基于正交試驗的激光傳感器最優位姿研究

陳 勇， 盧章平， 王浩田， 沙春發， 陳萍華， 鄭 航

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇申模數字化制造技術有限公司，江蘇 鎮江 212143)

0 引 言

隨著國內汽車市場競爭的加劇和用戶對汽車各方面性能需求的提高，汽車覆蓋件作為外觀裝飾性零件，越來越受到主機廠的重視，而相鄰兩覆蓋件接合處的間隙面差是衡量覆蓋件質量的關鍵數據，覆蓋件之間的間隙面差定量激光檢測將是今后發展的趨勢。

現有檢具僅僅能夠提供直觀定性的分析，為考慮今后發展，采用激光檢測技術可以提高檢測精度和效率，為保證激光傳感器在檢測系統中的使用性能最佳，須對激光傳感器的最優位姿進行試驗[1～4]。本文提出了一種基于正交試驗的激光傳感器最優位姿的研究方法，為激光檢測技術的進一步發展奠定了基礎。

1 試驗方案設計

對一理想條件下的理論正確元素，由激光傳感器在不同掃描條件下掃描得到的點構造出實際元素，理論正確元素和實際元素與物體上對應點絕對位置的偏離程度視為激光傳感器在該條件下的測量誤差，通過最小測量誤差來確定激光傳感器的最優位姿。在試驗方案中，由于必須要有理想條件下的理論正確元素作為參考，因此,實際中如何使被測元素盡量接近理想元素成為試驗的關鍵。平面元素加工簡單，形狀精度容易保證，且有平面度可以作為被測量,為簡化試驗過程，物體上待測面的輪廓應盡量簡單，因此,使用平面作為掃描面被測元素。考慮到一般情況下激光傳感器的精度在0.01 mm級別，因此,使用平面度達到μm級的平面來模擬理論正確元素。其中值得注意的是，平面度必須至少達到μm級，若是不限制平面度，該試驗將退化成測量平面度時位姿因素對激光傳感器精度的影響試驗，其結果將只適用于測量平面度情形，不具有一般性。

1.1 試驗設備

如圖1所示，試驗中使用了能夠夾持激光傳感器運動，并能保證定位精度的高精度數機床，能夾持金屬塊的萬能分度頭和3塊平面度至少達到μm級的長寬高為50 mm×50 mm×5 mm的金屬塊樣件，其中金屬塊表面粗糙度Ra分別為1.6,3.2,6.3 μm。

圖1 激光傳感器試驗臺

激光傳感器由激光器、激光檢測器和測量電路組成,如圖2，其工作原理是基于光學三角測量原理。激光器發出光，經透鏡形成x平面光幕，并在物體上形成一條輪廓線，鏡片收集被物體反射回來的光被信號處理器分析處理，輪廓線的長度用x軸計量，輪廓線的高低用z軸計量。

圖2 激光傳感器工作原理

1.2 試驗過程與分析

試驗分為熱穩定性試驗和激光傳感器最優位姿試驗2個過程，利用正交試驗法對粗糙度、傾斜角度和掃描距離對測量結果的準確性做定量的分析。

1.2.1 熱穩定性試驗

按照圖1所示夾持激光傳感器，選用粗糙度為3.2的平面金屬塊并固定，激光傳感器在2個方向上都不做任何傾斜，激光光束大致位于待測平面的對稱直線處，初始時使金屬塊近似位于激光傳感器的測量下限處(兩者位置最近)，在設置初始條件時注意激光傳感器不要開機，若必須開機，則試驗前必須關機等其冷卻。

激光傳感器開機，首先掃描當前位置，然后對待測平面的左右對稱區域交替輪流掃描，向兩側區域運動的距離隨機(或預先設定，必須無規律)，50 mm的掃描范圍內必須8 min左右采集1次數據，共采集20次數據，每次掃描10次，得到10組數據，構成第一個平面點云。同理，等激光傳感器冷卻后重復第一階段過程，只需改變第二階段試驗和第三階段試驗掃描位置分別為60,68 mm，3個階段完成后，熱穩定試驗結束。

1.2.2 激光傳感器最優位姿試驗

選取對試驗結果影響最大的各種因素及其水平范圍[5]，本試驗研究目的是得到各因素在各個水平下激光傳感器的最優位姿，試驗主要考慮表面粗糙度、掃描位置(距被測物體遠近)、傾斜角度3個因素，其中傾斜角度分為2種情況，掃描平面內傾斜角度和掃描平面外傾斜角度 ，如圖3(b),(c)所示[6]。考慮實際情況，2組傾角情況不相互組合，分別試驗“表面粗糙度+掃描位置+掃描平面內傾角”與“表面粗糙度+掃描位置+掃描平面外傾角”2種組合，并采用正交試驗法進行了試驗研究，獲得了正交試驗的最優結果，為實際應用激光傳感器提供了一定的理論依據。

圖3 掃描位置與掃描平面的變化

1)正交試驗

正交試驗以概率論、數理統計和實踐經驗為基礎，利用標準化正交表安排試驗方案，并對結果進行計算分析，最終迅速找到優化方案[7～9]。

2)掃描平面內傾角試驗

掃描平面內傾角試驗因素水平如表1所示，在三因素三水平下，運用表2的L9(34)正交表作為表頭，制定試驗方案。

表1 掃描面內因素水平表

表2 試驗安排表

3)掃描平面外傾角試驗

掃描平面外傾角試驗因素水平如表3所示，在混合型因素水平下，運用表4的L18(6×36)正交表作為表頭，制定試驗方案。

表3 掃描面外因素水平表

表4 試驗安排表

2 試驗數據處理分析

對2D線激光，在某一掃描條件下，通過間接測量掃描金屬塊待測平面的整個區域，得到平面的完整點云，用最小二乘法進行擬合得到平面，并計算激光掃描測量平面的平面度，該平面度結果作為激光傳感器在該掃描條件下的誤差。

激光傳感器測量得到的數據一般比較雜亂，激光測量線兩端可能出現零點，超過量程或者在間隙內會存在無效數據。因此，需要將數據進行一定的篩選并處理。試驗數據處理中，利用擬合點集中的掃描點進行最小二乘擬合直線段參數計算的公式如下

式中 (xi，yi)為擬合點集中第i個掃描點的坐標，n為擬合點集中掃描點的數量。根據最小二乘法思想，以擬合直線段端點距離擬合平面的加權距離最小為準則來計算擬合平面[11]。

2.1 熱穩定性試驗數據分析

熱穩定性試驗共進行了3次重復性試驗，每次試驗采集20組數據，時長均超過150 min。通過上述試驗數據處理方法得到如圖4～圖6。

圖4 熱穩定性試驗一

圖5 熱穩定性試驗二

圖6 熱穩定性試驗三

綜合這3次熱穩定試驗結果所得，激光傳感器不需要進行通電預熱這個過程，通電后就可以達到其穩定工作狀態。

2.2 激光傳感器最優位姿試驗數據分析

激光傳感器最優位姿試驗數據分析分為掃描面內試驗結果與極差分析和掃描面外試驗結果與極差分析兩部分。

1)掃描面內試驗結果與極差分析

處理的掃描面內誤差試驗結果如表5所列。

表5 面內誤差試驗結果(mm)

掃描面內極差分析結果如表6所列。

表6 面內極差分析表(mm)

根據正交設計的特性，對A1,A2,A3來說，3組試驗的試驗條件是完全一樣的(綜合可比性)，可進行直接比較。如果因素A對試驗指標無影響時，那么，均值1、均值2、均值3應該相等，由表6可見均值1、均值2、均值3實際上不相等。說明A因素的水平變動對試驗結果有影響。因此，根據均值1、均值2、均值3的大小可以判斷A1,A2,A3對試驗指標的影響大小。由于試驗指標為表面粗糙度，而均值1>均值3>均值2，且均值2、均值3值相近，所以，可斷定A2或A3為A因素的優水平。同理，可以計算并確定B2,C2分別為B,C因素的優水平。3個因素的優水平組合A2B2C2 或A3B2C2為掃描面內試驗的最優水平組合，即表面粗糙度Ra為3.2或6.3，傾斜角度(掃描面內)為-10° ，激光掃描遠近距離在60 mm級。

根據極差R大小，可以判斷因素的主次影響順序，R越大，表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，因素越重要。表6結果可見RC>RB>RA，所以,因素對試驗指標影響的主→次順序是C，B，A。即距離遠近影響最大，其次是傾斜角度(掃描面內)，而表面粗糙度Ra的影響較小。

2)掃描面外試驗結果與極差分析

處理的掃描面外誤差試驗結果如表7所列,掃描面外極差分析結果如表8所列。

具體分析方法同掃描面內試驗分析，計算結果如表9所示。可斷定A2,B2,C2分別為A,B,C因素的優水平。3個因素的優水平組合A2B2C2為掃描面外試驗的最優水平組合，即表面粗糙度Ra為3.2，傾斜角度(掃描面外)為-40°，激光掃描遠近距離在60 mm。

表7 面外誤差試驗結果(mm)

當因素水平完全相同時，因素的主次關系完全由極差R的大小來決定。當水平數不完全一樣時，無法進行直接的比較，這是因為當因素對指標有同等影響時，水平多的因素極差應大一些,因此,需要利用折算系數對極差進行折算。折算后，則可借助于R′的大小來衡量因素的主次順序。

表8 面外極差分析表(mm)

表9 折算系數表

3 結 論

試驗了激光傳感器的熱穩定性和運用正交試驗設計

對非接觸式激光傳感器的最優位姿的影響，將工件表面粗糙度、掃描位置(距被測物體遠近)、傾斜角度作為變量進行試驗[12]。試驗結果證明：激光傳感器開機準備活動對其掃描的準確性沒有影響，激光傳感器在特定的傾斜角度(即掃描面內為-10°和掃描面外為-40°)和掃描距離在激光傳感器測量范圍中間位置時，才能達到最佳使用性能。本研究為自主研發激光檢測系統提供了試驗參考，為企業實際應用提供了理論依據，具有一定工程應用價值。

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