三坐標激光測量技術規范中參量確定的方法

柳 靜，李 明，詹高偉，肖武華，韋慶玥

(上海大學機電工程與自動化學院，上海200072)

引 言

三坐標激光測量技術是指采用三坐標測量機與激光掃描測頭相結合的方式進行非接觸式測量，既集成了三坐標測量機通用性強、測量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統相連接等眾多優點［1］，又具備激光測量非接觸、測量速度快、工作距離長、表面特性要求低等特點，在白車身制造測量領域發揮著重要作用。

三坐標激光測量技術的原理是通過向被測物體表面發射一聚集光束，在被測工件表面上形成具有某一特定形狀的光點、窄細光帶與其它形式結構光，然后根據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算測量物體的3維坐標信息［2］，屬于光學測量的一種，對被測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或是吸收光性很好的黑色都會對測量造成一定的影響，必要時，需要噴涂專門的顯影劑以增強反射光線［3］。

目前，上海某汽車公司采用三坐標激光測量技術進行白車身幾何量的測量檢測工作，軟件配套PCDMIS(HEXAGON公司的一款測量軟件)。實際測量過程中，出現如下一些問題:(1)汽車鈑金件相對較軟、較薄，成型后會有殘余應力，形狀不太規則，在裝夾定位時，夾具產生的夾持力一定程度上也會導致鈑金件的變形;(2)車門圖紙復雜，一些鈑金零部件基準狀態不理想，外加測量人員的專業素質參差不齊，出現諸如基準建立準則、測量參量設置不統一等問題，從而導致測量結果難以比對(包括坐標測量機之間、各種坐標測量方法之間、坐標測量機與傳統測量方法、坐標測量機與檢具之間)［4］;(3)對于復雜的測量任務，測量的不確定度難以評估，測量人員和管理人員不能達成統一的意見，測量效率降低，在一定程度上影響了產品的研發、制造和質量保障的整個過程。

為了解決這一棘手的問題，制定切實可行的測量標準和規范迫在眉睫。本文中以PC-DMIS軟件為依托，尋找三坐標激光測量中的影響因素，通過驗證三坐標激光測量過程中的精度問題以及自身測量結果的復現性和再現性，設置一致的測量參量，執行統一的測量方法，最大程度地降低測量的不確定度，得到最佳測量參量組合，獲得較好的測量效果，進而提高白車身的檢測效率，推動生產穩定高效進行。

1 三坐標激光測量技術說明

圖1是三坐標激光測量的整個流程圖。模式選擇常用的有曲面掃描、開線掃描、測量模式等，其中開線掃描是最簡單的掃描方式，激光掃描測頭從起始點開始，沿一定方向并按預定步長進行掃描，直至終止點。一般用于零件上某一截面中某一段曲線的測量。參量設置主要有激光頭的掃描速率、頻率，測量時激光頭的角度、景深。

Fig.1 Flow of three coordinate laser measurement

本文中重點研究測量參量選取及其配置問題，并比較3種測量模式的不同。

2 三坐標激光測量試驗

2．1 參量選取方法

三坐標激光測量過程中，由于影響因素眾多，數據的不確定度較大，如果采用常用的列表或描圖的方法對實驗數據進行定性分析，將會導致實驗設計繁瑣復雜，效率低下。鑒于試驗周期緊迫、試驗成本有限，綜合考慮采用正交實驗法進行試驗。一是可以節省大量的人力、物力、財力和時間;二是能夠明確影響試驗指標各因素的主次順序，即了解哪些因素重要，哪些因素次要;三是可以迅速找到優化方案，盡快獲得最佳參量組合，達到最好的測量效果;四是通過試驗結果分析，可以進一步指明試驗的方向，克服盲目性等等。根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，使用合理的水平互相匹配進行試驗，試驗次數將會遠小于每種情況考慮后的試驗次數。以四因素三水平為例，將全部因素全部水平完全搭配要進行34=81次試驗，而正交實驗法僅僅需要9次。這些有代表性的點具備了均衡分散，齊整可比的特點，可以保證試驗的準確性。

一般來說，正交試驗的步驟可分為6步，如圖2所示。其中正交表的設計是否周全合理決定著試驗本身是否成功有效。運用這種方法可以達到減少試驗次數、縮短試驗周期、降低試驗成本、迅速找到優化方案，實現最大效益的目的。

Fig.2 Flow of orthogonal test

2．2 正交實驗步驟與結果分析

三坐標激光測量屬于光學測量，對工件表面的漫反射有一定要求，如何通過設置參量選項，獲取到最佳的點云，是試驗的關鍵之處。激光頭的掃描速率和頻率決定了激光的發射點數，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工件表面的距離，也會影響到激光測量的精度。綜合時間、成本、人力等考慮，實驗中采用四因素三水平的正交實驗方案。

第1步:明確試驗目的，確定考查目標。

三坐標激光測量的試驗目的是通過一系列合理的試驗，得到最佳測量效果下的各影響因素的水平組合。試驗對象為上海某汽車廠生產的白車身樣件。

第2步:確定因素、選取水平、制定因素水平表。

因素水平表見表1。

Table 1 Factor and level table

對表1中部分因素水平說明見下。

(1)三坐標激光測量機的操作手柄共有10檔速率可供選擇，通常會用百分比的形式表示快慢，檔數越小，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圖3所示。

Fig.3 Depth-of-field position

(3)三坐標激光測量是建立在三坐標測量機的基礎之上，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°為一個增量［5］。在供應商推薦的垂直于被測工件表面的角度為中心，上下浮動兩個角度。實際應用過程中，應以被測工件表面的法矢方向為依據，酌情進行角度的選擇。

第3步:選用合適的正交表進行表頭設計。

根據四因素三水平，選正交表L9(34)較為合適。此表有4列，可以填入4個因素，只需做9次試驗。將速率、頻率、景深、角度4個因素隨機填在表的4個列的上方，排定表頭，如表2所示。

表2 中各列的數字“1”，“2”，“3”分別代表該列所填因素的相應水平(見表1)，每1行就是1個試驗方案。例如序號為1的第1行就是1號試驗，試驗條件為: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:確定試驗方案，做正交試驗，記錄試驗結果;嚴格按照表中排定的試驗條件來進行。

第5步:計算分析試驗結果，選取優化方案。

試驗結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］。

本次試驗的目的是獲得最佳激光測量參量組合，主要考察激光測量數據的重復性與再現性，沒有一個具象的判斷標準。由于被測工件的真值是未知的，無法進行誤差的比較。現行的測量設備中，三坐標測量機的精度最高，可達2μm～5μm，選取其作為比對標準。按照試驗條件獲取被測工件的測量數據，與三坐標測量機上獲取的數據進行比較，得到誤差值。激光測量效果的好壞可以由這樣的誤差值進行量化的判斷，即試驗數據的誤差越小，數據越穩定，說明激光測量的效果越好。因為試驗對象較多，試驗數據也是相當眾多，繪制相關的數據分析圖，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選擇最佳激光測量參量組合。

如圖4所示，速率以20%，60%，100%這3種模式對工件的同一被測要素進行測量，實驗數據如圖4a所示，速率本身對測量結果的影響不大，考慮到實際工況下測量效率的保證，最終選擇100%的速率。圖4b中頻率為30Hz時測量效果最佳，所以最終選用水平3。圖4c中最佳景深時測量數據準確性高，穩定性好。圖4d中試驗數據表明，垂直于工件本身的角度最有利于測量。但三坐標測量機角度選擇多達720種，僅僅3個角度不足以說明問題，需要做進一步的驗證。

第6步:驗證試驗，確定最佳方案［7］。

在4個因素當中，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 種角度進行驗證，數據處理按照前面所講的方法，如圖5所示。

不難發現，在垂直于被測工件表面的角度下，實驗數據穩定性與重復性最好，偏差也最小。進一步說明A90°B180°是角度因素的最好水平。

Fig.5 Angle chart

此外，還驗證了槽類特征測量模式的選擇問題。因諸如點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球，廣義上講是無方向性的，而槽類特征存在長軸、短軸等明顯方向性指標，對測量條件的要求會更苛刻一些。經過試驗發現，測量時激光線沿著長軸或短軸方向，所得試驗數據較不理想，有時甚至測量不出。

另外，在自動測量、曲面掃描、開線掃描3種模式下，試驗數據也存在差異。原因在于測量模式的路徑固定，與被測工件擺放的位置密切相關，需要刻意避開與兩邊線向相同的方向。實際工況下，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題，如此將會導致測量數據不理想、不真實、不可靠的問題。開線掃描因其掃描范圍小，激光反射回的點數不夠等因素導致數據不完整，有時甚至測量無效的情況。曲面掃描可以彌補以上兩種測量模式的不足，激光反射點數充足，有效數據較多，測量結果對激光線的角度要求較弱，測量結果如圖6所示，偏差較穩定，基本在±0.03mm以內。

Fig.6 Mode chart

3 結論

根據試驗結果可知:速率選取本實驗設置的第10檔最快速率、頻率選取30Hz、最佳景深、垂直于被測工件表面的角度，此時三坐標激光測量能取得較好的測量效果;利用正交實驗法對三坐標激光測量的參量進行優化選擇，能夠在較小工作量的前提下達到較好的測量結果，參量選擇從定性跨越至定量，可以有效改善三坐標激光測量過程中選參難的問題，是生產過程中白車身質量控制的可靠有力保證。

［1］ LI H Q.Application of coordinate measuring technology in automobile industry［D］.Tianjin:Tianjin University，2004:1-2(in Chinese).

［2］ LIU Y F.Study on the key techniques for autobody parts measurement with laser triangulation［D］.Jilin:Jilin University，2007:8-10(in Chinese).

［3］ LI M，FEI L N.Geometric coordinate measurement technology and application［M］.Beijing:China Zhijian Publishing House，2012:151-152(in Chinese).

［4］ CAO X.Study on the key techniques for autobody measurement specification［D］.Shanghai:Shanghai University，2013:6-7(in Chinese).

［5］ ZHANG G Y，SUN T X，WANG L Y.Theoretical analysis on the three coordinate measuring system［J］.Journal of Mechanical Engineering，2007，20(2):101-103(in Chinese).

［6］ XU Z A，WANG T B，LI Ch Y，et al.Introduction of orthogonal experiment［J］.Sci-Tech Information Development ＆ Economy，2002，12(5):148-150(in Chinese).

［7］ DONG C Q.Orthogonal experiment［J］.Yuncheng College Journal，1993(4):17-19(in Chinese).