一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法技术

本发明专利技术公开一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，包括初始匹配与精确匹配两步；首先，在理论工件曲面与实际曲面上分别选取参考点建立对应的局部坐标系，通过局部坐标系的粗对齐来实现初始匹配；在精确匹配中，通过初始匹配后的点集建立了基于最小二乘距离的目标函数，利用自适应差分进化算法搜索使目标函数值最小的最优解，从而获得最佳精确匹配矩阵；经上述两步，可求得最终的空间变换矩阵，并结合机床结构计算出对应机床的调整量，通过调整机床实现工件姿态的调整，保证工件精确定位与余量的均布。本发明专利技术实现了ISO五轴数控机床加工测试件的姿态调整与精确定位，验证了该方法的有效性。

A workpiece attitude adjustment method based on measurement points and adaptive differential evolution algorithm

The invention discloses a workpiece attitude adjustment method based on the measurement point and adaptive differential evolution algorithm, including two steps of initial matching and accurate matching. Firstly, the corresponding local coordinate system is set up on the surface of the theoretical workpiece and the actual surface respectively, and the initial matching is realized through the rough alignment of the local calibration system. In the exact match, the objective function based on the least square distance is established by the point set after the initial match, and the optimal solution which makes the target function minimum is searched by the adaptive differential evolution algorithm, and the best exact matching matrix is obtained. The final space transformation matrix can be obtained by the two steps above, and the structure of the machine tool can be combined with the structure of the machine tool. The adjustment amount of the corresponding machine tool is calculated, and the workpiece posture is adjusted by adjusting the machine tool to ensure the accurate location and allowance of the workpiece. The invention realizes the posture adjustment and precise positioning of the ISO five axis NC machine tool processing test piece, and verifies the validity of the method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法
本专利技术涉及数控加工
，具体为一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法。
技术介绍
工件精确定位与余量分布均化是保证加工精度的关键，通过实时调整工件姿态，使其与理论姿态保持一致是实现精确定位与余量均布的直接有效的方法。余量分布对保证加工精度至关重要，而工件姿态对余量分布影响显著。在机械加工中，由于多次装夹等原因，工件姿态容易发生变化，因此有必要寻找一种方法来保证工件姿态的准确性。关于匹配问题，Besl最先提出了迭代最近点(ICP)算法，该算法被广泛应用于点云配准，在特定的初始条件下能够较好地实现曲面匹配；在传统ICP算法基础上，研究者提出了新的匹配算法，Liu提出了一种新颖的自由曲面匹配算法，该方法通过基于共线性和接近性约束条件建立的传统ICP准则来直接处理可能的点匹配，而不需要任何特征提取、图像预处理或异常数据的运动估计；Du提出了一种基于期望最大化(EM)估计的有界尺度的概率迭代最近点算法，用于噪声点集的各向同性尺度配准；针对自由曲面及其他类型曲面的匹配问题，Zhang提出了一种点到最近点的迭代匹配算法，该算法采用基于距离分布的统计方法实现异常点的处理。然而，就ICP算法而言，其鲁棒性和收敛速度有待提高，且采用该算法获得的解很可能是局部最优解。为了提高ICP算法的收敛速度与运算精度，Lena提出了收敛迭代最近点算法，该方法使得局部曲面匹配的精度大幅提升；针对3D点云，Ge提出了基于非线性Gauss-Helmert模型和非线性最小二乘的点云数据配准方法，并完成相关三维模型的重构，该方法在收敛速度和配准精度上优于ICP算法。在机械加工中，曲面匹配主要用于复杂零件的定位与余量优化，在曲面匹配的实际应用中，众多研究者也进行了相关的研究工作。Yan为解决数控加工中复杂曲面类零件的定位问题，提出了两步匹配法，算法分为粗匹配与精确匹配，在精确匹配中引入了遗传算法(GA)；Ko提出了一种针对自由曲面造型三维物体的匹配方法，该方法将匹配问题归结为采用区间投影法(IPP)求解非线性方程系统，并将曲面的高斯曲率和平均曲率作为匹配特征，该方法可实现全局及局部特征的匹配；Mehrad通过粗定位与精确定位，实现了基于曲率和距离相似性的点到设计模型的匹配，该方法稳定性较好，但由于B样条曲面的重构，该方法在运行效率上有改进空间；Shen针对大型的复杂自由曲面类毛坯件的最佳定位，提出了最佳匹配算法，该算法极大地改善了毛坯件余量分布，提高了加工效率；Zhang提出了基于三坐标测量的加工余量优化模型，该方法通过坐标对齐以确保毛坯件具有足够的加工余量；Sun针对复杂曲面加工提出了一种统一定位模型，并通过BFGS算法实现余量优化，该方法也涉及到了匹配过程，以满足用户定义的需优先保证加工余量的特定表面的约束。上述匹配算法大多是针对点云与设计模型的匹配，且大多算法需要在已知曲面参数方程或其他曲面特性参数的情况下实现。对于不规则曲面，其曲面参数方程的确定较为困难。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于测量点与自适应差分进化算法(Self-adaptiveDifferentialEvolutionAlgorithm，后面简称SADE)的工件姿态调整方法，通过对工件姿态的实时调整，辅助完成工件的精确定位，以确保工件每一工序余量分布均匀，提高加工精度；该方法只需少数测量点，因此对规则与非规则曲面都具有良好的适用性。技术方案如下：一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，包括：进行点集匹配：设工件特征面实际测量点集P＝{Pi|i＝1,2,…,n}，理论测量点集Q＝{Qi|i＝1,2,…,n}，则P到Q的匹配表示为：式中，R为空间旋转变换矩阵，α、β、γ分别表示实际测量点相对于XYZ轴的旋转角度；T为平移变换矩阵，tx、ty、tz分别表示实际测量点相对于XYZ轴的平移量；匹配流程如下：Step1：获取测量点集Q和P；Step2：在理论曲面与对应的实际曲面上分别选取3个对应的参考点，建立理论与实际局部坐标系；Step3：初始匹配：通过局部坐标系的对齐实现初始匹配，并计算获取初始匹配矩阵R0和T0；Step4：点集变换：利用下式对实际点集P进行变换，获得新的实际点集P'；P′＝PR0+T0(2)Step5：精确匹配：采用SADE算法搜索最佳精确匹配矩阵R1和T1；Step6：按以下公式计算最终的变换矩阵R和T；Step7：计算机床调整参数并对机床进行调整；Step8：重新测量并获取新的点集P”，计算点集P”与理论点集Q之间的平均距离dist_ad，并与工件加工面容差ε进行比较，如果dist_ad≤|ε|，结束流程，否则令P'＝P”，转至Step5重新计算。进一步的，所述局部坐标系建立的方法为：在理论曲面上选取不共线的Q0，Q1，Q2作为参考点，在实际曲面选取不共线的P0，P1，P2作为参考点；根据上述参考点确定各局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，据此建立局部坐标系，具体如下：设ia，ja，ka为实际局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，P0为原点；it，jt，kt为理论局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，Q0为原点；则有：根据公式(4)、(5)求得坐标系各轴的单位方向矢量，建立实际局部坐标系P0-XaYaZa和理论局部坐标系Q0-XtYtZt。更进一步的，所述初始匹配矩阵的求解方法包括：初始匹配通过局部坐标系P0-XaYaZa与Q0-XtYtZt的对齐实现，两坐标系与初始匹配矩阵之间存在以下关系：式中R0为初始匹配矩阵，其形式如下：根据R0，实际曲面与理论曲面之间的方向误差，即实际测量点相对于理论坐标轴Xt,Yt和Zt的旋转角度α0,β0和γ0，如下式所示：式中，R0(i,j)为矩阵R0第i行第j列元素(i,j＝1,2,3)；坐标系P0-XaYaZa相对于坐标系Q0-XtYtZt的平移量由下式计算得到：T0＝μ-μ0′R0＝[tx0ty0tz0](8)式中，分别表示实际测量点集与理论测量点集的质心坐标。更进一步的，所述实际曲面与理论曲面之间的初始姿态误差通过下式所示姿态误差矩阵pose0描述：通过pose0能够直观地表示实际曲面相对于理论曲面的旋转角度值与平移量，理想情况下，实际曲面与理论曲面完全重合，因此pose0为零矩阵。更进一步的，所述精确匹配矩阵的求解方法为：精确匹配旋转变换与平移变换矩阵分别为R1和T1，其中：T1＝[tx1ty1tz1]初始匹配后，实际点集由P转换为P′＝{P′i|i＝1,2,…,n}，将精确匹配归结为一个最小化问题，依据最小二乘原理确定其目标函数如下：由式(10)知，目标函数包含α1,β1,γ1和tx1,ty1,tz16个变量，由式(8)可知，初始匹配后的实际点集P'相对于理论点集Q的平移量可表示为：T1＝μ-μ1′R1＝[tx1ty1tz1]，其中P'的质心坐标因此最终的目标函数由式(11)表示；经降元处理，目标函数只含有α1,β1,γ13个变量；更进一步的，在所述精确匹配中，引入SADE算法对目标函数进行求解，其中的自适应变异算子如下式所示：式中，F为变异算子，F0为初始变异算子，Gm为最大进化代数，G表示当前进化代数。更进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，其特征在于，包括：进行点集匹配：设工件特征面实际测量点集P＝{Pi|i＝1,2,…,n}，理论测量点集Q＝{Qi|i＝1,2,…,n}，则P到Q的匹配表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，其特征在于，包括：进行点集匹配：设工件特征面实际测量点集P＝{Pi|i＝1,2,…,n}，理论测量点集Q＝{Qi|i＝1,2,…,n}，则P到Q的匹配表示为：式中，R为空间旋转变换矩阵，α、β、γ分别表示实际测量点相对于XYZ轴的旋转角度；T为平移变换矩阵，tx、ty、tz分别表示实际测量点相对于XYZ轴的平移量；匹配流程如下：Step1：获取测量点集Q和P；Step2：在理论曲面与对应的实际曲面上分别选取3个对应的参考点，建立理论与实际局部坐标系；Step3：初始匹配：通过局部坐标系的对齐实现初始匹配，并计算获取初始匹配矩阵R0和T0；Step4：点集变换：利用下式对实际点集P进行变换，获得新的实际点集P'；P′＝PR0+T0(2)Step5：精确匹配：采用SADE算法搜索最佳精确匹配矩阵R1和T1；Step6：按以下公式计算最终的变换矩阵R和T；Step7：计算机床调整参数并对机床进行调整；Step8：重新测量并获取新的点集P”，计算点集P”与理论点集Q之间的平均距离dist_ad，并与工件加工面容差ε进行比较，如果dist_ad≤|ε|，结束流程，否则令P'＝P”，转至Step5重新计算。2.根据权利要求1所述的基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，其特征在于，所述局部坐标系建立的方法为：在理论曲面上选取不共线的Q0，Q1，Q2作为参考点，在实际曲面选取不共线的P0，P1，P2作为参考点；根据上述参考点确定各局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，据此建立局部坐标系，具体如下：设ia，ja，ka为实际局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，P0为原点；it，jt，kt为理论局部坐标系XYZ轴单位方向矢量，Q0为原点；则有：根据公式(4)、(5)求得坐标系各轴的单位方向矢量，建立实际局部坐标系P0-XaYaZa和理论局部坐标系Q0-XtYtZt。3.根据权利要求2所述的基于测量点与自适应差分进化算法的工件姿态调整方法，其特征在于，所述初始匹配矩阵的求解方法包括：初始匹配通过局部坐标系P0-XaYaZa与Q0-XtYtZt的对齐实现，两坐标系与初始匹配矩阵之间存在以下关系：式中R0为初始匹配矩阵，其形式如下：根据R0，实际曲面与理论曲面之间的方向误差，即实际测量点相对于理论坐标轴Xt,Yt和Zt的旋转角度α0,β0和γ0，如下式所...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国富，江磊，李勇，马术文，黎荣，梁红琴，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51