影設(shè)備操作系統(tǒng)支持的模型格式，從而實現(xiàn)投影模型重構(gòu)。

3 投影設(shè)備標定

為確保工藝信息能精準投射到指定位置，在基準板安裝就位之后，首先需對投影設(shè)備進行標定。標定的目的是創(chuàng)建投影設(shè)備的空間三維坐標系，并使其與基準板的真實坐標系保持一致。

在進行設(shè)備標定時，需獲取定位參照物的坐標，參照物有2 種：第一種為零件自身的特征，如孔位；第二種為在基板上敷設(shè)的定位靶點。投影設(shè)備首先獲取參照物的位置信息，在此基礎(chǔ)上將內(nèi)部模型中相同對象的位置信息與其匹配，建立一個與基準板的真實坐標系一致的空間三維坐標系，從而確定基準板在投影設(shè)備的空間坐標系中的位置。由于小組立基準板中的開孔較少，因此采用在基準板四周設(shè)置靶點的方式進行設(shè)備標定。為保證定位精度，需保證至少設(shè)置6 個定位靶點，見圖3。投影設(shè)備標定內(nèi)部流程見圖4。

圖3 投影設(shè)備標定示意

圖4 投影設(shè)備標定內(nèi)部流程

4 裝配信息投影

完成投影設(shè)備標定之后可開展裝配信息投影，為減小裝配誤差，提升裝配質(zhì)量，設(shè)備投射的光線寬度需保證小于0.5 mm。此外，投影設(shè)備所在高度為4 m，為保證投影效果，其投影角度應(yīng)不大于60°，此時若目標小組立尺寸太大，單臺投影設(shè)備可能無法滿足需求，需配置多臺設(shè)備進行組合投影，見圖5。部分復雜小組立上的零件較多，需根據(jù)工藝對其進行有序裝配，此時需根據(jù)裝配工序進行分步投影，對工藝模型信息進行分組，當某組零件裝配完成之后，隱去其定位線，進行下一組零件投影。分步投影功能融合了工序的信息，便于施工人員對復雜組立零部件進行定位。

圖5 組合投影示意圖

5 應(yīng)用案例

根據(jù)上述分析，選擇一個小組立進行激光投影裝配應(yīng)用，驗證上述設(shè)計方案的可行性。此次應(yīng)用采用的激光投影儀，其最高投射精度為0.06 mm／m，投影線寬小于等于0.5 mm，能滿足小組立裝配需求。投影定位的工裝布置，是在基板四周共計布置6 個靶點工裝，以精準捕捉零件基板的位置輪廓信息，確保設(shè)備空間坐標系與真實坐標系一致。圖6 為定位線投影結(jié)果，將其與原有的劃線信息相比對，發(fā)現(xiàn)二者的位置信息一致，工人可據(jù)此進行組立裝配工作。圖7 為定位線分步投影，此時僅顯示當前需安裝的零部件，其余零部件的裝配信息已被隱藏，從而便于指導工人按序安裝零部件。

圖6 定位線投影結(jié)果

圖7 定位線分步投影

上述激光投影裝配技術(shù)的操作步驟非常簡單，工人只需在現(xiàn)場采用定制的控制模塊對投影設(shè)備下達指令，投影設(shè)備便會根據(jù)預(yù)先定義的裝配步驟和工藝信息進行投影，其實用性也滿足要求。根據(jù)本文的研究結(jié)果，該技術(shù)能推廣應(yīng)用至船舶建造的其他階段，比如應(yīng)用到舾裝件安裝過程中，具有良好的可推廣性。

6 結(jié) 語

本文對基于激光投影的船舶數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用進行了研究，主要得到以下結(jié)論：

1）形成了基于激光投影的船舶組立數(shù)字化裝配技術(shù)方案。通過三維模型驅(qū)動組立裝配過程，打通了設(shè)計端到制造端的數(shù)據(jù)傳遞。采用激光投影代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組立劃線進行零件裝配定位，并在實際組立裝配上開展應(yīng)用測試，驗證了該設(shè)計方案的可行性和實用性。

2）采用激光投影技術(shù)進行組立零部件定位，實現(xiàn)了船舶組立安裝階段船體結(jié)構(gòu)的快速精準裝配。同時，該技術(shù)的應(yīng)用避免了機器劃線帶來的污染現(xiàn)象，契合船舶綠色制造新趨勢。

3）該激光投影技術(shù)能推廣應(yīng)用至船舶建造的其他階段，例如應(yīng)用到舾裝件安裝過程中，為舾裝件的安裝提供精準的定位點。