基于激光跟蹤儀多站位布局的標準場參考點可靠性分析*

胡曉磊 張豐 任瑜 平少棟 / .上海市計量測試技術研究院；.中國計量大學計量測試工程學院

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的問題[1]。為解決該問題，首先要考慮如何高效、可靠地測量零件上的特征點（與工藝特性相關的點）。通過將特征點可靠的測量數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)機器人的執(zhí)行機構，以減小裝配過程中存在的偏差，進而保證總成件裝配的可靠。三維空間坐標標準場的參考點作為特征點測量的支撐，可滿足大型部件裝配中快速可靠的測量要求，因此，標準場參考點的穩(wěn)定可靠成為大型部件測量準確的前提和基礎。

結合某測量現(xiàn)場的工裝環(huán)境，三維空間坐標標準場參考點布局如圖1所示，平面中灰色標志表示地面參考點，深色標志表示型架參考點，O（ERS36）為坐標系原點。大型部件的裝配位置處在標準場一至三層空間中，該布局方案滿足三維空間坐標標準場全覆蓋工裝的測量需求。標準場參考點的分層布設情況如表1所示。此外，在采用分層布設參考點的同時，也應選擇較為穩(wěn)定的立柱或有支撐的懸梁結構等。

圖1 參考點布局

表1 標準場參考點的分層布設

1 標準場測量方案

根據(jù)標準場中參考點的分層布設情況，結合現(xiàn)場的型架布置區(qū)域，設置以下測量方案：

1）如圖2所示，在1～10站位分別架設激光跟蹤儀，交叉測量標準場中的參考點（地面參考點+型架參考點）[2-6]；

圖2 激光跟蹤儀站位布局

2）測量周期不少于6個月。

2 數(shù)據(jù)評估方案

針對測量方案中多站位獲取的測量數(shù)據(jù)，將其融合到同一坐標系中，進行測量數(shù)據(jù)的對比分析。多源數(shù)據(jù)融合模型解決了多臺儀器測得值合成結果的坐標值問題，是一個多目標優(yōu)化模型，由各個站位的儀器和測得值構成的約束方程組成[7]。基于多源數(shù)據(jù)融合模型開發(fā)了多源數(shù)據(jù)融合軟件，該軟件在Visual Studio 2013平臺下，采用C++語言開發(fā)，可實現(xiàn)組合測量中的多源數(shù)據(jù)融合。通過設置測量儀器的參數(shù)并輸入來自不同測量儀器的測量數(shù)據(jù)，由軟件自動將數(shù)據(jù)整合至同一坐標系中，計算點的坐標值并評定其測量不確定度。

按照上述實驗方法，某日期某臺激光跟蹤儀經(jīng)多站位融合后輸出的點坐標為pγk=(xγk,yγk,zγk)，其中γ表示日期，k表示參考點編號?？赏ㄟ^不同日期實測數(shù)據(jù)的各分量偏差及點位偏差進行初步分析，再利用參考點ki距坐標原點距離值的標準偏差來評估參考點的可靠性。

X/Y/Z分量均值：

式中：N——所選日期的個數(shù)

不同日期下的X/Y/Z分量偏差：

由式（2）可得參考點ki的點位偏差：

計算參考點ki距坐標原點距離值的標準偏差：

根據(jù)式（4）計算得到標準偏差Ski，設定閾值λ可評估參考點的可靠程度，即若Ski≤λ，認為該參考點狀態(tài)可靠，反之則認為該參考點存在較大波動，不建議繼續(xù)使用。

3 實驗方案實施

3.1 實驗過程

實驗周期為：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個不同時段。

3.2 實驗數(shù)據(jù)采集

在整個實驗過程中，利用SA軟件實現(xiàn)不同站位下參考點測量數(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 標準場參考點的坐標分析

選取7組不同月份的實測數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)評估方案，得到X、Y、Z的分量偏差及點位偏差，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分量偏差絕對值最大為0.692 mm（點20），Y分量偏差絕對值最大為0.525 mm（點21），Z分量偏差絕對值最大為0.440 mm（點27）；對于所有參考點而言，Z分量偏差較X、Y分量偏差離散程度大，說明標準場的Z方向較X、Y方向波動情況嚴重；地面參考點的X、Y、Z分量偏差相對于型架參考點離散程度小，具有較好的可靠性。由圖7可知，型架上的19～27號點點位偏差較標準場中的其他參考點離散程度大，偏差值最大可達到0.767 mm（點20），而其余參考點的點位偏差基本在0.2 mm左右。

圖7 點位偏差

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

圖8 參考點距離值的標準偏差

5 結語

從標準場參考點各分量偏差及點位偏差可以看出各參考點在不同維度的離散程度，而根據(jù)參考點距離值的標準偏差是否超過設定的閾值λ，可以進一步評估標準場參考點的可靠性。通過上述對比分析可知，型架參考點各分量及點位偏差的數(shù)據(jù)離散程度遠大于地面參考點，且型架上點19～27的距離值的標準偏差超過設定的閾值0.15 mm，表明該區(qū)域的參考點不可靠，建議更換該區(qū)域參考點位置或進一步分析有無影響該區(qū)域測量結果的環(huán)境因素。