4. 验收指标体系设计
虚拟验收最容易出现的争议，不是“仿真跑没跑通”，而是“跑出来的数到底算不算合格”。要消除这种争议，必须先把验收指标从口头描述变成可计算、可测量、可复现的量化定义，再把它映射到虚拟环境中的具体信号、测点和判定逻辑。本节围绕节拍、精度、重复定位、负载、安全响应、可用率六类指标，说明如何定义、如何在虚拟场景中取数、以及如何判断结果。
一、指标量化定义的三要素
任何一个可验收的指标，都应具备三要素：测量对象（测什么物理量或事件）、测量条件（在什么工况、什么轨迹、什么负载下测）、判定阈值（合格线是多少、允许多少次超差）。缺少任一要素，指标就退化为形容词。例如“节拍要快”不是指标，“在额定负载 6 kg、往返行程 800 mm、连续 30 个循环条件下，单循环平均时间 ≤ 8.5 s，且最大循环时间 ≤ 9.2 s”才是可验收的指标。
同时要明确参照约定。本文所有位置量均以机器人基坐标系为参照，X 向前、Y 向左、Z 向上，单位 mm；时间量以循环起始信号上升沿为 t=0，单位 s；负载以末端法兰处附加质量计，单位 kg。全文与图示保持同一约定，切换参照系时必须显式说明。
二、六类指标的量化定义与虚拟验证映射
节拍（Cycle Time）：定义为从循环启动信号上升沿到循环完成信号上升沿的时间差。虚拟验证时，在仿真控制器中埋入两个事件探针，分别记录启动与完成时刻，连续采集 N=30 个循环，输出平均值、最大值与标准差。判定看平均值是否达标、最大值是否越界，标准差反映节拍稳定性。
精度（Accuracy）：指机器人实际到达位姿与指令位姿的偏差，分为位置偏差与姿态偏差。虚拟验证中，在末端 TCP 处挂一个虚拟测量坐标系，与指令目标坐标系做位姿差分解，得到 Δx、Δy、Δz 与绕三轴的角度偏差。示例阈值可设为位置偏差 ≤ 0.5 mm、姿态偏差 ≤ 0.3°。
重复定位（Repeatability）：指同一指令位姿多次到达时，实际到达点的离散程度，用球概率半径或标准差表征。虚拟验证时对同一目标点重复定位 30 次，记录每次 TCP 实际位置，计算其重心与各点到重心的距离，取 3 倍标准差或 95% 分位半径作为重复定位值。它与精度是两回事：精度看“准不准”，重复定位看“稳不稳”。
负载（Payload）：包括额定负载与实际负载偏差。虚拟验证中，在末端法兰附加质量块并设置质心偏移，观察关节力矩、电流与轨迹偏差是否仍在允许范围。示例：额定负载 6 kg，附加 5.5 kg 且质心偏移 50 mm 时，各关节峰值力矩不得超过额定值的 80%。
安全响应（Safety Response）：定义为从安全触发信号（急停、安全门、光幕遮挡）有效到机器人进入安全停止状态的时间。虚拟验证时注入触发事件，记录停止指令发出时刻与速度降为零的时刻，示例阈值 ≤ 250 ms，并检查停止类别是否符合设计（如 SS1 受控停止）。
可用率（Availability）：定义为可运行时间与计划运行时间之比。虚拟验证中通过统计仿真周期内的故障注入次数与恢复时间，估算 MTBF 与 MTTR，再折算可用率。示例：计划运行 8 h，注入 2 次故障，累计停机 12 min，则可用率约为 97.5%。
三、从指标到虚拟验证的映射方法
映射的核心是“每个指标都能在虚拟环境中找到对应的信号源和判定脚本”。建议按以下方式落地：
- 节拍：在 PLC 或仿真控制器中定义
CycleStart与CycleDone两个布尔信号，用时间戳差值计算，脚本自动统计 30 次。 - 精度：在末端 TCP 建立虚拟测量坐标系，与目标坐标系做齐次变换求差，输出六维偏差。
- 重复定位：对同一目标点循环 30 次，记录每次 TCP 实际位置，计算重心与 3σ 半径。
- 负载：在末端法兰附加质量块并设置质心偏移，监测各关节力矩与电流峰值。
- 安全响应：注入急停或光幕触发事件，记录停止指令与速度归零时刻。
- 可用率：注入故障事件，统计 MTBF 与 MTTR，折算可用率。
四、指标之间的耦合与优先级
六类指标并非彼此独立。提高节拍往往需要加大加速度，可能牺牲重复定位；增加负载会改变关节力矩，进而影响精度与节拍；安全响应时间过短可能导致停止过猛，反而影响机械寿命。因此验收指标体系设计时，应明确优先级与权衡规则。例如：安全响应为强制项，不达标直接否决；节拍、精度、重复定位、负载为关键项，允许单项在 5% 范围内浮动但需记录；可用率为综合项，用于评估长期稳定性。
在虚拟验收中，建议先跑“基准工况”确认各项指标均达标，再跑“边界工况”（最大负载、最高速度、最小安全距离）观察指标退化程度。若边界工况下安全响应仍达标、节拍与精度退化在允许范围内，则可认为指标体系具备工程可用性。
五、可执行的指标验收记录表示例
下表给出一个可直接用于虚拟验收的记录表结构，字段与本节指标一一对应，填写时只需替换示例值即可。
| 指标 | 测量条件 | 虚拟测点/信号 | 示例结果 | 判定阈值 | 结论 |
|---|---|---|---|---|---|
| 节拍 | 额定负载 6 kg，行程 800 mm，30 循环 | CycleStart / CycleDone 时间戳 | 均值 8.2 s，最大 8.9 s | 均值 ≤ 8.5 s，最大 ≤ 9.2 s | 合格 |
| 精度 | 常温，额定负载，目标点 10 个 | TCP 虚拟测量坐标系位姿差 | 位置 0.32 mm，姿态 0.18° | 位置 ≤ 0.5 mm，姿态 ≤ 0.3° | 合格 |
| 重复定位 | 同点重复 30 次 | TCP 实际位置序列 | 3σ 半径 0.07 mm | ≤ 0.1 mm | 合格 |
| 负载 | 附加 5.5 kg，质心偏移 50 mm | 关节力矩 / 电流 | 峰值力矩为额定 76% | ≤ 额定 80% | 合格 |
| 安全响应 | 急停触发，SS1 停止 | 触发信号 / 速度归零时刻 | 210 ms | ≤ 250 ms | 合格 |
| 可用率 | 计划 8 h，注入 2 次故障 | 故障事件与恢复时间 | 停机 12 min，可用率 97.5% | ≥ 97% | 合格 |
把上述定义、映射与记录表固化下来，虚拟验收就从“看仿真动画”升级为“看数据判定”。下一阶段即可在此基础上编写自动化验收脚本，让每次仿真运行都自动输出这张表，实现可追溯、可复现的验收闭环。