平行度误差的关键问题探讨与软件测试

1 平行度误差的关键问题探讨与软件测试 林 翔 福建商业高等专科学校 福建福州 350012 摘要 平行度误差评定的关键在于基准拟合 其拟合精度决定误差评定结果之精度 对于平面基准 和空间直线基准 数模重新整定 寻求全新算法 并论证其对 最小条件 要求的符合性 且通过了对程 序进行的大量算例测试 在高精度基准拟合确定基础上 研发功能完全的平行度误差评定软件 经大量算 例测试表明了其评定结果的高精度性 关键词 平行度误差 基准拟合 最小条件 软件测试 高精度 Research on the Parallelism Error and Software Testing LIN Xiang Fujian Commercial College Fuzhou Fujian 350012 Abstract Baseline fitting is a key factor in parallelism error evaluation and the fitting accuracy can influence evaluation results The paper uses data mold to construct datum and space straight line basis to find new algorithm prove the requirements of the minimum conditions and is tested by a large number of the algorithm Based on the high precision baseline fitting the software of parallelism error evaluation is designed and the high precision of evaluation result is assured by the testing Key words parallelism error baseline fitting minimum conditions Software testing high precision 一 平行度误差的关键问题 任何一种定向误差评定的关键问题 不外乎基准的确定 空间平行度误差的评定也不例外 探讨空间平 行度误差评定 按基准来区分 要考虑有2大类4种情况 一类是基准为空间平面 被测对象分空间直线和平 面2种 可简称为 线对面 平行度误差 面对面 平行度误差 另一类是基准为空间直线 被测对象同样 也分空间直线和平面2种 简称为 线对线 平行度误差 面对线 平行度误差 1 如果基准是已知的 是精确给定的 按文献 1 规定上述4种问题的解决相对简单一些 线对面 面对面 只要求出被测直线或被测平面上所有测量点到基准平面的最大距离与最小距离 二者之差即为其平行度误差值 线对线 以基准直线的方向矢量为法矢作一平面 令被测直线上所有测量点投影到该平面 对所有 投影点求最小外包圆 则此圆之直径即为其平行度误差值 面对线 以基准直线的方向矢量为法矢作一平面 令被测平面上所有测量点投影到该平面 对所有 2 投影点求二维直线度误差 则此直线度误差值即为平行度误差值 因此在基准已经给定时 上述4种情况下求平行度误差的核心问题是求 最小外包圆 直径与 二维直 线度误差 而此二问题的求解在文献 2 3 中已有详细阐述 且所求的最小外包圆直径与二维直线度误差值 的精度非常高 可以直接引用 此处不作赘述 2 如果基准未明确给出 而是通过测量得到的 那么就必须先对基准的测量点集进行平面拟合或空间 直线拟合 以确定基准 进而按上一部分所述的4种情况处理 最终求出相应的平行度误差值 显然 这种 情况下基准的拟合认定 就成为了误差评定的关键 国标 1 规定 由基准要素建立基准时 基准为该基准要素的拟合要素 拟合要素的位置应符合最小条件 按此要求 基准为空间直线的 可以引用文献 4 提供的方法求取 以该算法得出的空间直线度误差符合 最小区域 原则 因此所拟合的直线必然符合 最小条件 要求 从文献 4 罗列的算例来看 其空间直线 度误差评定的精度极佳 超过目前业界绝大部分常见的主流软件 基准为平面的 也同样要对平面测量点集进行平面拟合 拟合的硬指标也是要符合 最小条件 原则 以下对此关键问题展开探讨 二 基准平面拟合 基准平面上测量点集P Pk xk yk zk k 1 n 设基准的拟合平面为 0 其法矢记作 l m 1 按T 文献 1 关于 最小条件 的规定 求 0其实就是求 平面度误差 的过程 而且求取平面度误差的算法必须 符合 最小区域 原则 这样求得的拟合基准平面 0才满足要求 可以作为基准使用 平面度误差 属于形位误差中之形状误差范畴 现行的平面度误差算法很多 如借助matlab 5 LABview 6 等专业软件包或著名的 PC DMIS 软件 7 来设计算法的 也有利用改进蜂群算法 8 来开发算法的 但其中符合 最小区域 原则的高精度算法乏善可陈 有的算法过程复杂却难以实用 有的甚至不具备收敛 于 最小区域 的机制 为此 有必要针对关键问题重新建立数学模型并寻求符合 最小区域 原则的算法 1 平面拟合的数学模型 点集P为平面上n个测量点之集合 P Pk xk yk zk k 1 n 拟合平面方程为 0 P中任一点Pk至 0的距离为 k k 1 n 0lxmyzd kkk lxmyzd 22 1lm 按 最小区域 原则 拟合平面的目标函数 max k min k k 1 n 令目标函数f min 成立 就可求出平面 0的各个参数l m d 所得的 0就是符合 最小条件 的 拟合基准平面 3 2 计算方法 f min 是离散型的 可以求其数值解 使得f趋于极小 即f min 算法的思路是先以 最小二乘平面 求取初始的拟合平面 0 获得初始平面度误差 0值 然后不断 有意识地改变初始平面 0 指 0法向量 l m 1 使初始 0朝着可能降低 0值的方向转动 从而使计算T 过程达到 0值趋于min的目的 显然 算法的关键是在后面的过程 不妨记以 最小二乘平面 拟合得到的初始平面 0 点集 P 中距初始 0距离最大者为0lxmyzd Pi 最小者为 Pj 对应的距离为 i j Pi Pj在 0的投影 点分别为 Ai Aj 自然 AiPi i AjPj j 记 0 i j 如图一所示 沿 AiPi距 Ai距离 远处取点 Ai AiAi 是一个 甚小值 同样在 AjPj上取点 Aj AjAj 记 Ai Aj 中点 Aij 于 0上求点 Aij 满足 AijAij Ai Aj 以 Ai Aj Aij 三点作新 图一 初始拟合基准平面与测点关系 平面 0 易见 0 系 0绕 AijAij 做微小转动之后得到的 0 由 0转动获得 目的是使 值下降 这一点需要证明 记共面线段 PiAi PjAj构成的平面为 1 如图二所示 Pi至 0 的距离 i Pj至 0 的距离 j 观察 PiAi Ai PjAj Aj PiAi Ai PjAj Aj均 为钝角 故 i i j j 是有 i j i j 0 由此得证 并不是平面 0 的平面度误差 因此究竟转动得到的 0 能否把 0降下来 还需通过 P 对 0 计算平面度误差值 并与 0作比较 并分以下 3 种情况进行判断 1 若 0 平面 0 取代平面 0 然后再依上法对 平面 0作微小转动 2 若 0 则减小 值 重新在原 0基础上求 0 再通过点集 P 对 0 计算 值 判断 4 0是否成立 图二 0 0 与各测点及投影点关系 a 如果成立 类同 1 情况 按 1 操作 b 如果不成立 继续减小 值 重新在原 0基础上求 0 并返回 1 3 若 已减小为非常小的值 达到精度要求 也不能经转动 0而把 0降下来 则计算过程终止 0就是所求的拟合基准平面 0是依 最小区域 原则求取得到的 因此满足 最小条件 要求 3 基准平面拟合算法框图 5 4 编程与测试 按照上述算法框图 笔者用C语言编程 并收集了50多个关于 平面度误差 的算例加以验算 从国标 1 易知 对于给定的点集 平面度误差的评定值越小 则拟合的平面越符合 最小条件 软件经过50多个 算例测试 结果均表明以本算法计算得到平面度误差值都等于或小于原文的值 说明本算法拟合的平面更加 理想 兹随选若干算例略作比较说明 文献 5 9 中各给出了一个平面度误差算例 原文得到的误差值依次是 8 971 m 2 0268 m 0 59571mm 0 15487mm 0 0753928 用本算法进行计算 平面度误差依次为 8 971 m 1 9143 m 0 577350mm 0 15487mm 0 065163 显然本算法求得的平面度误差值精度更高 因 此求得的相应的拟合平面更符合 最小条件 三 平行度误差软件测试 1 平行度误差计算 解决了高精度的 空间直线拟合 平面拟合 问题 也就解决了平行度误差评定中基准拟合的关键 问题 平行度误差评定所涉及的4种类型 都迎刃而解了 线对线 以文献 4 的方法拟合基准直线 在此基础上以文献 3 求最小外包圆 输出直径值 面对线 同上法拟合基准直线 在此基础上以文献 2 求二维直线度误差 输出该值 线对面 面对面 以本文前述的方法拟合基准平面 基于此基准平面求出被测对象上所有测量 点至基准的最大 最小距离 求出二者之差并输出 以 在平面 0基础上求取平面 0 以点集 P Pk k 1 n 计算 输入基准平面测量点集 P Pk k 1 n 及 以 最小二乘平面 算法求初始拟合平面 0之各参数 l m d 值 及 0 0 0 取代 0 y 足够小 N 2 N y 输出 0的法矢 l m 1 及平面度误差值 0 结束 开始 6 2 编程与测试 平行度误差高精度评定软件用C语言编程 功能包括上述4项 通过数十个算例的测试 结果表明该软 件是稳定可靠的 计算得到平行度误差值具有高精度性 以下针对上述4种类型选5个算例略作说明 线对线 文献 10 给出的算例 其基准直线上分布9个测量点 被测直线上有5个测量点 原文的平 行度误差为0 740598 m 本软件计算得到的平行度误差为2 057695 m 基准的直线度误差为3 701226 m 面对线 依然是文献 10 的算例 基准直线上分布9个测量点 被测平面有16个测量点 原文的平行 度误差为10 678857 m 本软件计算得到的平行度误差为5 69515 m 基准的直线度误差为0 544669 m 线对面 还是文献 10 的算例 其基准平面上分布9个测量点 被测直线上有8个测量点 原文的平 行度误差为0 659 m 本软件计算得到的平行度误差为13 384616 m 基准的平面度误差为6 307692 m 面对面 文献 11 给出的算例 其基准平面 被测平面上各有9个测量点 原文的平行度误差为 64 2 m 基准平面度误差为32 9501 本软件计算得到的平行度误差为64 199967 m 基准的平面度为 32 9250 m 文献 12 给出的 面对面 算例 其基准平面 被测平面上各有20个测量点 原文的平行度误差为 0 049mm 基准的平面度误差为3 519142mm 本软件计算得到的平行度误差为1 866096mm 基准的平面 度误差为2 50897mm 四 结语 平行度误差的评定 基准的拟合是技术的关键 平行度误差评定结果的精度如何 取决于基准的拟合 是否符合 最小条件 原则 基准为空间直线的 其拟合问题已经得到较好的解决 本文主要解决基准为平 面时的高精度拟合问题 从平面拟合的数模 算法 编程 以及大量的软件测试结果来看 平面拟合是符合 最小条件 原则的 在这个基础上 笔者研发了一个完整的平行度误差的评定软件 功能齐全 运算稳定 同样经过大量 的算例测试 测试结果充分说明了其高精度性 软件达到了研发目的 较之目前业界平行度误差评定的主流 程序 本软件在计算精度上有一定的优势 参考文献 1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 产品几何量技术规范 GPS 形状和位置公差检测规定 GB T 1958 2004 M 中国标准出版社 2005 7 2 林翔 直线度误差的新算法及其在微机上的实现 J 计量技术 2007 8 19 21 3 林翔 两种圆度误差评定方法之精确算法及其编程 J 福建商业高等专科学校学报 2006 6 126 7 128 4 林翔 空间直线度误差新算法及其编程 J 佛山科学技术学院学报 自然科学版 2012 30 1 45 49 5 史立新 朱思洪 基于 Matlab 的平面度误差最小区域法评定 J 组合机床与自动化加工技术 2005 9 58 59 6 杨碧仪 黄镇昌 由虚拟仪器 LabVIEW 实现最小区域法评定平面度误差 J 现代制造工程 2004 12 76 77 7 杨伟敏 PC DMIS 软件平