數字化定位激光投影3D投影技術系統誤差分析

邱 均，張亞軍，2，許 磊，王寶迪，鄧 雪，馮燕生，王開誠，2

（1.中國核工業二三建設有限公司，北京 100000；2深圳中核普達測量科技有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著科學技術和制造工業的不斷進步，國民經濟和人們生活水平的不斷提高，人們對設備工藝制造的精度要求也越來越高，如精密度極高的航船、航空航天飛船設備等，只有精密度極高的科技才能滿足要求。而在這其中激光投影3D技術起到不可代替、至關重要的作用，激光投影3D技術被廣泛應用到工業、軍事等制造業中，隨著計算機、網絡技術的發展，激光投影3D技術被賦予了全新的制造技術，通過特定的設備將激光3D投影技術系統的光束以高速的形式投影到所需的特定曲面工作區域，可以利用人眼視覺暫留效應在特定的曲面區域觀察到完整的畫面。

激光技術憑借其獨特的性質被廣泛應用于軍事、國防、商業和娛樂等方面。而這其中，數字激光3D投影技術就是將激光技術應用實踐的一種，將已存在的CAD數模圖形投影在曲面上從而實現高精度的數模還原工作。此技術為技術操作人員提供清晰、明亮、直觀可見和實用的激光數據參考，可實現與CAD工程技術的完全銜接。利用數字定位激光3D投影技術將定位零部件、應急附屬符合材料的準確定位投影到部件表面，通過計算機電腦數據模擬計算軟件在3D可視環境下實現CAD模型數據編程和創作，從而實現數字激光的可視化制造生產過程[1]。此技術具有實現各復合材料層次間的快速準確定位，免除傳統展板的疊加操作，可以由數字定位激光3D投影技術實現模擬量數字化轉化，可以節約大量的人力和財力。

1 數字定位激光3D投影技術發展現狀

數字定位激光3D投影技術起源于20世紀80年代后期，最早應用于復合材料的附層制造，但是隨著CAD數模生成軟件和激光數字顯示技術的發展和普及，數字定位激光3D投影技術進入快速發展和應用的時代，現階段被廣泛應用于對精密度要求極高的數控下料、產品設計、復合材料制造、自動鋪貼等制造一體化中，如在飛機組裝配件制造、安裝過程中，需要對高精密、大數量和大尺寸的飛機部件進行精準的組裝安裝，才能把形狀不同、數量龐大的部件緊密安裝到飛機機身上[2]。與傳統的工藝不同，數字定位激光3D投影技術是現代工業向數字化轉化的過程，在美國F-35戰斗機的生產過程中，大量應用了數字定位激光3D投影技術，應用此技術將組裝飛機配件的3D輪廓投影到飛機蒙皮表面或者復合材料曲面上，既可以提高工作效率、減少圖紙的使用，節約大量的人力財力，還可以提高生產、安裝的準確率和可靠性。

中國數字化激光定位技術起步較晚，受到國外技術的封鎖和制約，20世紀90年代后期至21世紀初期，數字定位激光3D投影技術才在中國被初步應用和研究，目前中國的數字激光定位技術還處于發展研究階段，在商業工業化的應用較少[3]。中國是生產制造大國，此技術不光可以提高生產效率和制造精度、節約時間和安裝質量，避免人員操作失誤，對于幫助中國提高國際制造競爭力也具有重要的研究意義。

2 數字定位激光3D投影技術系統的組成和工作原理

2.1 數字定位激光3D投影技術系統的組成

數字定位激光3D投影技術系統是一個組合系統技術，是由iGPS定位技術和數字激光3D投影技術組成，iGPS定位技術構成可以照射整個工作區域的紅外線發射點，實現激光3D投影和投影物表面iGPS接收器的定位交匯，完成復合材料的鋪貼和附件的安裝檢測。激光3D投影技術一般由激光投影儀、目標定位點、控制計算機和系統操作相關軟件組成，實現1∶1高精度投影還原數模系統，其系統組成如圖1所示[4-5]。

目標定位點是激光3D投影技術確定目標參考點的裝置，即小型定位發射裝置，應用在目標定位點表面上的放光材料直接將光反射到投影系統中，從而實現投影曲面和激光3D投影系統的信息通道的暢通。控制處理系統是激光3D投影技術的處理大腦，用于接收和控制CAD數模各種參數的輸入，用來控制操作不同參數的激光3D技術系統。光學反饋組件含有各類光學敏感傳感器和信息反饋裝置。

2.2 數字定位激光3D投影技術系統的工作原理

激光光源作為平行激光光束的發射源，由轉軸驅動裝置帶動反射器件往復偏轉實現控制激光投影方向，完成在代投影復合材料表面生成高精準度的CAD數模3D輪廓數字化信息，其工作原理如圖2所示。

圖2 激光3D投影技術系統原理圖

2.3 激光3D投影技術系統的一般工作流程

激光3D投影技術系統一般在使用前需進行校準，提前確定投影物和投影系統兩者之間的關系。CAD數字模塊是激光3D投影技術系統進行激光投影技術掃描的基礎數據。其數字模塊提供零件安裝及復合材料鋪設區域定位所需的位置數據和投影技術信息數據，計算機電腦可以根據所提供的的文件數據，選擇出所需投影的部位和區域。在激光3D投影技術的使用過程中，iGPS數字定位系統可以實時監控整個操作區域，并且隨時進行數據校準，一旦激光3D投影部件或者系統發生了偏差時就可以利用iGPS定位系統檢測出來，并及時進行修正。其激光3D投影技術系統的一般工作流程如圖3所示。

圖3 數字定位激光3D投影技術系統的一般工作流程

2.4 投影技術的網絡構建

在利用激光定位3D投影進行目標定位時，為保持整體構建的完整性，一般不允許在表面進行定位打孔，或進行大面積復合材料鋪層激光投影范圍超過允許范圍時不方便進行定位，都需要借用到iGPS定位技術，構建起基于iGPS定位技術的數字化定位3D投影技術系統，提高系統的質量和效率。激光3D投影技術系統網絡構建圖如圖4所示，由激光3D投影系統、計算機、目標定位點、激光發生器、iGPS、iGPS接收器、框架板組成，其中框架板在系統中起到位置固定的作用，并且與激光3D投影系統保持著相對固定的關系。激光3D投影系統是整個系統的最重要的組成部分，通過對計算機電腦的控制，將CAD數字模塊快速移動的激光光斑投影到物體表面上[6-7]。

圖4 激光3D投影技術系統網絡構建圖

3 數字定位激光3D投影技術的誤差分析

3.1 儀器誤差分析

系統誤差分析。由于激光3D投影技術系統誤差分析來源于存在角度誤差，誤差的大小取決于投影距離的大小，系統的最大投影角度為80°左右，應用時投影系統必須覆蓋整個工作區域，當造件較大或投影復合材料為凸面或凹面時，為了達到制造的精度要求，需要多臺激光3D投影系統來完成。

目標定位測量精度的誤差也屬于系統誤差的一種，激光3D投影技術的定位就是依靠目標定位點的坐標來確定投影物在投影系統的空間坐標位置關系，自然就會影響到投影系統整體的誤差。而目標定位點的定位坐標的準確性取決于目標定位點上反射膜的好壞和定位反射膜安裝位置的好壞，都會造成系統誤差的產生。

iGPS定位系統的誤差分析。iGPS定位系統主要來源于iGPS激光發射器的精度，也是數字激光3D定位投影技術系統精度和誤差的主要和關鍵因素，即激光角度誤差、iGPS接收器信息接收誤差。iGPS激光角度誤差主要由于發生器在iGPS發射器位置偏移偏差、機械磨損誤差，iGPS發射器會發出2束角度不變扇形的激光，在制造過程中各種因素都會影響到這2束激光之間的精度，導致理論值和實際值不相同產生誤差。而iGPS激光發射器的固定式、移動式的2種安裝方式在iGPS激光生產過程中都會由于激光發射器的高速旋轉而產生偏移誤差。

機械磨損系統理論誤差分析。iGPS的機械磨損主要是由于激光發生器在長時間、高速旋轉狀態會對系統的主軸帶來損傷，而主軸的機械磨損進而導致iGPS發射器不能保持恒定的速度進行運轉，但是由于iGPS系統在進行位置定位時，主軸的轉速不能恒定，從而造成iGPS發射器系統誤差。在日常的iGPS運行中發射器不停運轉造成的理論偏差，對整個數字定位激光3D投影系統都會造成系統誤差，并且這個誤差是日積月累的。

3.2 環境誤差分析

在數字定位激光3D投影技術系統應用使用過程中，同一技術設備和同一的待投對象，在不同外界環境中，如不同的外界溫度、不同的外界濕度和不同的光照條件下，其投影的結果都會有所差異，因此一個穩定的投影工作環境是激光投影系統輸出信息準確性的保證，在使用過程中盡量保持外界環境的恒定。盡量避免數字定位激光3D投影系統使用在一個多變的外界環境，要保持較為穩定的外界環境，避免產生不利控制的外界環境。

3.3 人員操作誤差分析

在數字定位激光3D投影系統的系統誤差分子中，不可忽略的是使用系統的人員對系統造成的誤差。同一技術設備、同一外界環境和同一技術操作人員在不同的時間下、不同的環境下以及不同的溫度和心情下進行操作，系統結果也不會完全相同。保持一個相對穩定的外界環境、使用人員是數字定位激光3D投影系統工作結果準確性的重要保證。不同的操作人員進行操作也會造成誤差，可以通過加強操作人員的技能培訓，提高技術操作人員的熟練程度來降低人員操作的誤差。

3.4 系統坐標轉化誤差分析

數字定位激光3D投影技術系統在使用中會進行多次系統坐標的轉化，此誤差也是影響投影效果的主要影響因素之一。通過查閱相關文獻資料可知，激光投影系統坐標和CAD數模系統坐標在相互轉化過程中也會產生系統綜合誤差。

4 結論

數字定位激光3D投影系統是近些年高速發展的科技，在日常的工業生產中具有重要的應用作用。本文通過研究分析發現，數字定位激光3D投影技術系統的系統誤差主要來源于儀器誤差、環境誤差、人員操作誤差和系統坐標轉化誤差等，可通過提高機械的準確性、增加操作人員的熟練性、在規范的激光3D投影工作室中進行操作來提高投影技術的準確性。為以后數字定位激光3D投影系統的使用和誤差理論分析提供一定的資料數據。