激光投影在船舶装配过程中的应用

杨 骏，张红伟，王 杰，朱文敏

（江南造船（集团）有限责任公司江南研究院，上海201913）

0 引 言

船舶是由巨量零部件经过一系列并不连续的工序加工之后装配而成的巨系统工程产品。船舶的主要建造流程包括钢材预处理、钢板划线印字、组立建造、预舾装、分段及总段建造和码头舾装等，总体上可概括为船体结构建造和舾装件安装。

船体结构的装配过程由简至繁依次为组立、分段、总段、巨型总段和整船，其中组立是最简单的装配体，可根据尺寸及附属零件的规模分为小组立、中组立和大组立，其装配方式主要是焊接。在焊接零部件之前，需通过划线对其进行精确的定位。目前主要有2 种划线方式：对于船体小组立阶段的定位，一般基于切割指令，利用切割机或划线印字机在钢板上划出定位线；对于中组立和大组立阶段的船体零部件和舾装件定位，一般采用人工划线的方式划出定位线。划线工序作为装配的主要依据，既是船舶建造中的关键环节，又是提升装配质量的瓶颈环节。传统的划线工序耗时较长、效率较低，且受工人划线水平的影响较大。从划线技术上寻求突破能对此有一定程度的改善，但并不能从根本上解决传统划线工序存在的时间消耗和误差问题。此外，划线机在工作过程中需消耗大量耗材，同时会污染环境，目前随着环境保护问题日益受重视，绿色制造的理念在船舶建造领域不断普及，降低船舶建造过程中的污染物排放具有重要意义。

针对上述船舶装配过程中存在的定位问题，本文引入激光投影定位技术，用其替代传统的划线工序。该技术能将虚拟的装配工艺信息直接投射到真实的物理世界中，为工人提供直观的安装导引。目前，激光投影技术已广泛应用于航空航天领域中，包括零部件装配定位［1-2］和复合材料铺层［3-4］等。此外，已有部分学者对激光投影技术进行改进，包括标定技术［5］、动态聚焦［6］和激光打标系统矫正［7］等。在船舶生产领域，该技术的研究正处于起步阶段，相关研究较少。本文针对该技术在船舶装配过程中的应用进行研究，以船体小组立阶段的零部件装配为研究对象，对总体技术方案、模型的转换与输出、投影设备的定位校准和零部件的装配定位进行研究论证，形成基于激光投影的船舶数字化装配方案，并通过实际的小组立装配应用验证该方案的可行性，为其后续推广奠定技术基础。

1 数字化装配流程

整个激光投影定位技术方案的数字化装配流程见图1，包括装配工艺信息准备、基准板安装就位、投影设备标定、工艺信息投影和按线装配。首先，基于三维设计软件对组立装配工艺进行设计，确定装配过程中需要的工艺信息，并将这些信息转化为投影设备可支持的数据格式。其次，将组立的基准板在指定工位就位，并通过专用的定位靶标建立投影设备空间坐标系，保证该坐标系与组立的真实坐标系一致。最后，将组立装配所需工艺信息直接投影到基准板的安装表面上，工人基于投影信息开展零部件装配作业。

图1 激光投影定位技术方案的数字化装配流程

2 装配工艺信息

在进行组立装配时，施工人员需查看的工艺信息主要包括组立名、基准板名、零件名、基准板轮廓线和零件装配定位线。目前主流的船舶三维设计软件有3D Experience（CATIA）、TRIBON和SPD等，利用这些软件的属性抽取功能可快速得到组立名、基准板名和零件名，而基准板轮廓线和零件装配定位线必须满足精准投射的需求，需通过从三维实体模型中抽取并转换得到。

由于船舶主要采用焊接的方式装配，因此在设计装配工艺时需考虑焊接之后的收缩补偿，此外还要考虑为避免出现加工误差导致材料长度不够而增加的余量。图2 为钢板余量示意图。

图2 钢板余量示意图

目前船厂在进行生产设计建模时并不会直接将上述2 类信息添加到三维模型中，因此仅对三维模型进行操作无法得到上述信息，需通过其他渠道获取。船体结构工艺设计完成之后，需为后面的套料工序提供建造工艺信息文件，该文件需结合设计知识和相关准则添加焊接收缩量和余量尺寸，其中也会包含前述组立名、基准板名和零件名等信息。对该文件进行解析并将其转换为激光投影设备操作系统支持的模型格式，从而实现投影模型重构。

3 投影设备标定

为确保工艺信息能精准投射到指定位置，在基准板安装就位之后，首先需对投影设备进行标定。标定的目的是创建投影设备的空间三维坐标系，并使其与基准板的真实坐标系保持一致。

在进行设备标定时，需获取定位参照物的坐标，参照物有2 种：第一种为零件自身的特征，如孔位；第二种为在基板上敷设的定位靶点。投影设备首先获取参照物的位置信息，在此基础上将内部模型中相同对象的位置信息与其匹配，建立一个与基准板的真实坐标系一致的空间三维坐标系，从而确定基准板在投影设备的空间坐标系中的位置。由于小组立基准板中的开孔较少，因此采用在基准板四周设置靶点的方式进行设备标定。为保证定位精度，需保证至少设置6 个定位靶点，见图3。投影设备标定内部流程见图4。

图3 投影设备标定示意

图4 投影设备标定内部流程

4 装配信息投影

完成投影设备标定之后可开展装配信息投影，为减小装配误差，提升装配质量，设备投射的光线宽度需保证小于0.5 mm。此外，投影设备所在高度为4 m，为保证投影效果，其投影角度应不大于60°，此时若目标小组立尺寸太大，单台投影设备可能无法满足需求，需配置多台设备进行组合投影，见图5。部分复杂小组立上的零件较多，需根据工艺对其进行有序装配，此时需根据装配工序进行分步投影，对工艺模型信息进行分组，当某组零件装配完成之后，隐去其定位线，进行下一组零件投影。分步投影功能融合了工序的信息，便于施工人员对复杂组立零部件进行定位。

图5 组合投影示意图

5 应用案例

根据上述分析，选择一个小组立进行激光投影装配应用，验证上述设计方案的可行性。此次应用采用的激光投影仪，其最高投射精度为0.06 mm／m，投影线宽小于等于0.5 mm，能满足小组立装配需求。投影定位的工装布置，是在基板四周共计布置6 个靶点工装，以精准捕捉零件基板的位置轮廓信息，确保设备空间坐标系与真实坐标系一致。图6 为定位线投影结果，将其与原有的划线信息相比对，发现二者的位置信息一致，工人可据此进行组立装配工作。图7 为定位线分步投影，此时仅显示当前需安装的零部件，其余零部件的装配信息已被隐藏，从而便于指导工人按序安装零部件。

图6 定位线投影结果

图7 定位线分步投影

上述激光投影装配技术的操作步骤非常简单，工人只需在现场采用定制的控制模块对投影设备下达指令，投影设备便会根据预先定义的装配步骤和工艺信息进行投影，其实用性也满足要求。根据本文的研究结果，该技术能推广应用至船舶建造的其他阶段，比如应用到舾装件安装过程中，具有良好的可推广性。

6 结 语

本文对基于激光投影的船舶数字化装配技术的应用进行了研究，主要得到以下结论：

1）形成了基于激光投影的船舶组立数字化装配技术方案。通过三维模型驱动组立装配过程，打通了设计端到制造端的数据传递。采用激光投影代替传统的组立划线进行零件装配定位，并在实际组立装配上开展应用测试，验证了该设计方案的可行性和实用性。

2）采用激光投影技术进行组立零部件定位，实现了船舶组立安装阶段船体结构的快速精准装配。同时，该技术的应用避免了机器划线带来的污染现象，契合船舶绿色制造新趋势。

3）该激光投影技术能推广应用至船舶建造的其他阶段，例如应用到舾装件安装过程中，为舾装件的安装提供精准的定位点。