三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)規(guī)范中參量確定的方法

柳 靜，李 明，詹高偉，肖武華，韋慶玥

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

引 言

三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)是指采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與激光掃描測(cè)頭相結(jié)合的方式進(jìn)行非接觸式測(cè)量，既集成了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接等眾多優(yōu)點(diǎn)［1］，又具備激光測(cè)量非接觸、測(cè)量速度快、工作距離長(zhǎng)、表面特性要求低等特點(diǎn)，在白車身制造測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)的原理是通過(guò)向被測(cè)物體表面發(fā)射一聚集光束，在被測(cè)工件表面上形成具有某一特定形狀的光點(diǎn)、窄細(xì)光帶與其它形式結(jié)構(gòu)光，然后根據(jù)反射光斑在傳感器上的位置信息及傳感器與投射光束間的幾何參量計(jì)算測(cè)量物體的3維坐標(biāo)信息［2］，屬于光學(xué)測(cè)量的一種，對(duì)被測(cè)工件的表面反射與漫反射有一定要求。透光性好、反射率低的玻璃等透明材質(zhì)或是吸收光性很好的黑色都會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響，必要時(shí)，需要噴涂專門的顯影劑以增強(qiáng)反射光線［3］。

目前，上海某汽車公司采用三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行白車身幾何量的測(cè)量檢測(cè)工作，軟件配套PCDMIS(HEXAGON公司的一款測(cè)量軟件)。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，出現(xiàn)如下一些問(wèn)題:(1)汽車鈑金件相對(duì)較軟、較薄，成型后會(huì)有殘余應(yīng)力，形狀不太規(guī)則，在裝夾定位時(shí)，夾具產(chǎn)生的夾持力一定程度上也會(huì)導(dǎo)致鈑金件的變形;(2)車門圖紙復(fù)雜，一些鈑金零部件基準(zhǔn)狀態(tài)不理想，外加測(cè)量人員的專業(yè)素質(zhì)參差不齊，出現(xiàn)諸如基準(zhǔn)建立準(zhǔn)則、測(cè)量參量設(shè)置不統(tǒng)一等問(wèn)題，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果難以比對(duì)(包括坐標(biāo)測(cè)量機(jī)之間、各種坐標(biāo)測(cè)量方法之間、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與傳統(tǒng)測(cè)量方法、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與檢具之間)［4］;(3)對(duì)于復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)，測(cè)量的不確定度難以評(píng)估，測(cè)量人員和管理人員不能達(dá)成統(tǒng)一的意見(jiàn)，測(cè)量效率降低，在一定程度上影響了產(chǎn)品的研發(fā)、制造和質(zhì)量保障的整個(gè)過(guò)程。

為了解決這一棘手的問(wèn)題，制定切實(shí)可行的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范迫在眉睫。本文中以PC-DMIS軟件為依托，尋找三坐標(biāo)激光測(cè)量中的影響因素，通過(guò)驗(yàn)證三坐標(biāo)激光測(cè)量過(guò)程中的精度問(wèn)題以及自身測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性和再現(xiàn)性，設(shè)置一致的測(cè)量參量，執(zhí)行統(tǒng)一的測(cè)量方法，最大程度地降低測(cè)量的不確定度，得到最佳測(cè)量參量組合，獲得較好的測(cè)量效果，進(jìn)而提高白車身的檢測(cè)效率，推動(dòng)生產(chǎn)穩(wěn)定高效進(jìn)行。

1 三坐標(biāo)激光測(cè)量技術(shù)說(shuō)明

圖1是三坐標(biāo)激光測(cè)量的整個(gè)流程圖。模式選擇常用的有曲面掃描、開線掃描、測(cè)量模式等，其中開線掃描是最簡(jiǎn)單的掃描方式，激光掃描測(cè)頭從起始點(diǎn)開始，沿一定方向并按預(yù)定步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，直至終止點(diǎn)。一般用于零件上某一截面中某一段曲線的測(cè)量。參量設(shè)置主要有激光頭的掃描速率、頻率，測(cè)量時(shí)激光頭的角度、景深。

Fig.1 Flow of three coordinate laser measurement

本文中重點(diǎn)研究測(cè)量參量選取及其配置問(wèn)題，并比較3種測(cè)量模式的不同。

2 三坐標(biāo)激光測(cè)量試驗(yàn)

2．1 參量選取方法

三坐標(biāo)激光測(cè)量過(guò)程中，由于影響因素眾多，數(shù)據(jù)的不確定度較大，如果采用常用的列表或描圖的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，將會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)繁瑣復(fù)雜，效率低下。鑒于試驗(yàn)周期緊迫、試驗(yàn)成本有限，綜合考慮采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。一是可以節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間;二是能夠明確影響試驗(yàn)指標(biāo)各因素的主次順序，即了解哪些因素重要，哪些因素次要;三是可以迅速找到優(yōu)化方案，盡快獲得最佳參量組合，達(dá)到最好的測(cè)量效果;四是通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以進(jìn)一步指明試驗(yàn)的方向，克服盲目性等等。根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，使用合理的水平互相匹配進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)將會(huì)遠(yuǎn)小于每種情況考慮后的試驗(yàn)次數(shù)。以四因素三水平為例，將全部因素全部水平完全搭配要進(jìn)行34=81次試驗(yàn)，而正交實(shí)驗(yàn)法僅僅需要9次。這些有代表性的點(diǎn)具備了均衡分散，齊整可比的特點(diǎn)，可以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

一般來(lái)說(shuō)，正交試驗(yàn)的步驟可分為6步，如圖2所示。其中正交表的設(shè)計(jì)是否周全合理決定著試驗(yàn)本身是否成功有效。運(yùn)用這種方法可以達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本、迅速找到優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)最大效益的目的。

Fig.2 Flow of orthogonal test

2．2 正交實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

三坐標(biāo)激光測(cè)量屬于光學(xué)測(cè)量，對(duì)工件表面的漫反射有一定要求，如何通過(guò)設(shè)置參量選項(xiàng)，獲取到最佳的點(diǎn)云，是試驗(yàn)的關(guān)鍵之處。激光頭的掃描速率和頻率決定了激光的發(fā)射點(diǎn)數(shù)，激光頭的角度直接影響激光的反射接收程度，景深是激光頭與被測(cè)工件表面的距離，也會(huì)影響到激光測(cè)量的精度。綜合時(shí)間、成本、人力等考慮，實(shí)驗(yàn)中采用四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)方案。

第1步:明確試驗(yàn)?zāi)康?，確定考查目標(biāo)。

三坐標(biāo)激光測(cè)量的試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)一系列合理的試驗(yàn)，得到最佳測(cè)量效果下的各影響因素的水平組合。試驗(yàn)對(duì)象為上海某汽車廠生產(chǎn)的白車身樣件。

第2步:確定因素、選取水平、制定因素水平表。

因素水平表見(jiàn)表1。

Table 1 Factor and level table

對(duì)表1中部分因素水平說(shuō)明見(jiàn)下。

(1)三坐標(biāo)激光測(cè)量機(jī)的操作手柄共有10檔速率可供選擇，通常會(huì)用百分比的形式表示快慢，檔數(shù)越小，表示速率越慢。即1檔速率表示為10%，以此類推，10檔速率表示為100%，為最快速率。

(2)景深水平的具體位置見(jiàn)圖3所示。

Fig.3 Depth-of-field position

(3)三坐標(biāo)激光測(cè)量是建立在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)之上，角度分為兩種情況:其中A軸分度為0°～105°，B 軸分度為 -180°～180°，每 7.5°為一個(gè)增量［5］。在供應(yīng)商推薦的垂直于被測(cè)工件表面的角度為中心，上下浮動(dòng)兩個(gè)角度。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)以被測(cè)工件表面的法矢方向?yàn)橐罁?jù)，酌情進(jìn)行角度的選擇。

第3步:選用合適的正交表進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)。

根據(jù)四因素三水平，選正交表L9(34)較為合適。此表有4列，可以填入4個(gè)因素，只需做9次試驗(yàn)。將速率、頻率、景深、角度4個(gè)因素隨機(jī)填在表的4個(gè)列的上方，排定表頭，如表2所示。

表2 中各列的數(shù)字“1”，“2”，“3”分別代表該列所填因素的相應(yīng)水平(見(jiàn)表1)，每1行就是1個(gè)試驗(yàn)方案。例如序號(hào)為1的第1行就是1號(hào)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為:速率20%，頻率5Hz，最大景深處，角度A90°B165°。以此類推。

Table 2 Orthogonal factor table

Fig.4 Analysis chart of measurment results

第4步:確定試驗(yàn)方案，做正交試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果;嚴(yán)格按照表中排定的試驗(yàn)條件來(lái)進(jìn)行。

第5步:計(jì)算分析試驗(yàn)結(jié)果，選取優(yōu)化方案。

試驗(yàn)結(jié)果的分析主要有直觀分析法，極差分析法，方差分析法3種方法。其中，直觀分析法又分為觀察法和圖示法兩種［6］。

本次試驗(yàn)的目的是獲得最佳激光測(cè)量參量組合，主要考察激光測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性與再現(xiàn)性，沒(méi)有一個(gè)具象的判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于被測(cè)工件的真值是未知的，無(wú)法進(jìn)行誤差的比較?，F(xiàn)行的測(cè)量設(shè)備中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度最高，可達(dá)2μm～5μm，選取其作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。按照試驗(yàn)條件獲取被測(cè)工件的測(cè)量數(shù)據(jù)，與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到誤差值。激光測(cè)量效果的好壞可以由這樣的誤差值進(jìn)行量化的判斷，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差越小，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，說(shuō)明激光測(cè)量的效果越好。因?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象較多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是相當(dāng)眾多，繪制相關(guān)的數(shù)據(jù)分析圖，在一定程度上可以減少工作量，提高效率，且具有極高的可靠性。所以，最終決定用直觀分析法中的圖示法來(lái)選擇最佳激光測(cè)量參量組合。

如圖4所示，速率以20%，60%，100%這3種模式對(duì)工件的同一被測(cè)要素進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4a所示，速率本身對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不大，考慮到實(shí)際工況下測(cè)量效率的保證，最終選擇100%的速率。圖4b中頻率為30Hz時(shí)測(cè)量效果最佳，所以最終選用水平3。圖4c中最佳景深時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，穩(wěn)定性好。圖4d中試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，垂直于工件本身的角度最有利于測(cè)量。但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)角度選擇多達(dá)720種，僅僅3個(gè)角度不足以說(shuō)明問(wèn)題，需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

第6步:驗(yàn)證試驗(yàn)，確定最佳方案［7］。

在4個(gè)因素當(dāng)中，角度的影響最為顯著。選擇(A60°B180°)，(A67．5°B180°)，(A75°B180°)，(A105°B180°)，(A90°B142．5°)，(A90°B157．5°)，(A90°B165°)，(A90°B135°)，(A90°B180°)等 9 種角度進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)處理按照前面所講的方法，如圖5所示。

不難發(fā)現(xiàn)，在垂直于被測(cè)工件表面的角度下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與重復(fù)性最好，偏差也最小。進(jìn)一步說(shuō)明A90°B180°是角度因素的最好水平。

Fig.5 Angle chart

此外，還驗(yàn)證了槽類特征測(cè)量模式的選擇問(wèn)題。因諸如點(diǎn)、線、面、圓、圓柱、圓錐、球，廣義上講是無(wú)方向性的，而槽類特征存在長(zhǎng)軸、短軸等明顯方向性指標(biāo)，對(duì)測(cè)量條件的要求會(huì)更苛刻一些。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量時(shí)激光線沿著長(zhǎng)軸或短軸方向，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)較不理想，有時(shí)甚至測(cè)量不出。

另外，在自動(dòng)測(cè)量、曲面掃描、開線掃描3種模式下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也存在差異。原因在于測(cè)量模式的路徑固定，與被測(cè)工件擺放的位置密切相關(guān)，需要刻意避開與兩邊線向相同的方向。實(shí)際工況下，白車身上的槽類特征角度各異，不可能顧及到全部槽類特征的位置問(wèn)題，如此將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不理想、不真實(shí)、不可靠的問(wèn)題。開線掃描因其掃描范圍小，激光反射回的點(diǎn)數(shù)不夠等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整，有時(shí)甚至測(cè)量無(wú)效的情況。曲面掃描可以彌補(bǔ)以上兩種測(cè)量模式的不足，激光反射點(diǎn)數(shù)充足，有效數(shù)據(jù)較多，測(cè)量結(jié)果對(duì)激光線的角度要求較弱，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，偏差較穩(wěn)定，基本在±0.03mm以內(nèi)。

Fig.6 Mode chart

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知:速率選取本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的第10檔最快速率、頻率選取30Hz、最佳景深、垂直于被測(cè)工件表面的角度，此時(shí)三坐標(biāo)激光測(cè)量能取得較好的測(cè)量效果;利用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)三坐標(biāo)激光測(cè)量的參量進(jìn)行優(yōu)化選擇，能夠在較小工作量的前提下達(dá)到較好的測(cè)量結(jié)果，參量選擇從定性跨越至定量，可以有效改善三坐標(biāo)激光測(cè)量過(guò)程中選參難的問(wèn)題，是生產(chǎn)過(guò)程中白車身質(zhì)量控制的可靠有力保證。

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