数字化定位激光投影3D投影技术系统误差分析

邱 均，张亚军，2，许 磊，王宝迪，邓 雪，冯燕生，王开诚，2

（1.中国核工业二三建设有限公司，北京 100000；2深圳中核普达测量科技有限公司，广东 深圳 518000）

随着科学技术和制造工业的不断进步，国民经济和人们生活水平的不断提高，人们对设备工艺制造的精度要求也越来越高，如精密度极高的航船、航空航天飞船设备等，只有精密度极高的科技才能满足要求。而在这其中激光投影3D技术起到不可代替、至关重要的作用，激光投影3D技术被广泛应用到工业、军事等制造业中，随着计算机、网络技术的发展，激光投影3D技术被赋予了全新的制造技术，通过特定的设备将激光3D投影技术系统的光束以高速的形式投影到所需的特定曲面工作区域，可以利用人眼视觉暂留效应在特定的曲面区域观察到完整的画面。

激光技术凭借其独特的性质被广泛应用于军事、国防、商业和娱乐等方面。而这其中，数字激光3D投影技术就是将激光技术应用实践的一种，将已存在的CAD数模图形投影在曲面上从而实现高精度的数模还原工作。此技术为技术操作人员提供清晰、明亮、直观可见和实用的激光数据参考，可实现与CAD工程技术的完全衔接。利用数字定位激光3D投影技术将定位零部件、应急附属符合材料的准确定位投影到部件表面，通过计算机电脑数据模拟计算软件在3D可视环境下实现CAD模型数据编程和创作，从而实现数字激光的可视化制造生产过程[1]。此技术具有实现各复合材料层次间的快速准确定位，免除传统展板的叠加操作，可以由数字定位激光3D投影技术实现模拟量数字化转化，可以节约大量的人力和财力。

1 数字定位激光3D投影技术发展现状

数字定位激光3D投影技术起源于20世纪80年代后期，最早应用于复合材料的附层制造，但是随着CAD数模生成软件和激光数字显示技术的发展和普及，数字定位激光3D投影技术进入快速发展和应用的时代，现阶段被广泛应用于对精密度要求极高的数控下料、产品设计、复合材料制造、自动铺贴等制造一体化中，如在飞机组装配件制造、安装过程中，需要对高精密、大数量和大尺寸的飞机部件进行精准的组装安装，才能把形状不同、数量庞大的部件紧密安装到飞机机身上[2]。与传统的工艺不同，数字定位激光3D投影技术是现代工业向数字化转化的过程，在美国F-35战斗机的生产过程中，大量应用了数字定位激光3D投影技术，应用此技术将组装飞机配件的3D轮廓投影到飞机蒙皮表面或者复合材料曲面上，既可以提高工作效率、减少图纸的使用，节约大量的人力财力，还可以提高生产、安装的准确率和可靠性。

中国数字化激光定位技术起步较晚，受到国外技术的封锁和制约，20世纪90年代后期至21世纪初期，数字定位激光3D投影技术才在中国被初步应用和研究，目前中国的数字激光定位技术还处于发展研究阶段，在商业工业化的应用较少[3]。中国是生产制造大国，此技术不光可以提高生产效率和制造精度、节约时间和安装质量，避免人员操作失误，对于帮助中国提高国际制造竞争力也具有重要的研究意义。

2 数字定位激光3D投影技术系统的组成和工作原理

2.1 数字定位激光3D投影技术系统的组成

数字定位激光3D投影技术系统是一个组合系统技术，是由iGPS定位技术和数字激光3D投影技术组成，iGPS定位技术构成可以照射整个工作区域的红外线发射点，实现激光3D投影和投影物表面iGPS接收器的定位交汇，完成复合材料的铺贴和附件的安装检测。激光3D投影技术一般由激光投影仪、目标定位点、控制计算机和系统操作相关软件组成，实现1∶1高精度投影还原数模系统，其系统组成如图1所示[4-5]。

目标定位点是激光3D投影技术确定目标参考点的装置，即小型定位发射装置，应用在目标定位点表面上的放光材料直接将光反射到投影系统中，从而实现投影曲面和激光3D投影系统的信息通道的畅通。控制处理系统是激光3D投影技术的处理大脑，用于接收和控制CAD数模各种参数的输入，用来控制操作不同参数的激光3D技术系统。光学反馈组件含有各类光学敏感传感器和信息反馈装置。

2.2 数字定位激光3D投影技术系统的工作原理

激光光源作为平行激光光束的发射源，由转轴驱动装置带动反射器件往复偏转实现控制激光投影方向，完成在代投影复合材料表面生成高精准度的CAD数模3D轮廓数字化信息，其工作原理如图2所示。

图2 激光3D投影技术系统原理图

2.3 激光3D投影技术系统的一般工作流程

激光3D投影技术系统一般在使用前需进行校准，提前确定投影物和投影系统两者之间的关系。CAD数字模块是激光3D投影技术系统进行激光投影技术扫描的基础数据。其数字模块提供零件安装及复合材料铺设区域定位所需的位置数据和投影技术信息数据，计算机电脑可以根据所提供的的文件数据，选择出所需投影的部位和区域。在激光3D投影技术的使用过程中，iGPS数字定位系统可以实时监控整个操作区域，并且随时进行数据校准，一旦激光3D投影部件或者系统发生了偏差时就可以利用iGPS定位系统检测出来，并及时进行修正。其激光3D投影技术系统的一般工作流程如图3所示。

图3 数字定位激光3D投影技术系统的一般工作流程

2.4 投影技术的网络构建

在利用激光定位3D投影进行目标定位时，为保持整体构建的完整性，一般不允许在表面进行定位打孔，或进行大面积复合材料铺层激光投影范围超过允许范围时不方便进行定位，都需要借用到iGPS定位技术，构建起基于iGPS定位技术的数字化定位3D投影技术系统，提高系统的质量和效率。激光3D投影技术系统网络构建图如图4所示，由激光3D投影系统、计算机、目标定位点、激光发生器、iGPS、iGPS接收器、框架板组成，其中框架板在系统中起到位置固定的作用，并且与激光3D投影系统保持着相对固定的关系。激光3D投影系统是整个系统的最重要的组成部分，通过对计算机电脑的控制，将CAD数字模块快速移动的激光光斑投影到物体表面上[6-7]。

图4 激光3D投影技术系统网络构建图

3 数字定位激光3D投影技术的误差分析

3.1 仪器误差分析

系统误差分析。由于激光3D投影技术系统误差分析来源于存在角度误差，误差的大小取决于投影距离的大小，系统的最大投影角度为80°左右，应用时投影系统必须覆盖整个工作区域，当造件较大或投影复合材料为凸面或凹面时，为了达到制造的精度要求，需要多台激光3D投影系统来完成。

目标定位测量精度的误差也属于系统误差的一种，激光3D投影技术的定位就是依靠目标定位点的坐标来确定投影物在投影系统的空间坐标位置关系，自然就会影响到投影系统整体的误差。而目标定位点的定位坐标的准确性取决于目标定位点上反射膜的好坏和定位反射膜安装位置的好坏，都会造成系统误差的产生。

iGPS定位系统的误差分析。iGPS定位系统主要来源于iGPS激光发射器的精度，也是数字激光3D定位投影技术系统精度和误差的主要和关键因素，即激光角度误差、iGPS接收器信息接收误差。iGPS激光角度误差主要由于发生器在iGPS发射器位置偏移偏差、机械磨损误差，iGPS发射器会发出2束角度不变扇形的激光，在制造过程中各种因素都会影响到这2束激光之间的精度，导致理论值和实际值不相同产生误差。而iGPS激光发射器的固定式、移动式的2种安装方式在iGPS激光生产过程中都会由于激光发射器的高速旋转而产生偏移误差。

机械磨损系统理论误差分析。iGPS的机械磨损主要是由于激光发生器在长时间、高速旋转状态会对系统的主轴带来损伤，而主轴的机械磨损进而导致iGPS发射器不能保持恒定的速度进行运转，但是由于iGPS系统在进行位置定位时，主轴的转速不能恒定，从而造成iGPS发射器系统误差。在日常的iGPS运行中发射器不停运转造成的理论偏差，对整个数字定位激光3D投影系统都会造成系统误差，并且这个误差是日积月累的。

3.2 环境误差分析

在数字定位激光3D投影技术系统应用使用过程中，同一技术设备和同一的待投对象，在不同外界环境中，如不同的外界温度、不同的外界湿度和不同的光照条件下，其投影的结果都会有所差异，因此一个稳定的投影工作环境是激光投影系统输出信息准确性的保证，在使用过程中尽量保持外界环境的恒定。尽量避免数字定位激光3D投影系统使用在一个多变的外界环境，要保持较为稳定的外界环境，避免产生不利控制的外界环境。

3.3 人员操作误差分析

在数字定位激光3D投影系统的系统误差分子中，不可忽略的是使用系统的人员对系统造成的误差。同一技术设备、同一外界环境和同一技术操作人员在不同的时间下、不同的环境下以及不同的温度和心情下进行操作，系统结果也不会完全相同。保持一个相对稳定的外界环境、使用人员是数字定位激光3D投影系统工作结果准确性的重要保证。不同的操作人员进行操作也会造成误差，可以通过加强操作人员的技能培训，提高技术操作人员的熟练程度来降低人员操作的误差。

3.4 系统坐标转化误差分析

数字定位激光3D投影技术系统在使用中会进行多次系统坐标的转化，此误差也是影响投影效果的主要影响因素之一。通过查阅相关文献资料可知，激光投影系统坐标和CAD数模系统坐标在相互转化过程中也会产生系统综合误差。

4 结论

数字定位激光3D投影系统是近些年高速发展的科技，在日常的工业生产中具有重要的应用作用。本文通过研究分析发现，数字定位激光3D投影技术系统的系统误差主要来源于仪器误差、环境误差、人员操作误差和系统坐标转化误差等，可通过提高机械的准确性、增加操作人员的熟练性、在规范的激光3D投影工作室中进行操作来提高投影技术的准确性。为以后数字定位激光3D投影系统的使用和误差理论分析提供一定的资料数据。