[發明專利]一種基于測量點與自適應差分進化算法的工件姿態調整方法

有效

• 申請號: 201810081803.2
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108279643B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 丁國富;江磊;李勇;馬術文;黎榮;梁紅琴
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 劉凱

本發明公開一種基于測量點與自適應差分進化算法的工件姿態調整方法，包括初始匹配與精確匹配兩步；首先，在理論工件曲面與實際曲面上分別選取參考點建立對應的局部坐標系，通過局部坐標系的粗對齊來實現初始匹配；在精確匹配中，通過初始匹配后的點集建立了基于最小二乘距離的目標函數，利用自適應差分進化算法搜索使目標函數值最小的最優解，從而獲得最佳精確匹配矩陣；經上述兩步，可求得最終的空間變換矩陣，并結合機床結構計算出對應機床的調整量，通過調整機床實現工件姿態的調整，保證工件精確定位與余量的均布。本發明實現了ISO五軸數控機床加工測試件的姿態調整與精確定位，驗證了該方法的有效性。

技術領域

本發明涉及數控加工技術領域，具體為一種基于測量點與自適應差分進化算法的工件姿態調整方法。

背景技術

工件精確定位與余量分布均化是保證加工精度的關鍵，通過實時調整工件姿態，使其與理論姿態保持一致是實現精確定位與余量均布的直接有效的方法。余量分布對保證加工精度至關重要，而工件姿態對余量分布影響顯著。在機械加工中，由于多次裝夾等原因，工件姿態容易發生變化，因此有必要尋找一種方法來保證工件姿態的準確性。

關于匹配問題，Besl最先提出了迭代最近點(ICP)算法，該算法被廣泛應用于點云配準，在特定的初始條件下能夠較好地實現曲面匹配；在傳統ICP算法基礎上，研究者提出了新的匹配算法，Liu提出了一種新穎的自由曲面匹配算法，該方法通過基于共線性和接近性約束條件建立的傳統ICP準則來直接處理可能的點匹配，而不需要任何特征提取、圖像預處理或異常數據的運動估計；Du提出了一種基于期望最大化(EM)估計的有界尺度的概率迭代最近點算法，用于噪聲點集的各向同性尺度配準；針對自由曲面及其他類型曲面的匹配問題，Zhang提出了一種點到最近點的迭代匹配算法，該算法采用基于距離分布的統計方法實現異常點的處理。然而，就ICP算法而言，其魯棒性和收斂速度有待提高，且采用該算法獲得的解很可能是局部最優解。為了提高ICP算法的收斂速度與運算精度，Lena提出了收斂迭代最近點算法，該方法使得局部曲面匹配的精度大幅提升；針對3D點云，Ge提出了基于非線性Gauss-Helmert 模型和非線性最小二乘的點云數據配準方法，并完成相關三維模型的重構，該方法在收斂速度和配準精度上優于ICP算法。在機械加工中，曲面匹配主要用于復雜零件的定位與余量優化，在曲面匹配的實際應用中，眾多研究者也進行了相關的研究工作。Yan為解決數控加工中復雜曲面類零件的定位問題，提出了兩步匹配法，算法分為粗匹配與精確匹配，在精確匹配中引入了遺傳算法(GA)；Ko提出了一種針對自由曲面造型三維物體的匹配方法，該方法將匹配問題歸結為采用區間投影法(IPP)求解非線性方程系統，并將曲面的高斯曲率和平均曲率作為匹配特征，該方法可實現全局及局部特征的匹配；Mehrad通過粗定位與精確定位，實現了基于曲率和距離相似性的點到設計模型的匹配，該方法穩定性較好，但由于B樣條曲面的重構，該方法在運行效率上有改進空間；Shen針對大型的復雜自由曲面類毛坯件的最佳定位，提出了最佳匹配算法，該算法極大地改善了毛坯件余量分布，提高了加工效率；Zhang提出了基于三坐標測量的加工余量優化模型，該方法通過坐標對齊以確保毛坯件具有足夠的加工余量；Sun針對復雜曲面加工提出了一種統一定位模型，并通過BFGS算法實現余量優化，該方法也涉及到了匹配過程，以滿足用戶定義的需優先保證加工余量的特定表面的約束。

上述匹配算法大多是針對點云與設計模型的匹配，且大多算法需要在已知曲面參數方程或其他曲面特性參數的情況下實現。對于不規則曲面，其曲面參數方程的確定較為困難。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種基于測量點與自適應差分進化算法(Self-adaptive Differential Evolution Algorithm，后面簡稱SADE)的工件姿態調整方法，通過對工件姿態的實時調整，輔助完成工件的精確定位，以確保工件每一工序余量分布均勻，提高加工精度；該方法只需少數測量點，因此對規則與非規則曲面都具有良好的適用性。技術方案如下：

一種基于測量點與自適應差分進化算法的工件姿態調整方法，包括：