三维坐标点集的空间直线度高精度快速评定

摘要/Abstract

摘要： 摘要：针对3维坐标点集合空间直线度误差评定时出现的精度不高、评价效率低的问题，提出一种具有较高精度和较好鲁棒性的3点高精度快速算法(3PHFA）.该算法依据国家标准规定的空间直线度有效判别形式，通过3维最小二乘法（3DLSA）拟合、空间坐标转换、坐标投影和确定最小包容圆(MCC)，并最终确定最小包容圆柱面（MCS）.通过在3DLSA基础上增加高效搜索算法，空间直线度评定精度提高约20%，耗时1 s以内.对比不同评定算法表明: 3PHFA具有效率高、精度高、鲁棒性好的优点，其误差评定精度全面优于3DLSA，适用于三坐标测量机（CMM）这类实时处理系统，具有良好的实用价值.

关键词: 空间直线度误差, 3点高精度快速算法, 最小包容圆, 误差评定

Abstract: Abstract： This paper proposed a novel highprecision, robust and fast spatial straightness error evaluation algorithm called 3 points highprecision fast algorithm (3PHFA) to deal with the problem of low precision and low efficiency when evaluating spatial straightness errors. With reference to the related national standard for construction of mathematics models, the algorithm mainly includes 3DLSA fitting, space coordinate translation, coordinate projection, and determining minimum circumscribed circle (MCC), which can determinate the minimum cylindrical surface (MCS). By adding the highly effective search algorithm to the 3DLSA algorithm, it almost improves the evaluation accuracy by 20% in less than 1 second. Compared with other evaluating algorithms, the 3PHFA has the advantages of high efficiency and accuracy, and better robustness. It is applicable to the realtime processing system such as coordinate measuring machine (CMM), and has a good practical value for evaluating machine parts.

Key words: Key words： spatial straightness, 3 points highprecision fast algorithm(3PHFA), minimum circumscribed circle(MCC), error evaluation

中图分类号:

TH 161

罗钧1，麻锦侠1，刘学明2，张平2，黄守国1，陈建端2. 三维坐标点集的空间直线度高精度快速评定[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 730-735.

HUANG Shouguo1，CHEN Jianduan2. High-Precision and Fast Evaluation of Spatial Straightness Error of 3D Coordinate Point Set[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2016, 50(05): 730-735.

参考文献

［1］LI X, SHI Z. Evaluation of roundness error from coordinate data using curvature technique ［J］. Measurement, 2010,43(2): 164168. ［2］张春阳,雷贤卿,李济顺,等. 基于几何优化的圆度误差评定算法［J］. 机械工程学报,2010,46（12）:812. ZHANG Chunyang, LEI Xianqing, LI Jishun, et al. Method for roundness error evaluation based on geometry optimization［J］. Journal of Mechanical Engineering,2010,46(12):812. ［3］杨建国,洪迈生,薛秉源. 在线圆柱度高精度测量新技术［J］. 上海交通大学学报,1994,28（增刊）:7884. YANG Jianguo, HONG Maisheng, XUE Bingyuan. A new technique for high precision online cylindrical measurement ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 1994，28（Sup.）:7884. ［4］ZHANG Xiangchao, JIANG Xiangqian, SCOTT P J.A reliable method of minimum zone evaluation of cylindricity and conicity from coordinate measurement data［J］. Precision Engineering, 2011,35(3): 484489. ［5］刘宝庆,董惠敏,符杰. 评价圆锥度误差的自适应方法［J］.大连理工大学学报,2011,51(2):200204. LIU Baoqing, DONG Huimin, FU Jie. An adaptive method for evaluation of cone error［J］. Journal of Dalian University of Technology,2011,51(2):200204. ［6］中国国家标准化管理委员会. GB/T 113362004直线度误差检测［S］. 北京：中国标准出版社，2004. ［7］廖平, 喻寿益. 基于遗传算法的空间直线度误差的求解［J］.中南工业大学学报, 1998, 29(6)：586588. LIAO Ping, YU Shouyi. Spatial straightness errors evaluation based on genetic algorithm［J］. Journal of Central South University, 1998, 29(6): 586588. ［8］LUO Jun, WANG Qian, XIAO Xianghai. A method for axis straightness error evaluation based on improved artificial bee colony algorithm［J］. International Journal Advanced Manufacture Technology, 2014, 71(5): 15011509. ［9］李淑娟,刘云霞. 基于坐标变换原理的最小区域法评定空间直线度误差［J］. 计测技术, 2006, 26(1)：2425. LI Shujuan, LIU Yunxia. A minimum zone method for evaluating spatial straightness error based on the principle of coordinate transformation［J］. Metrology & Measurement Technology, 2006, 26(1): 2425. ［10］黄富贵,崔长彩. 任意方向上直线度误差的评定方法［J］. 机械工程学报, 2008, 44(7)：221224. HUANG Fugui, CUI Changcai. Any direction straightness error evaluation method［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44 (7): 221224. ［11］ZHU Limin, DING Ye, DING Han. Algorithm for spatial straightness evaluation using theories of linear complex chebyshev approximation and semiinfinite linear programming［J］. Transaction of the ASME: Journal of Manufacturing, Science and Engineering, 2006, 128(1): 167174. ［12］胡仲勋,杨旭静, 金湘中.评定空间直线度误差的3DLSA算法研究［J］．中国机械工程，2010，21(3)：326329. HU Zhongxun, YANG Xujing, JIN Xiangzhong. 3DLSA algorithm for evaluating space straightness error［J］. China Mechanical Engineering,2010,21(3): 326329. ［13］张新宝，谢江平.空间直线度误差评定的逼近最小包容圆柱法［J］.华中科技大学学报（自然科学版）,2011, 39(12)：69. ZHANG Xinbao, XIE Jiangping. The minimum cylindrical surface approximation algorithm of spatial straightness error［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2011, 39(12): 69. ［14］ROURKE O. Computational geometry in C ［M］. 2ned. UK: Cambridge University Press, 1998: 286.

[1]	赵亮，雷默涵，朱星星，王帅，凌正，杨军，梅雪松. 高精度数控机床主轴系统热误差的控制方法[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(11): 1165-1171.
[2]	胡一星，许黎明，范帆，张哲. 曲线磨削砂轮廓形的原位视觉检测和误差补偿[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(6): 654-659.
[3]	茅梦云,彭林法,来新民. 不同晶粒的纯铜表面划痕实验研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(3): 253-259.
[4]	骞华楠，陶璟，于随然. 高精度压力机连杆机构的误差分析及精度综合[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(3): 269-275.
[5]	姚利民，张道刘，侯秀娟，刘涛，李志敏. 考虑焊接变形的装配偏差分析在动力集中型动车组中的应用[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(3): 260-268.
[6]	宋婷婷1,赵子任1，杜世昌1,任斐2，梁鑫光2. 基于马尔科夫模型的关联多工序装配系统装配质量分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2018, 52(3): 324-331.
[7]	赵子任1,杜世昌1,黄德林1，任斐2，梁鑫光2. 多工序制造系统暂态阶段产品质量马尔科夫建模与瓶颈分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1166-1173.
[8]	李贵龙，杜世昌. 发动机缸体多工序加工变形误差传递的建模与分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(4): 385-.
[9]	单俊，许黎明，胡德金. 基于球面磨削纹理的球度误差原位判别评估方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 654-659.
[10]	拓占宇，黄奕乔，沈牧文，杨建国. 基于3次样条插值的数控机床几何与热复合定位误差建模[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 668-672.
[11]	姚晓栋1,3,黄奕乔1,马晓波2,薛波3,杨建国1. 基于时间序列算法的数控机床热误差建模及其实时补偿[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 673-679.
[12]	冯文龙，黄奕乔，拓占宇，李慧敏，杨建国. 基于温度积分方法的大型数控机床光栅定位热误差建模及实时补偿[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 710-715.
[13]	马驰,赵亮,梅雪松,施虎,杨军. 基于粒子群算法与BP网络的机床主轴热误差建模[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(05): 686-695.
[14]	纪良波. 基于小波神经网络熔丝堆积三维打印精度预测模型[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(03): 375-378.
[15]	杨军,梅雪松,赵亮,马驰,冯斌,施虎. 基于模糊聚类测点优化与向量机的坐标镗床热误差建模[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(08): 1175-1182.