一种面向精密装配选垫设备的轴高测量算法的制作方法

本发明涉及涉及精密机械装配检测，具体地说是一种面向精密装配选垫设备的轴高测量算法。

背景技术：

1、在电驱精密轴系自动化装配产线中，三轴轴高测量精度直接决定垫片选配精度、整机装配间隙与设备长期运行稳定性，轴高检测是选垫工序核心关键环节。

2、目前行业主流测量方案为人工百分表单点标定测量，完整流程如下：

3、1、基准零点标定：将检测工装放置标准基准平台，固定定位头、活动测量头贴合基准平面，人工目视调节百分表归零并锁紧表盘，手动建立全局零基准坐标系；

4、2、工件高差采样：清洁电驱轴承盖，轴承孔朝上限位放置工件，工装定位头贴合轴承盖基准面，测头抵靠轴承孔端面，人工读取百分表偏移数值，直接作为轴承盖与轴承孔端面高度差h。

5、但是现有技术存在以下缺陷：

6、（一）人工基准标定缺陷：

7、1、基准一致性差、可复现性低：完全依靠人眼调零、手动锁表，操作人员视角、锁紧力度差异会持续引入基准漂移误差，无数字化校验标准，多人同机测量零点偏差明显；

8、2、无基准自检机制：标定完成后无二次校验逻辑，无法识别测头悬空、倾斜、平台杂质等问题，基准零点失真无法及时发现。

9、（二）工件采样环节缺陷：

10、1、单点单次采样抗干扰能力弱：仅采集单一组百分表读数，无多点采集、滤波、异常剔除逻辑；工件倾斜、表面金属碎屑、测头轻微抖动都会直接造成读数失真，无容错能力；

11、2、工件姿态无识别约束：仅要求轴承孔朝上摆放，无姿态异常判定算法，工件偏移、倾斜会改变测头受力状态，测量值无法反映真实垂直高度；

12、3、全流程依赖人工读数记录：模拟表盘存在固定视差估读误差，数值手写存档易错记、丢失，无数字化自动采集链路，无法对接自动化产线plc。

13、（三）底层算法模型缺陷：

14、1、无系统性误差补偿模型：未补偿工装平面度、测头磨损、壳体受压形变带来的系统偏差，原始读数直接作为垫片选型依据；壳体整体形变会同步影响三轴高度，传统单轴独立测量无法耦合公共形变误差；

15、2、无异常数值拦截逻辑：未设置轴高合理公差区间，工件磕碰、测头卡死产生超差数据时，算法直接输出错误结果，造成不良品流出；

16、3、标定流程冗余低效：每次测量前必须重新人工标定零点，无基准长效存储、定时复用机制，重复标定大幅拉长单工件检测工时。

17、（四）数据追溯与迭代缺陷：

18、1、测量数值仅单独存储高度结果，未绑定工件编号、设备编号、时间戳、传感器原始数据；尺寸不良后无法反向定位误差来源（人为/工装/工件/标定），缺少标准化真值对标、量化误差迭代优化体系。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术的不足，提供一种面向精密装配选垫设备的轴高测量算法，解决人工标定零点漂移、无自检、无法长效复用，基准一致性差、复现性不足等问题。

2、为实现上述目的，设计一种面向精密装配选垫设备的轴高测量算法，包括双极限标件自动标定模块、多点云采集预处理模块、三维几何自动解算模块、壳体形变双层补偿模块、自动化数据交互模块，其特征在于，轴高测量算法的流程如下：

3、s1，在工件上部署若干传感器；

4、s2，多点云采集预处理模块采集到若干传感器的数据后，对采集到的数据进行过滤处理；

5、s3，双极限标件自动标定模块对过滤后的数据进行标件差值计算；

6、s4，三维几何自动解算模块对过滤后的数据求解基准圆心坐标；

7、s5，壳体形变双层补偿模块对步骤s3、步骤s4计算后的数据进行动态系数k求解、工位轴高修正；

8、s6，自动化数据交互模块对修正后的数据进行上传、归档、输出及监控处理。

9、步骤s1中，在工件的输入轴、中间轴、输出轴、壳体上分别设置一组传感器，每组传感器由3个微米级位移传感器组成。

10、步骤s2中，多点云采集预处理模块的工作流程如下：

11、s21，在工件上按要求部署12个传感器，同步采集工件上的轴承盖安装基准面、轴承孔端面全域三维点云；

12、s22，双层异常数据清洗机制：第一层采用3sigma统计准则剔除突变离群测点；第二层采用medoid鲁棒中心点算法筛选有效基准点；

13、s23，对清洗后有效测点分别拟合轴承盖基准平面、轴承孔端面平面，通过空间点到平面计算两面垂直的高度差。

14、medoid鲁棒中心点算法公式为；其中，i为当前被选中的中心点；j为除i以外的其他所有数据点；为第 i个数据点在三维空间中的位置向量；为第j个数据点在三维空间中的位置向量；、、分别为第i个数据点在三维坐标系中的 x轴、y轴、z轴的坐标值；、、分别为第j个数据点在三维坐标系中的 x轴、y轴、z轴的坐标值；为第i个点作为候选中心点时的总离差平方和。

15、步骤s3中，双极限标件自动标定模块的工作流程如下：

16、s31，采用最小标准件min、最大标准件max两组极限标件全域校准，建立统一三维空间坐标系，覆盖工件全尺寸公差区间；

17、s32，工件上的12个传感器同步采集双标件完整点云数据，并通过最小二乘法拟合标准基准平面，利用空间三点外接圆算法求解标件基准圆心，计算理论轴高差与设备实测间距；

18、s33，采集完成后校验所有测点平面度，平面偏差超出预设阈值则判定测头接触不良，自动重启标定并弹窗预警；

19、s34，标定系数自动本地持久化存储，强制每日至少一次完整标定；当日多次标定自动保留末次有效系数参与计算，无需每件工件重复归零，基准数据全周期可追溯。

20、圆心的计算流程如下：

21、（1）定义向量，建立圆所在平面的两个方向：；

22、（2）通过空间三点直接计算唯一的外接圆圆心：；

23、其中，a、b、c分别为三维空间中的三个不共线的点，即不在同一直线上，a、b、c三个点可以确定一个平面，也是一个三角形；：从点 a指向点 b 的方向向量；：从点 a 指向点 c的方向向量；∣ab∣和 ∣ac∣分别为向量 和 的模长，或长度，即三角形边长 ab和 ac 的实际数值；n为法向量，n是由向量和 张成的平面的法向量。

24、步骤s4中，三维几何自动解算模块的工作流程如下：

25、s41，最小二乘平面拟合：构建空间平面方程，求解平面x/y向倾斜系数与偏移量；

26、s42，通过克拉默法则求解3×3线性方程组，获取平面完整参数；

27、s43，空间三点外接圆算法求解轴承基准圆心坐标；

28、s44，三维向量、法向量运算，修正工件姿态带来的几何偏差。

29、最小二乘平面拟合公式为；其中，a为平面在x方向上的倾斜程度，它表示当y固定时，x每增加1个单位，z值变化多少；b为平面在y方向上的倾斜程度，它表示当x固定时，y每增加1个单位,z 值变化多少；c为平面截距，它表示当x=0且y=0时，平面与z轴的交点高度；为第i个观测样本点的x坐标；为第i个观测样本点的y坐标、为第i个观测样本点的z坐标。

30、步骤s5中，壳体形变双层补偿模块的工作流程如下：

31、s51，一级线性比例补偿：基于min/max标件实测间距、理论轴高差计算基础比例系数aa=（h_max_理论-h_min_理论）/（h_max_实测-h_min_实测）；

32、s52，二级壳体全局形变补偿：将电驱壳体受压、工装微小形变定义为三轴共享公共误差项，推导动态修正系数k=轴高差+壳体高度差-理论标准差值；

33、s53，全局耦合计算统一公式工件轴高=min标件基准轴高+工件检测轴高差-标件动态系数k。

34、轴高差计算流程如下：

35、（1）通过平面法向量，判断平面的方向：；其中，为平面的朝向；

36、（2）圆心结合拟合面计算轴高差，点到平面的距离公式：。

37、步骤s6中，自动化数据交互模块的工作流程如下：

38、s61，传感器微米级电信号实时上传控制器；

39、s62，全链路数据归档：自动绑定工件编号、设备id、操作时间戳、原始点云、拟合平面参数、补偿系数k、三轴轴高、推荐垫片厚度，本地+服务器双备份存储；

40、s63，预留标准plc通讯接口，算法完成轴高计算后自动输出匹配垫片厚度至产线执行机构；

41、s64，内置误差量化监控体系：以三坐标测量仪数值作为真值基准，自动计算绝对误差、重复测量标准差；连续多组工件误差持续漂移时自动预警，提示重新标定、传感器维护，实现预测性设备运维。

42、本发明同现有技术相比，提供一种面向精密装配选垫设备的轴高测量算法，通过上述轴高测量算法，可以解决人工标定零点漂移、无自检、无法长效复用，基准一致性差、复现性不足的问题；可以解决单点单次采样抗干扰差、无异常过滤，随机测量误差大的问题；可以解决无全局误差补偿模型，壳体形变、设备固有系统偏差无法修正，测量精度不足的问题；可以解决全流程依赖人工读数记录、数字化程度低，无法对接自动化产线实现自动选垫的问题；可以解决缺少标准化量化校验体系，无统一真值对标手段，误差无法量化、算法难以持续迭代优化的问题。