面向测量任务的坐标测量方案规划及仿真分析

　　0 引言

　　坐标测量机以其高精度、通用性和数字化的特点,在产品测绘、复杂型面检测、工夹具测量、研制过程中间测量、CNC机床或柔性生产线在线测量等方面得到了广泛的应用.通过直接测量工件上特征点的坐标位置,利用软件运算获得被测参数的值,其测量精度主要影响因素是[1]:测量机系统误差、测头系统误差、工件形状误差、环境因素和测量方案等.其中,2个系统误差和工件形状误差是无法避免的,环境因素带来的误差由相应的补偿算法来减小,而测量方案,即测量人员进行测量时所用的方法和步骤,对测量最终精度影响较大,例如,形状误差测量过程中,不同的采样方法,所得结果也出现一定的差异[2].那么在同一台测量机,相同的环境,测量同一个零件,怎样规划测量方案,既能保证测量过程的经济性,又能获得相对较高的测量精度,就成为实际测量中亟待解决的问题.

　　1 测量方案的规划

　　一个完整的测量结果应该包含测量值及其不确定度.对于特定的测量任务,可以选择的测量方案很多,每个测量方案又包含了很多测量步骤,每个测量步骤又是由各种操作或操作算子组成的.新一代GPS[3-4]中的操作包括分离、提取、滤波、拟合、集成、构造和评估,针对不同几何要素的一系列操作又构成了操作算子,测量过程中的每个步骤,几乎都会对最终结果产生一定的影响,带来一定的测量不确定度,利用GUM方法将其合成,可以得到最终的测量结果及其不确定度[5].由于测量方案不同,所得的最终测量结果也会出现一定的差异,主要反映在测量结果的不确定度上,而不确定度是表征合理赋予的被测量之值的分散性参数,测量结果是否有用,在很大程度上取决于其不确定度的大小.所以可以通过测量不确定度的大小来表示测量方案的优劣.这里的测量方案主要包括算法、采样策略和测量过程,算法主要是拟合算法,包括常见的最小二乘法、最小区域法等;采样策略主要是指采样点排列方式和采样点数量;测量过程也就是测量中的每一个步骤.以圆柱轴线的直线度测量为例,首先选择一系列截面,取点拟合圆,然后利用拟合所得的一系列圆心坐标,根据直线度定义,评价该圆柱轴线的直线度.那么这个测量过程中,截面的选取方法,每个平面圆的采样策略和拟合算法,最终的直线度评定算法等因素,都带来了一定的不确定度,某些被测量由于其定义不完善也产生了不确定度.从前面的分析可知,测量方案的规划问题,也就是不同的算法、不同的采样策略和不同的测量过程的选择问题.

　　2 虚拟测量方法和计算机仿真模型

　　仿真测量模型如图1所示,主要分为以下几个部分: