[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】评估用于汽车尺寸检测的多传感器水平双臂坐标测量机-中文翻译

C H A N G C H U N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y Evaluation of a multi-sensor horizontal dual arm Coordinate Measuring Machine for automotive dimensional inspection 用于汽车尺寸检测的多传感器水平双臂坐标测量机 资料来源： This article is published with open access at S 学院名称： 机电工程学院 专业名称： 机械电子工程 班级名称： 机电 1241 学 号： 1202431121 指导教师： 王华 教师职称： 教授 完成时间： 2016.04.01 2016 年 4 月 01 日 1评估用于汽车尺寸检测的多传感器水平双臂坐标测量机 格伦 A.特利 .艾茨汉卡拉茨 .艾伦欧力冯 . 亚历克斯阿特里奇 .玛农 K 迪瓦瑞 .马克 A.威廉姆斯 收到： 8 十一月 2013 /接受： 23 二月 2014 /出版： 30 月 2014 日 作者（ S） 2014。这篇文章发表在 S 网站的开放区。 摘要 多传感器坐标测量机（三坐标测量机）拥有一个触摸触发探测器的精度的激光扫描仪，拥有超过现有的三坐标测量机系统的性能优势。不过在用这些系统之前，更重要的是对这它在随机和系统误差的预期应用进行评价。目前，多传感器坐标测量机，特别是激光扫描仪，并没有用于评估汽车环境中。本研究中使用的是全面的数控加工金属片车体，评估使用多传感器卧式双臂式坐标测量机临界表面点的测量协议和可重复性的物理表示量。研究发现，在使用不同的探测系统时，三坐标系之间存在着部分坐标系的误差。然而，最显着的影响测量误差是表面特征的空间位置。因此，对于每一个功能的汽车组件，测量协议和可重复性，必须单独确定访问其可接受的测量与激光扫描仪，以提高三坐标测量机的使用率，或提高触摸触发探头的精度。 1 介绍 准确的测量是非常重要的，能够监测生产过程，并确保符合设计规范。在汽车工业中，通常使用一个坐标测量机来检验关键尺寸和几何公差。传统上，因为完善的校准过程和能准确地测量不确定度，触摸触发探测器已被采用作为三坐标测量机的检测机制。最近，由于在非接触式激光三角测量传感器精度提高，测量机同时拥有接触式和非接触式传感系统越来越普遍。它的数字化，通常称为激光扫描，提供了以触发方法的优点，测量速度快，分辨率高，防止检查在非接触式测量中的局部变形。这三个在为汽车制造商提供改进的三坐标测量机的使用，更好地估计的特征特性以及测量的有效性，防止金属和塑料部2件位移在检查过程中都是非常重要的。三坐标测量机的使用率是特别感兴趣的领域，因为更高的测量吞吐量将提供一个更好的估计过程的能力，并防止需要做进一步的三坐标测量。然而，当激光扫描是建立在逆向工程领域，自由曲面的检测时，对测量的不确定性知识的缺乏意味着他们使用的机械零件尺寸控制是日益有限的。特别对大容量的组件，如汽车组件，测量精度取决于表面材料和几何元素，必须测量。这两个因素影响激光扫描仪测量不确定度的技术是敏感的问题，如颜色，表面粗糙度和反射率，不影响触觉测量。然而，人们已经认识到，通过激光扫描仪提供了更大的点密度可以更好的条件拟合算法特性如直径或中心点的球体或圆。多传感器数据融合，它结合了数据从 2 个或多个传感器在一个共同的空间代表性的格式，已被提出作为一种方式来提供更大的测量信息，同时保持或提高测量的不确定性。因此，利用触发式测头和激光扫描仪连接相结合，提供准确的精度，速度以及测量人工制品表面的详细信息。然而，由于激光扫描仪的测量不确定度的人工制品被扫描和特定的表面特征所影响，及对多传感器测量需要的目的相关的评价。因此，本研究的主要目的是利用汽车产品评价激光扫描在汽车车身尺寸检测的传感器解决方案的一部分的适用性。 2 背景 三坐标测量机是计算机数值控制（ CNC）用于探测与探测装置的辅助人工制品表面的空间坐标测量系统。它通常具有三个 X， Y， Z 的翻转和另外两个探针头“ A”和“ B”的旋转这 5个自由度。 三坐标测量机对工作范围内的 X， Y， Z 的转换提供控制位移，而 A和 B旋转理想定向是相对于人工制品表面的测量探头。一旦接触触发触觉传感元件，接触触发式探针即使用零件的几何形状垂直接近于人工制品表面。 三坐标测量机的处理系统，根据从三坐标测量机校准衍生以提供与标称部分的几何形状的比较已知误差变量纠正此测量点。相反，在激光扫描探头由发射聚焦的激光线到的发射机的人工制品表面表面扩散的激光。此漫反射由激光扫描仪的接收透镜过滤并聚焦以形成对 LTS 光检测器二维激光图像。 三坐标测量机校准然后提供一个误差补偿变换该光电检测器的 2D 图像的坐标转换成在三坐标测量机的 3D 空间坐标。因此，作为整个人工制品表面的激光扫描仪移动时，它可以与标称部分的几何形状进行比较，产生详细的三维点云的信息。触摸触发和激光扫描探头的不同的数据采集方法，导致其影响测量结果，并随机误差影响个别探头重复性之间的协议的系统误差。 32.1 激光扫描测量不确定度 已经对触发式测头三坐标测量机式激光扫描探针测量协议和可重复性公布的测试与许多评估进行对比。这些实验中使用了多种不同的伪像，其中包括独立的基准板，基准板参考球体结合，参考缸和截头棱锥。还有具有还含有一定范围的不同的几何形状得到人工制品如孔，槽，圆角和倒角。虽然最近的进步都力求最大限度地减少这些影响，这些研究的结果已经发现了许多外部参数可影响已经总结如下激光扫描仪的测量不确定度。 扫描深度的每个激光扫描探针具有的视图的指定字段，如图所示。 1.视该字段表示在该激光扫描仪光检测器可以获取从被扫描表面测量点的窗口。当激光扫描仪被定位成使得所述人工制品表面位于视该字段的开始，所获取的点云将具有更高的分辨率和更低的随机误差相比，如果它是位于视场的端部。研究还发现在相对于端视场的开始采取扫描之间 15微米的系统误差，当激光扫描器是从人造体表面进一步远离。当扫描视场以外，激光扫描探针的性能显著劣化。 入射角的面内（）和外的平面（）扫描的角度，在图所示。 1，可影响所获取的点云的质量。激光强度是在其最大时的面内和外的平面的角度是垂直于所述表面上 ;这可能会导致点饱和导致的定位误差。未扫描垂直于表面的再一个好处是，随机误差分布比较均匀的个体的 x， y 和 z 轴之间。这是由于测量噪声主要是单向扫描深度行为的影响。然而 ,有一个限制关于如何远离垂直激光扫描仪可以比人工制品表面。一旦入射角超过 60,反射激光的强度太小可检测出来。 探针头定位 激光扫描探针可以面向理想的人工制品表面通过改变 A 和 B 坐标测量机转动轴。然而 ,使用多个探头角度增加了时间测量人工制品以及时间符合更大数量的调查的角度 ,并没有提高精度。其他调查也表明 ,有一个使用不同的探测器获得的点云之间缺乏协议头方向。然而 ,多个探头角度无法避免 ,因为它们是必要的 ,当扫描小物体为了测量足够的人工制品表面能够有一个状态良好的匹配算法。 表面性质 扫描的表面对测量结果的其他影响是颜色和反射率。暗面或颜色反射光的强度小，使点采集困难。另一方面，光滑的金属材料是不反光的，这又使得点采集困难。理想的情况下，扩散反射是优选的，因为它从不同的角度反映了同样的在所有方向上保持扫描质量测量。 4这些发现导致了测量方法和激光扫描技术本身的改进，特别是关于如何处理不同的表面性质。然而，他们发现，测量的不确定性是取决于预期的应用程序，因此，测量研究需要设计的是相关的汽车行业。 2.2 研究目标 有许多特征用于区分汽车测量任务的要求和之前的评价研究。首先 ,测量汽车车身外壳和完成车辆通常是用一个水平双手臂 三坐标测量机 ,如图 2 所示。其次 ,车辆几何通常是复杂的。因此 ,要求不同的探头角度测量表面特征 ,有时找不到理想的入射角。需要评估的特点是表面离散点 ,孔、缝而不是自由形式的几何形状。最后 ,全球坐标系 三坐标测量机 需要转换为本地部分坐标系定义的车辆通过测量基准特征。所有这些因素可能会影响测量的不确定性。当前方法的验证 三坐标测量机 是由其不确定性和可重复性测量是通过测量的校准测试长度直接追溯米单元 。因此 ,本研究的目的是评估性能的多传感器 三坐标测量机 国际标准的适用性验证了一个复杂的汽车检验任务。具体研究目标是评估的随机和系统误差水平双手臂三坐标测量机使用多传感器探测系统和评估的影响使用多传感器方法在汽车装配的尺寸检查。 3 材料和方法 评价多传感器探测系统的能力 ,通过一个水平双手臂 三坐标测量机 (尼康计量、英国 )见图 2。经常被用于汽车工业 ,并提供测量访问外部 ,内部和底部的车辆。水平安装一个索引使用探针头在每个 坐标测量机 测量臂上 ,结合调查改变齿条允许自动改变之间的联系触发和激光扫描探针测量程序。接触测量 , 5 维运动标准力碰触发探测器使用 140 毫米扩展和 20毫米长 2 毫米直径笔 (英国 ,英国 )。非接触式测量 ,(尼康计量、比利时 )激光扫描仪 ,图 1 所示。这个激光扫描仪发出三个激光线交叉影线形成每个扫描 65 毫米的深度 ,扫描宽度 65 毫米和 75 毫米的距离允许总共 75000 点每秒被捕获。测量实验前 ,坐标测量机 配备触摸触发调查核实时依照 ISO10360-2 和有一个扩展测量不确定性 (k=2)在 1.0 m+1.0 m / m。的 XC65Dx 激光扫描仪被验证相同的标准实现测量的不确定性在 12 m 在测量陶瓷球体。评估认证多传感器的性能水平双手臂 坐标测量机 汽车复杂的测量任务 ,铝制数控加工全面物理表示的钣金生产的车辆 (英国捷豹路虎有限 )。这种产物被称为环境立方体 (E 立方 )如图 2 所示。 E 立方已经所有的内部和外部的表面特性允许装修装饰车身组件质量成熟来评估他们5的健康目的 ,完成和对齐在产品开发。以下部分详述了人工制品试验装置 ,在这项研究中测量研究和统计分析程序。 3.1 试验装置 E 立方在加工平面上使它定位在坐标测量机测量床上不需一个单独的测量夹具的必要基础。 E 立方在测量床和环境研究的持续时间保持在一个标准的 220C1C 。将 三坐标测量机 的全球坐标系转换为本地部分车辆的坐标系 ,低 4 基准板位于前方和后方的角落 E 立方与 LH 水平 三坐标测量机 测量 两臂和两个与两个 坐标测量机 手臂。图 3 提供了一个局部坐标系的示意图。构建当地的轴 ,两者之间的中点前基准盘子和两国后基准板测定以及它们之间构造一条线 ,这条线的单位向量形成轴根据单位向量。 z 轴轴轴前右基准 (FR)前左基准面 (FL)后右基准面 (RR)后左基准面 (RL)主要是当地 z 轴平面法向量构造的中点之间形成两个前基准板和后部基准面盘子。为此 ,向量叉积计算使用轴向量和向量由两个后方基准面板块之间的界线 ,x 轴和 z 轴之间的向量叉积被用来形成轴 ,x-y 和 z 轴单位向量被组合起来以形成变换矩阵 R。这个矩阵 R 计算使用 三坐标测量机 测量值 (R 坐标测量机 )以及使用的名义值 E 立方基准板立方体 (R)。任何测量值在坐标测量机全球坐标系可以转化为本地部分坐标系使用。最后，将旋转的局部坐标系进行平移，使其原点与局部坐标系的原点相一致，完成基准点的系统校准（ RPS)。 3.2 实验过程 评价系统误差相比 ,触摸触发探测器 ,E 立方表面点测量再次使用相同的 R 联系当地坐标系。直接比较的触摸触发探测器测量是通过构建一个局部从激光扫描点云数据三角网格。从这个构造面， X， Y， Z 和 I， J，使用 K 载体的信息，用于提取每个表面点。激光线之间还设置 0.1 mm 的点间距。一旦完成 ,坐标测量机 全球坐标系是重载和 E 立方基准板与激光扫描探针重新度量界限建立第二个地方坐标系 ,称为 R 激光。这是评估时出现的系统误差构建一个本地部分坐标系使用两种不同的探测技术。测量 E 立方基准板的两次迭代 ,以同样的方式触摸触发探测器。基准板是使用“黑马特”形象测量的最大激光强度 ,但是相比略短曝光“钣金”形象。同一 E 立方表面最终时间点测量与激光扫描仪 R 激光局部坐标系。测量程序是重复 30 次评估测量系统的随机误差实验发生在没有光的除了三个低强度紧急照明设备位于墙的实验室内。 63.3 统计学分析 比较两者之间的系统误差坐标测量机水平臂 ,陶瓷的平均位置和直径值参考 球面 30 集的计算测量。总体而言 ,有两个比较 ,一个用于当 坐标测量机配备触摸触发探测器和第二个当坐标测量机武器配备激光扫描探针。随机误差、重复性也评估使用计算2的标准差值 30 陶瓷参考测量范围。同样 ,作为一个初始的随机分析和系统误差之间存在接触触发探测器和激光扫描仪 ,平均误差和 2 =18 E 立方表面点测量的重复性值进行了计算和比较。这样做比较两组的激光扫描测量 ,一旦使用 R 联系当地坐标系和第二个 E 立方表面点测量时使用 R 激光坐标系。触摸和 R 之间的误差评价激光本地部分协调框架 ,偏差在x、 y 和 z 之间的相互重合的起源触摸坐标系和起源的 R 激光坐标系计算所有 30 集的测量。以及平移坐标系之间的差异的起源 ,轴之间的角度的两个地方坐标框架也计算。评估坐标系误差的影响在 E 立方表面点测量 ,每个表面点之间的位置误差参考坐标系联系和 R 激光坐标系进行了计算。要做到这一点 ,每个 30 组数据的名义 x,y,z 坐标 18 E 立方表面点从参考坐标系联系到 R 激光坐标系使用。 评估整体测量激光扫描仪测量之间的协议使用触摸和 R E 立方 E-Cube 表面点激光局部坐标框架 ,一个交叉双因素方差分析 (方差分析 )。除去这部分误差的影响分析 ,30 套触发探头测量的均值是扣除这两套激光扫描仪测量。因此 ,任何测量偏差是直接相关的系统误差参考触摸触发探测器。方差分析测试评估的效果坐标系部分 (a)和 (b)测量表面点的位置对测量结果之间的协议 ,以