胡曉磊 張豐 任瑜 平少棟 / .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院

0 引言

如何將零件快速可靠地拼接成總成件是大型部件裝配中最常見(jiàn)的問(wèn)題[1]。為解決該問(wèn)題，首先要考慮如何高效、可靠地測(cè)量零件上的特征點(diǎn)（與工藝特性相關(guān)的點(diǎn)）。通過(guò)將特征點(diǎn)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以減小裝配過(guò)程中存在的偏差，進(jìn)而保證總成件裝配的可靠。三維空間坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的參考點(diǎn)作為特征點(diǎn)測(cè)量的支撐，可滿足大型部件裝配中快速可靠的測(cè)量要求，因此，標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)的穩(wěn)定可靠成為大型部件測(cè)量準(zhǔn)確的前提和基礎(chǔ)。

結(jié)合某測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的工裝環(huán)境，三維空間坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)布局如圖1所示，平面中灰色標(biāo)志表示地面參考點(diǎn)，深色標(biāo)志表示型架參考點(diǎn)，O（ERS36）為坐標(biāo)系原點(diǎn)。大型部件的裝配位置處在標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)一至三層空間中，該布局方案滿足三維空間坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)全覆蓋工裝的測(cè)量需求。標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)的分層布設(shè)情況如表1所示。此外，在采用分層布設(shè)參考點(diǎn)的同時(shí)，也應(yīng)選擇較為穩(wěn)定的立柱或有支撐的懸梁結(jié)構(gòu)等。

圖1 參考點(diǎn)布局

表1 標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)的分層布設(shè)

1 標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)測(cè)量方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)中參考點(diǎn)的分層布設(shè)情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的型架布置區(qū)域，設(shè)置以下測(cè)量方案：

1）如圖2所示，在1～10站位分別架設(shè)激光跟蹤儀，交叉測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)中的參考點(diǎn)（地面參考點(diǎn)+型架參考點(diǎn)）[2-6]；

圖2 激光跟蹤儀站位布局

2）測(cè)量周期不少于6個(gè)月。

2 數(shù)據(jù)評(píng)估方案

針對(duì)測(cè)量方案中多站位獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)，將其融合到同一坐標(biāo)系中，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。多源數(shù)據(jù)融合模型解決了多臺(tái)儀器測(cè)得值合成結(jié)果的坐標(biāo)值問(wèn)題，是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化模型，由各個(gè)站位的儀器和測(cè)得值構(gòu)成的約束方程組成[7]?；诙嘣磾?shù)據(jù)融合模型開(kāi)發(fā)了多源數(shù)據(jù)融合軟件，該軟件在Visual Studio 2013平臺(tái)下，采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)組合測(cè)量中的多源數(shù)據(jù)融合。通過(guò)設(shè)置測(cè)量?jī)x器的參數(shù)并輸入來(lái)自不同測(cè)量?jī)x器的測(cè)量數(shù)據(jù)，由軟件自動(dòng)將數(shù)據(jù)整合至同一坐標(biāo)系中，計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)值并評(píng)定其測(cè)量不確定度。

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，某日期某臺(tái)激光跟蹤儀經(jīng)多站位融合后輸出的點(diǎn)坐標(biāo)為pγk=(xγk,yγk,zγk)，其中γ表示日期，k表示參考點(diǎn)編號(hào)?？赏ㄟ^(guò)不同日期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的各分量偏差及點(diǎn)位偏差進(jìn)行初步分析，再利用參考點(diǎn)ki距坐標(biāo)原點(diǎn)距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)估參考點(diǎn)的可靠性。

X/Y/Z分量均值：

式中：N——所選日期的個(gè)數(shù)

不同日期下的X/Y/Z分量偏差：

由式（2）可得參考點(diǎn)ki的點(diǎn)位偏差：

計(jì)算參考點(diǎn)ki距坐標(biāo)原點(diǎn)距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

根據(jù)式（4）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)偏差Ski，設(shè)定閾值λ可評(píng)估參考點(diǎn)的可靠程度，即若Ski≤λ，認(rèn)為該參考點(diǎn)狀態(tài)可靠，反之則認(rèn)為該參考點(diǎn)存在較大波動(dòng)，不建議繼續(xù)使用。

3 實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)周期為：2019年12月5日～2021年6月11日，其中有效數(shù)據(jù)13組，涵蓋了8個(gè)不同時(shí)段。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用SA軟件實(shí)現(xiàn)不同站位下參考點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，截取的部分工程案例如圖3所示。

圖3 工程案例（截取部分）

4 標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)的坐標(biāo)分析

選取7組不同月份的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)評(píng)估方案，得到X、Y、Z的分量偏差及點(diǎn)位偏差，如圖4～6所示。

圖4 X分量偏差

圖5 Y分量偏差

圖6 Z分量偏差

由圖4～6可知：X分量偏差絕對(duì)值最大為0.692 mm（點(diǎn)20），Y分量偏差絕對(duì)值最大為0.525 mm（點(diǎn)21），Z分量偏差絕對(duì)值最大為0.440 mm（點(diǎn)27）；對(duì)于所有參考點(diǎn)而言，Z分量偏差較X、Y分量偏差離散程度大，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的Z方向較X、Y方向波動(dòng)情況嚴(yán)重；地面參考點(diǎn)的X、Y、Z分量偏差相對(duì)于型架參考點(diǎn)離散程度小，具有較好的可靠性。由圖7可知，型架上的19～27號(hào)點(diǎn)點(diǎn)位偏差較標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)中的其他參考點(diǎn)離散程度大，偏差值最大可達(dá)到0.767 mm（點(diǎn)20），而其余參考點(diǎn)的點(diǎn)位偏差基本在0.2 mm左右。

圖7 點(diǎn)位偏差

各參考點(diǎn)距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖8所示，地面參考點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差整體小于型架參考點(diǎn)，因此，地面參考點(diǎn)更為可靠。此外，僅對(duì)于型架參考點(diǎn)而言，一層的參考點(diǎn)最可靠，二層、三層參考點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于一層。本文設(shè)定閾值λ= 0.15 mm，經(jīng)對(duì)比分析可知，型架二層及三層的點(diǎn)19～27超出該閾值，因此，這些參考點(diǎn)的可靠程度較低，不建議后續(xù)繼續(xù)使用。

圖8 參考點(diǎn)距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

5 結(jié)語(yǔ)

從標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)各分量偏差及點(diǎn)位偏差可以看出各參考點(diǎn)在不同維度的離散程度，而根據(jù)參考點(diǎn)距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差是否超過(guò)設(shè)定的閾值λ，可以進(jìn)一步評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)參考點(diǎn)的可靠性。通過(guò)上述對(duì)比分析可知，型架參考點(diǎn)各分量及點(diǎn)位偏差的數(shù)據(jù)離散程度遠(yuǎn)大于地面參考點(diǎn)，且型架上點(diǎn)19～27的距離值的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過(guò)設(shè)定的閾值0.15 mm，表明該區(qū)域的參考點(diǎn)不可靠，建議更換該區(qū)域參考點(diǎn)位置或進(jìn)一步分析有無(wú)影響該區(qū)域測(cè)量結(jié)果的環(huán)境因素。