44 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2012年第31卷第5期 基于新一代GPS的垂直度误差评定方法的研究 杨宏艳,夏雪,覃裕初,钟艳如 (桂林电子科技大学计算机科学与工程学院,广西桂林541004) 摘要:现代产品几何技术规范(GPS)提出的操作与操作算子技术,为实现几何产品检验/认证过程的数 字化和规范化评定提供了必要的技术基础。研究分析了垂直度误差和轴线对端面垂直度误差评定过程中 操作算子的构成,并建立了基于最小区域的各拟合操作的数学模型和优化目标函数。介绍了一种基于实 数编码的遗传算法来解决误差评定中的目标优化问题,阐述了算法的基本思想和步骤。通过实例介绍了 基于实数编码的遗传算法的轴线对端面垂直度误差评定过程。结果表明:该过程规范、有效、可操作性强。 关键词:现代产品几何技术规范;垂直度误差;遗传算法;实数编码;操作算子;操作 中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2012)05--0044-04 1KeSearCn 0n err0r evalnan0n metn0d ln oeroencl ● ’ J● J● 1 ● '-|cul ’ arity -一 based 0n new generation GPS YANG Hong-yan,XIA Xue,QIN Yu—chu,ZHONG Yan—ru (School of Computer Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology,GniHn 541004,China) Abstract:Operation and operator technologies introduced by geometircal product specification(GPS)provide the necessary knowledge basis for digitization and standardization of veriifcation process of geometicalr products.The operator formation for axis error evaluation in perpendicularity to end surface is analyzed,and mathematical models and the optimal target functions of every fitting operation based on the minimum—zone is presented.A genetic algorithm based real coding is introduced.Basic idea and process of the algorithm are described in detail.realizes the evaluation process of the axis line error in perpendicularity to end surface based on real—coding genetic algorithm through an example.The experimental results indicate that the proposed process is canonical,effective and feasible. Key words:geometircal product specifications(GPS);perpendiculairty error;GA;read—coding;operator; operation 0引 言 要,较好地解决了传统几何误差评定中存在的问题 。 目前,很多种遗传算法应用于误差评定过程中 。文 献[3]提出了用遗传算法实现圆柱度误差评定,取得了一 定效果。文献[4]在此基础上提出了一种基于实数编码的 遗传算法。文献[5]提出了一种基于归一化实数编码遗传 轴线间的垂直度公差是常见的一种定向公差,对具有 确定方向的理想要素所允许的范围内,它是关联实际要素 的变动全量,用于控制被测要素对基准在方向上的变动。 轴线对端面的垂直度误差对一些机械零件的使用性能有很 大影响,如机床导轨的垂直度误差直接影响加工质量等,因 此,准确地获得符合定义的误差值有利于保证和提高机械 产品的质量…。 算法,并应用于误差计算。文献[6]将遗传算法应用于几 何产品形位误差计算,但是没有具体研究垂直度。但标准 的遗传算法初始解不容易分散到整个解空问,容易陷于局 部最优,不能给出符合允许值范围内的最确解。本文结合 新一代GPS中的操作和操作算子技术,给出了轴线对端面 现代产品几何技术规范(GPS)以计量数学为基础 , 利用基于对偶性原理的非理想表面模型和共性“操作”技 术,将几何产品的设计、制造、检验环节系统,科学、有机地 融为一体,实现了产品几何特征规范值确定和实现工件几 何特征值计量认证的数字化统一,适应现代制造技术的需 垂直度误差评定过程中的操作算子,并建立了最小区域误 差评定的数学模型和优化目标函数。然后采用一种实数编 码的遗传算法进行智能优化,来解决最小区域法误差评定 收稿日期:2011—10-30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61163041);广西制造系统与先进制造技术重点实验室基金资助项目(K090014) 第5期 杨宏艳,等:基于新一代GPS的垂直度误差评定方法的研究 45 中的目标优化问题 j。实例表明:该评定方法科学、规范、 准确,且可操作性强。 1基于GPS的轴线对平面垂直度误差评定过程 依据新一代GPS标准的综合模型,几何产品的“功能 描述一规范设计一检验评定”的一致性表达通过不同规范的 操作与操作算子来实现。操作是获取几何要素的特征及其 变动范围(极限值)的基本数学工具,操作可分为要素操作 和评估操作,其中要素操作包括分离、提取、滤波、拟合、集 成、构造6种 J。评估操作是确定特征或要素的值及其公 称值与极限值,并判定要素几何特征与规范的一致性。以 任意方向上的轴线对端面垂直度为例,如图1所示,被测圆 柱轴线相对于基准底座平面A有垂直度要求,根据GPS操 作算子技术进行垂直度误差的分析研究。对按此要求加工 出的工件进行检验/认证,需要经过3个过程,构建基准平 面、获取圆柱的轴线、根据规范要求进行一致性比较认证。 图1任意方向上的垂直度要求实例 Fig 1 Example of perpendicularity requirement of arbitrary direction 1.1建立基准平面 1.1.1分离 分离是从非理想要素或理想要素中识别几何要素边界 的操作"]。依据特定规则,从规范表面模型中获得建立基 准A对应的非理想平面,如图2所示。 厩田 糯叫 图2规范表面模型 Fig 2 Speciifcation surface model 1.1.2提取 提取是获取通过分离操作所得到的表面上的有限的点 集A ( ,Y , )(i=1,2,3…n) 。根据缺省规范,基准表 面的构造元素是球,其缺省直径为3 mm,建立基准中缺省 的提取方法是ISO/T S16610--49中定义的“形态学采样准 则”。提取如图3。 1.1.3滤波 滤波是一种从非理想要素中分离出感兴趣成分的方 法,是通过降低不期望的成分以获取期望成分的一种操作。 图3提取 Fig 3 Extraction 非理想要素信息包括粗糙度、波纹度、结构和形状等。在进 行滤波操作过程中,采用特定规则从非理想要素中获取所 需要的特征。建立基准的平面缺省滤波方法是Alpha包滤 波法 ,在平面情况下,构造元素的直径为无穷大。滤波得 到的结果是属于外轮廓的点集,用这个外轮廓模拟所对应 平面的功能。 1.1.4拟合 拟合是依据特定准则用理想平面逼近非理想平面,获 得平面的方位要素(平面自身)用以作为基准,如图4所示。 图4拟台 Fig 4 Fititng 设A ( ,y , )(i=1,2,3…n)为非理想基准平面A上 点的坐标,拟合得到的理想基准平面的方程为 A1 +曰1y+C1 +D1=0. (i) 设点A 到理想基准平面A的距离为d ,根据最小区域 法原则,理想基准平面方程的优化目标函数为 F(Al,B。,C。,D1)=[d ] 一[d ] i . (2) 1.2获取圆柱模型轴线 从认证表面模型中分离出非理想圆柱表面,过程与基 准平面A的分离类似。圆柱面常用的提取方案有鸟笼法、 圆周线法、母线法与布点法等 ]。根据圆柱面的形状特征, 并综合结构和功能特征,选用鸟笼法提取方案,获取圆柱模 型轴线步骤如下: 1)提取:根据奈奎斯特定理、傅里叶变换和精度要求 的高低确定提取的层数和点数,最后将获取的有限点集的 坐标值存人数组A[i] (其中,i=O,l,…,m--1,m表示圆 周线数, =0,1,2,…,n-1,n表示母线数),为完成后面的 一系列操作做准备。 2)拟合:假设直线 为理想圆柱面的轴线,根据点到 直线的距离公式,计算非理想圆柱面上各提取点到轴线 的距离 (i=0,1,…,m--1)。根据最小二乘原理,计算出 非理想圆柱面上各点至理想圆柱面轴线距离的平方和最小 1 n 值|R=÷∑ri,根据最小区域原则,得到目标优化函数 传感器与微系统 第31卷 F(x。,Yo,“,g)=min e∑( + ) ],计算出X0,Yo,u,q,得 到假定的理想圆柱轴线方程,J。 3)构造:平面的法向量为拟合操作得到的理想轴线三 的方向向量,即是It(u,q,1),因此,可以得到平面方程 + gl,+Z+do+id=O。 4)集成:将所有拟合圆的圆心坐标 i]( ,Y , ) (其中,i=0,l,…,m--1,m表示面的数量)集成为非理想的 轴线,用以体现被测轴线。 1.3评估 1.3.1拟合 使理想直线在满足垂直于基准平面A的约束条件下, 逼近集成的非理想轴线,以获得拟合直线。由于拟合直线 垂直于拟合的基准平面 ,由基准平面A的方程(1),可以 得到拟合直线的方向向量。设拟合直线厶与XOY平面的 交点为M(a,b,0),由此可确定理想直线厶的方程。根据 点到直线的距离公式,拟合计算出圆心D[i]( ,Y , ) (i=0,2,…,m一1)到理想直线 的距离d 。其中误差变 动范围值为 (3) 根据最小区域法原则,目标优化函数F(a,b)为 J F(a,b)=[d ]…一][d ]…. (4) 1.3.2估值与一致性比较 集成要素各点到拟合直线的最大距离为d,取出拟合 圆圆心坐标,计算圆 5,N理想直线的距离。理想直线厶和 圆心到 的距离如公式(3)所示。如满足d≤t/2,则表示 测量结果与特征规范值一致。 2基于实数编码的遗传算法 遗传算法(GA)利用选择、交叉、变异遗传操作模拟自 然进化,完成对问题的寻优求解。遗传算法对所解的优化 问题没有太多的数学要求,不依赖问题的具体领域,不需要 求导或其他辅助知识,对目标函数的性质几乎没有要求,唯 一的要求是函数在搜索区间内的最大值和最小值是有限 的,尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂和非线 性问题。。j。因此,采用一种实数编码的遗传算法,子群体定 期将最好个体传给相邻子群体,同时接受从相邻子群体传 来的最好个体,综合后淘汰适应度差的个体,来解决最小区 域法误差评定中的目标优化问题。 2.1 实数编码 二进制编码不便反映问题的结构特征,对于连续优化 问题局部搜索能力较差,对于多变量优化问题存在个体串 位太大而造成计算量过大。直接采用的实数编码,用实数 表示基因,每一个基因代表一个优化变量,所有变量对应的 基因依次连在一起构成该实数编码的个体。这样,便于大 空间搜索,处理高维数值优化问题。 (5) 式中,为目标函数,S=(s .-,s 一,s )表示一个个体, s (i=1,2,…,P)为待优化变量;p为优化变量的数目;a ,b 分别为变量s 的上下界。 2.2选择操作 为了从当代种群中选择那些适应能力较强的个体,模 拟达尔文的进化论思想,算法实现是采用轮盘赌选择方式。 随机生成种群,种群分成Ⅳ个子种群,每个子种群有 个个 体。多个种群使用同一目标函数,子种群之间根据预定的 通信拓扑关系按一定比例交换个体,通过新个体的加入,增 加个体的差异性,加强全局搜索能力。 计算适应度函数,各子群体独立计算其个体的适应度 值并进行独立的非线性排序,确定优秀个体和最差个体。 使用轮盘赌选择方式,从当前种群中根据个体的适应度值, 挑选出优良个体进入下一代,每个个体进入下一代的概率 等于它的适应度值与整个种群个体适应度值之和的比例, 适应度越高,被选中的可能性越大。 2.3交叉操作 交叉操作在实数编码遗传算法搜索过程中起重要作 用。采用均匀交叉,2个配对个体的每个基因座上的基因以 相同的交叉概率进行交换,形成2个新的个体。 2.4变异操作 变异操作中采用实值种群的变异,即“阈值自适应高斯 变异”机制,设定一个允许范围内的小阈值。实值种群的变 异可以取较高的变异概率,提高了对搜索空间的搜索能力, 不会对收敛特征产生不利的影响。 将子群体中最好的个体迁移传给其他的子群体,通过 迁移可以加快较好个体在群体中的传播,提高收敛速度和 解的精度,与单种群相比只需要较少的个体评价计算工作 量,因此,迁移算子的采用更适合于全局寻优,并且计算量 较小。多种群个体在种群之间以相同间隔迁移,最邻近的 子种群在被选择迁移的最适应个体间交换个体,均匀地重 插入移民个体。 3实例验算 3.1模型仿真 采用VC++和OPENGL结合,模拟开发了柱状表面模 型生成系统。根据操作算子技术计算生成平面模型、圆柱 体表面模型分别如图5、图6所示。 通过导出模拟点的坐标值,如表1列出圆柱面一切面 的顶点坐标。便于获取几何要素特征值操作算子的实现, 第5期 杨宏艳,等:基于新一代GPS的垂直度误差评定方法的研究 47 为实现几何产品的功能描述、规范设计及检验认证提供一 致性表达。 柱直径为10 mm,高度为6 mm,垂直度公差要求为0.06 mm。 采用遗传算法对目标函数进行优化。从种群的多样性 和收敛速度等方面综合考虑,采用实数编码机制 ,设置 种群由30个个体组成,变异率为0.075,交叉率为0.06,最 大迭代次数为500次。计算过程从略。 根据上述操作过程,首先按照一定的规则,在一个平面 图5基准平面模型 Fig 5 Datum plane model 内分离提取圆柱模型表面20个点,具体数据如表1所示, 依据最大内切圆算法,计算出圆心坐标(一0.000 001, -0.0056855,45.000 0)。同理,采取第二组数据,包含 2O个坐标值,依据最大内切圆算法,计算出圆心坐标 (-0.0001795,-0.000 057,40.000 0)……。最终计算得 出2O组圆心坐标值,如表2。采用最小二乘法对这2O组数 据进行拟合,得到理想圆的圆心集,再经过集成操作,非理 图6圆柱模型轴线模型 Fig 6 Shaft model of cylinder model 想圆柱的轴线即为所求。其中,在XOY平面内,投影拟合 曲线为:,,=-0.00089744-0.00576608 ,误差为0.5%。 3.2实例验算 用三坐标测量仪测量一个如图1所示垂直度要求的零 按文献[1]计算的垂直度误差为0.011 mm,按照这里 介绍的方法得到垂直度误差为0.005 mm,小于0.06 mm,则 件,基准平面长为15mm,宽为15mm,圆柱直径为10mm;圆 可判定被测要素垂直度合格。 表1第一组采样点(1nn1) Tab 1 The first group sampling points 序号 l 2 3 4 5 6 7 8 9 Y -24.984665 —23.780456 0.000002 -7.726 736 = 50.022479 49.982079 50.020256 50.009645 49.990152 49.996328 49.978519 50.023331 50.009159 序号 11 l2 l3 14 15 l6 17 18 l9 x 24.980954 23.753060 2O.226705 14.697622 7.720267 一O.000001 —7.718582 —14.702959 ’20.226230 y 0.000000 7.717837 14.695562 20.229542 23.760542 24.997539 23.755348 20.236884 14.695214, z 50.018863 50.016084 50.004102 49.984568 49.983895 50.015860 49.998763 49.982 778 50.000 196 -20.219370-14.690230 -14.704121—20.2-38483 —7.720391—2.3.760915 一O.000001-25.010525 7 722396-2 ̄3.767093 14.682622—20.208897 2O.211l58-14.684266 10 23.799644 —7 732973 49.982662 20 -23.794292 7.731 232 50.0l1 601 表2计算出来的圆心数据(咖) Tab 2 The calculated dat嗣Is of cir ̄les’celllf ̄Fs 序号 1 2 3 4 5 Y : 序号 11 12 13 14 15 y z (-0.000001,一0.0056855,45.0000) (--0.0001795,一O.000057,4O.0000) (-0.0001795,一0.000057,40.0000) (-0.000001,一O.0001885,35.000) (-0.0038625,一O.0053145,30.0000) (0.0055115,-0.001 792,0.0000) (--0.000065,0.000185,一5.0000) (--0.005471,一0.001 776,--10.0000) (-0.000374,0.0011485,-15.0000) (Q.0083885,一0.002727,--20.0000) 6 7 (0.002609,一0.0080335,25.0000) (0.0004605,0.0014205,20.0000) 16 17 (0.0072425,一0.0099705,-25.0000) (0.000279,-0.000204,_3O.0000) 8 9 10 (-0.0059275,一O.004305,15.0000) (0.0029365,0.0009555,i0.0000) (-0.0006915,0.0009495,5.0000) l8 19 20 (0.003024,一0.000984,-35.0000) (0.001667,0.005134,-40.0000) (--0.0003695,0.0002665,一45.0000) 4结论 最小区域数学模型与优化目标函数。采用遗传算法能够有 效地解决误差评定中多变量、非线性的优化问题。因此,采 (下转第54页) 运用新一代GPS的操作与操作算子技术,实现了垂直 度误差的数字化评定,在此基础上提出垂直度误差评定的