基于遺傳算法的機(jī)械零件形位誤差評定

前言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的飛速發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，促使人們對機(jī)械零件幾何要素的形狀誤差越來越重視，準(zhǔn)確測得零件的形狀誤差一直是國內(nèi)外同行普遍關(guān)注的問題。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1996年發(fā)布，1997年實(shí)施形狀和位置公差新的國家標(biāo)準(zhǔn)，并且與形狀誤差的ISO標(biāo)準(zhǔn)相符合。形狀誤差的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)給出的只是一種幾何定義，并沒有給出誤差最小區(qū)域解的判定方法。最小條件計(jì)算形位誤差是國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)的基本原則，所獲得評定結(jié)果具有唯一性，可最大限度地確保被測產(chǎn)品合格，避免不必要的損失。但是，由于形位誤差按最小條件評定，其本質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜非線性最優(yōu)化問題，運(yùn)用傳統(tǒng)的方法難以直接求解?，F(xiàn)有的形位誤差測量數(shù)據(jù)的評定方法大多得到的是一些近似值，有時(shí)還會產(chǎn)生較大的誤差，在誤差評定的過程中會產(chǎn)生爭議。如最小二乘法僅僅提供形狀誤差的近似評價(jià)結(jié)果，并不能保證解的最小區(qū)域性。究其原因，是這些計(jì)算方法在形狀誤差數(shù)學(xué)模型和處理方法方面不符合形狀誤差最小條件的定義，而且不同的測量方法所得到的結(jié)論不一致，在某些場合下可能會引起爭議。如何快速準(zhǔn)確地計(jì)算形狀誤差已日益顯得非常重要，遺傳算法在處理這類復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題時(shí)具有獨(dú)到之處，隨著人們研究的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，為有效評定形位誤差提供了一種新的途徑。20世紀(jì)60年代初，美國Michigan大學(xué)的JohnHolland教授開始研究自然和人工系統(tǒng)的自適應(yīng)行為，在從事如何建立能學(xué)習(xí)的機(jī)器研究過程中，受達(dá)爾文進(jìn)化論的啟發(fā)，逐漸意識到為獲得一個(gè)好的算法僅靠單個(gè)策略建立和改進(jìn)是不夠的，還要依賴于一個(gè)包含許多候選策略的群體的繁殖，從而提出了遺傳算法的基本思想?；诙M(jìn)制編碼的遺傳算法的特點(diǎn)是遺傳操作簡單，但對于實(shí)數(shù)空間的尋優(yōu)，存在人為地將連續(xù)空間離散化，從而導(dǎo)致計(jì)算精度與編碼長度、計(jì)算工作量之間的矛盾。為此，開展實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的理論研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本書是作者長期從事智能算法、形位誤差評定理論與方法研究所取得成果的一個(gè)總結(jié)，主要內(nèi)容如下。1 實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的理論研究提出了基于歸一化實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法；給出了復(fù)制算子、交差算子、變異算子的選取和適應(yīng)度函數(shù)的定義；對基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的模式定理進(jìn)行了分析；研究了一維和多維歸一化實(shí)數(shù)編碼長度與優(yōu)化精度的關(guān)系；用馬爾可夫鏈分析了歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的收斂性；探討了歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的計(jì)算效率和性能；針對多維尋優(yōu)問題，提出了基于歸一化實(shí)數(shù)編碼多維并行遺傳算法。2 基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的函數(shù)優(yōu)化應(yīng)用歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法研究函數(shù)優(yōu)化問題，對控制參數(shù)、遺傳算子和適應(yīng)度函數(shù)的選擇進(jìn)行了探討，并對其收斂速度進(jìn)行了分析；結(jié)合懲罰函數(shù)法和模擬退火法來實(shí)現(xiàn)求解約束優(yōu)化問題；通過一系列典型函數(shù)對其性能進(jìn)行測試，證明采用歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法求解函數(shù)優(yōu)化問題可獲得最優(yōu)解。3 基于遺傳算法的基本幾何形狀誤差的評定按照最小區(qū)域法的評定準(zhǔn)則，分別建立了描述圓度誤差、平面直線度誤差、空間直線度誤差、平面度誤差、圓柱度誤差、圓錐度誤差、球度誤差和橢球度誤差的數(shù)學(xué)模型，采用基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的研究成果，精確計(jì)算基本幾何形體的形狀誤差。4 基于遺傳算法的基本幾何位置度誤差的評定按照最小區(qū)域法的評定準(zhǔn)則，分別建立了描述平行度誤差、垂直度誤差、同軸度誤差、傾斜度誤差、對稱度誤差、位置度誤差、圓跳動誤差、全跳動誤差的數(shù)學(xué)模型，采用基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的研究成果，精確計(jì)算基本幾何形體的位置度誤差。5 基于遺傳算法的平面曲線形狀誤差計(jì)算建立了基于智能算法的平面參數(shù)曲線形狀誤差數(shù)學(xué)模型，借助NURBS樣條函數(shù)建立了適合遺傳算法計(jì)算的復(fù)雜平面曲線形狀誤差數(shù)學(xué)模型，采用歸一化實(shí)數(shù)編碼多維并行遺傳算法進(jìn)行求解，獲得了滿足最小區(qū)域法的平面曲線形狀誤差的解。6 基于遺傳算法的復(fù)雜幾何形體形狀誤差計(jì)算按照最小區(qū)域法評定準(zhǔn)則，建立了基于智能算法的參數(shù)曲面形狀誤差數(shù)學(xué)模型，借助NURBS曲面建立了復(fù)雜曲面形狀誤差數(shù)學(xué)模型，采用歸一化實(shí)數(shù)編碼多維并行遺傳算法進(jìn)行求解，所獲得的結(jié)果符合最小區(qū)域法的評定原則。7 形位誤差評定在燃?xì)廨啓C(jī)制造中的應(yīng)用應(yīng)用基于智能算法的形位誤差評定的研究成果，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)，基于NURBS曲面進(jìn)行了轉(zhuǎn)子葉片的葉面外形重構(gòu)，分別提出了轉(zhuǎn)子葉片的葉面截面形狀誤差評定、轉(zhuǎn)子葉片的葉面形狀誤差評定、葉片的制造位置度誤差評定、轉(zhuǎn)子葉片的安裝位置度誤差評定方法。本書的撰寫和相關(guān)研究工作得到了中國工程院院士鐘掘教授、西安交通大學(xué)虞烈教授、西安交通大學(xué)“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家王鐵軍教授以及東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司的關(guān)心和支持，借此機(jī)會表示由衷的敬意與感激。本書了得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“大型動力裝備制造基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目（編號：2007CB707700）和“高性能復(fù)雜制造”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助，高曉毅和戴能云在相關(guān)研究中也做了大量工作。在出版過程中，東方汽輪機(jī)有限公司的劉學(xué)云高級工程師給予了大力的幫助，在此一并表示衷心的感謝。著者2011年10月

內(nèi)容概要

　　《基于遺傳算法的機(jī)械零件形位誤差評定》系統(tǒng)地建立了形位誤差的評定數(shù)學(xué)模型，研究了基于遺傳算法的形位誤差評定方法，并對傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法，給出了基于遺傳算法的各種形位誤差評定方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，最后結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)，進(jìn)行了基于NURBS曲面轉(zhuǎn)子葉片的葉面外形重構(gòu)研究，分別提出了轉(zhuǎn)子葉片的葉面形狀誤差評定、葉片的制造位置度誤差評定、轉(zhuǎn)子葉片的安裝位置度誤差評定方法?！　　痘谶z傳算法的機(jī)械零件形位誤差評定》可作為高等院校機(jī)械類專業(yè)高年級學(xué)生或研究生的教材和參考書，也可供從事機(jī)械設(shè)計(jì)、制造工藝、計(jì)量測試和智能算法研究和應(yīng)用的科技人員和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 綜述1.1 形位誤差檢測的發(fā)展歷史背景1.2 基本幾何形體形位誤差計(jì)算的研究現(xiàn)狀1.3 復(fù)雜幾何形體形位誤差計(jì)算的研究現(xiàn)狀1.4 遺傳算法產(chǎn)生背景1.5 遺傳算法的研究現(xiàn)狀第2章 基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的研究2.1 概述2.2 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的模式定理的研究2.3 確定歸一化實(shí)數(shù)編碼長度2.4 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法種群規(guī)模的確定2.5 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的種群均勻初始化2.6 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的選擇算子2.7 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的交叉算子2.8 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的變異算子2.9 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)2.10 交叉、變異概率的自適應(yīng)調(diào)整2.11 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法收斂性的馬爾柯夫鏈分析2.12 歸一化實(shí)數(shù)編碼多維并行遺傳算法第3章 歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法在函數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用3.1 概述3.2 基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的無約束函數(shù)優(yōu)化3.3 基于歸一化實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的約束函數(shù)優(yōu)化3.4 歸一化實(shí)數(shù)編碼多維并行遺傳算法性能測試第4章 基于遺傳算法的基本幾何形狀誤差計(jì)算4.1 概述4.2 測點(diǎn)到直線的最小距離4.3 圓度誤差計(jì)算4.4 直線度誤差計(jì)算4.5 平面度誤差計(jì)算4.6 圓柱度誤差計(jì)算4.7 球度誤差計(jì)算4.8 圓錐度誤差計(jì)算4.9 橢球度誤差計(jì)算第5章 基于遺傳算法的位置誤差計(jì)算5.1 概述5.2 基準(zhǔn)的理想要素建立5.3 平行度誤差評定5.4 垂直度誤差評定5.5 傾斜度誤差評定5.6 同軸度誤差評定5.7 對稱度誤差評定5.8 位置度誤差評定5.9 圓跳動誤差評定5.10 全跳動誤差評定第6章 基于遺傳算法的復(fù)雜平面曲線形狀誤差計(jì)算6.1 平面曲線形狀誤差的定義6.2 測點(diǎn)的二維坐標(biāo)變換6.3 測點(diǎn)到理論曲線輪廓最小距離的計(jì)算6.4 平面參數(shù)曲線形狀誤差計(jì)算6.5 復(fù)雜平面曲線形狀誤差計(jì)算第7章 基于遺傳算法的曲面形狀誤差計(jì)算7.1 概述7.2 曲面形狀誤差的定義與數(shù)學(xué)模型7.3 基于分割逼近法的測點(diǎn)到曲面最小距離的計(jì)算7.4 復(fù)雜曲面形狀誤差計(jì)算第8章 形位誤差評定在燃?xì)廨啓C(jī)制造中的應(yīng)用8.1 燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片測量數(shù)據(jù)預(yù)處理8.2 燃?xì)廨啓C(jī)葉片的葉面外形重構(gòu)8.3 基于實(shí)測點(diǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片重構(gòu)模型的光順8.4 實(shí)測基準(zhǔn)點(diǎn)與理論基準(zhǔn)點(diǎn)最佳匹配8.5 燃?xì)廨啓C(jī)葉片的葉面截面形狀誤差評定8.6 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉面形狀誤差評定8.7 燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造位置度誤差評定8.8 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片的安裝位置度誤差評定參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：1.5.1.7 遺傳算法與其他算法的集成應(yīng)用盡管遺傳算法具有廣泛的適應(yīng)性，但就一些特殊領(lǐng)域而言，遺傳算法一般不是最成功的優(yōu)化算法，有時(shí)比不上專門處理該領(lǐng)域問題的優(yōu)化算法。為了改善遺傳算法的搜索能力，提高搜索速度，使遺傳算法得到有效的應(yīng)用，一些學(xué)者著手研究與其他算法的集成。Lin等將模擬退火算法與遺傳算法集成，構(gòu)成模擬退火遺傳算法；Ackley將遺傳算法與爬山法相結(jié)合，Davis采用額外移動算子將專門領(lǐng)域的優(yōu)化技術(shù)與遺傳算法結(jié)合起來解決實(shí)際優(yōu)化問題。同樣，適應(yīng)度函數(shù)的研究也在不斷的深入與完善之中。1.5.1.8 并行遺傳算法的研究在自然界生物的進(jìn)化過程中，不同的物種總是同時(shí)向前進(jìn)化的；在同一物種的內(nèi)部，也同時(shí)存在著大量的個(gè)體在通過自然選擇、交配和基因突變而不斷向前進(jìn)化。遺傳算法是對自然界生物進(jìn)化的一種模擬，因此，本身也隱含著并行機(jī)制。隨著大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的不斷普及，并行分布的遺傳算法及其實(shí)現(xiàn)的研究也開始受到重視。但要真正實(shí)現(xiàn)遺傳算法的并行化并不是一件容易的事，這是因?yàn)樵谶z傳算法中要考慮全局控制，從而使得整個(gè)進(jìn)化過程中需要高的通信開銷。為了克服這一限制，人們?yōu)檫z傳算法提出了一些并行實(shí)現(xiàn)策略，并取得了較好的效果。并行遺傳算法的研究主要有以下三種計(jì)算模型：主從式并行算法；細(xì)粒度模型（或稱鄰域模型）；粗粒度模型（或稱孤島模型）。并行遺傳算法的研究才剛剛開始，如何發(fā)揮遺傳算法的并行機(jī)制并設(shè)計(jì)出有效的并行遺傳算法及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對于遺傳算法的理論研究和應(yīng)用研究都具有十分重要的意義。

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《基于遺傳算法的機(jī)械零件形位誤差評定》是由化學(xué)工業(yè)出版社出版的。

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