SiPESCOPT集成Virtual Lab多学科仿真传感器坐标轴向距离优化设计

LMS Virtual.Lab软件是一个集成的仿真软件分析平台，应用于机械系统的仿真设计，如噪声、振动、系统动力学和疲劳。在传感器结构设计和器件布置过程中，影响传感器精度的设计参数较多。因此，从优化角度处理这些影响因子是提高传感器精度的关键所在。

工程结构设计过程中，工程设计人员需要精准设置某些器件参数，通过调整传感器之间的距离和位置，以提高测量精度、减少干扰并优化性能。为了避免重复无效的试验设计，节约产品设计中的成本，SiPESC.OPT设计了专用的Virtual Lab软件集成工具，满足Virtual Lab用户对优化的需求。因此，针对传感器坐标轴向距离优化设计具有重要的现实意义和应用价值。

SiPESC.OPT是大工星派仿真科技（北京）有限公司研发的多学科优化软件。SiPESC.OPT拥有成熟的多样的第三方接口，提供包括：LocalApplication、Python、JavaScript、Cmd、UG、CATIA、SolidWorks、Pro/e、ANSYSWorkbench、Nastran、ABAQUS、HyperWorks、Matlab、Excel、CFX、AMESim、VirtualLab、Mulitiple等软件快速集成的计算盒子工具；丰富的优化算法、试验设计算法、近似模型算法，不确定性传播估计，鲁棒性优化设计，用户可以方便的搭建各种复杂优化任务流程，搭建多学科优化任务流程。可广泛用于汽车、航空、消费电子、能源等多个行业，减少产品开发周期，提高设计效率和创新能力。SiPESC.OPT能够完成传感器坐标轴向距离多学科仿真优化设计。

优化任务的建立

1.1优化模型中设计变量定义

轮胎传感器系统如下：

图1轮胎传感器系统图

在布置轮胎传感器设计中，需要找到一组合适的参数：弹簧刚度系数，阻尼系数来精准控制传感器轴向距离。。

轮胎传感器设计中弹簧刚度为Spring_Stiffness、振动阻尼为Shock_Damping，中间变量Cost Function，目标为传感器坐标轴之间的距离Measure_Distance。在星派SiPESC.OPT中，配置优化模型过程设置设计变量的名称、当前值、上下界设置、目标名称、约束名称的界面如图2所示。

图2 定义优化模型

1.2优化模型中响应计算的定义

星派SiPESC.OPT目前提供多种用于表示问题事件的计算工具计算响应，包括Python、ANSYS、ABAQUS、Matlab、VirtualLab等。轮胎传感器设计过程中，使用了VirtualLab作为计算工具计算响应，Virtual Lab计算盒子界面配置如下：

图3 计算盒子界面配置

在星派SiPESC.OPT中，定义目标如图4所示。

图4 定义响应的计算

1.3优化求解算法设置

星派SiPESC.OPT目前提供多种用于求解优化问题的算法，包括SQP、MMA、CMMA、Hooke Jeeves等。轮胎传感器设计优化设计过程中，使用了SQP算法进行优化设计，在星派SiPESC.OPT中，选择SQP优化算法进行设计，优化算法类型选择和算法参数的定义界面如图5所示。这些参数的设置确保了优化过程的高效性和准确性。

图5优化算法设置

1.4优化任务流程的搭建

星派SiPESC.OPT搭建优化流程中，需要将以上定义的模型、求解器、响应计算通过传递数据的线进行连接，连接后的任务流程如图6所示。优化任务搭建之后，点击运行即可进行求解。

图6优化流程搭建

1.5求解和运行

星派SiPESC.OPT中，将优化流程搭建好之后，点击运行即可执行优化设计，SiPESC.OPT优化运行结果如图7所示。

图7 星派SiPESC.OPT 运行结果展示

结果与应用

优化结果表明，星派SiPESC.OPT能够完成轮胎传感器优化设计。具体优化设计结果中，当弹簧刚度Spring_Stiffness =48450.5、阻尼系数Shock_Damping =13009.9时，此时传感器轴间距Measure_Distance =3.457E-09，优化后轴间距得到精准调控，目标从0.0813951减少到3.457E-09，优化取得非常好的效果。

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坐标测量技术

传统测量技术与坐标测量技术的比较

坐标测量技术是通过探测工件上的一个个单点进行测量的 （图３.1４），探测的类型在坐标测量技术的体系图 （图３.12中的第２行）中介绍如下。

有些坐标测量机具有扫描功能，一种持续探测方法可实现两个点或多个点的探测，例如自行对中探测方式 （图３.15）。

测量中存在的问题

图3.15ａ是一种Ｖ形槽的自行对中探测，针头同时接触工件上的２个点。这实际上已经不是坐标测量技术意义上的探测了，而是用这样的探测点代表 Ｖ形槽两个面的交线上的点。这些测量得到的点在体系图 （图3.12）中不再是处于第２行， 而是在第７行。当然体系图中求 “交点”的步骤，探测槽的两个平面、确定拟合平面、 确定相交线都不需要一一执行了，并且也不能回溯了。但这样也会造成一些问题：不能确定究竟是两个平面都存在形状偏差还是只有一个平面存在形状偏差、不能确定两个平面之间的夹角是否正确等。进一步地计算，例如确定拟合直线、确定拟合直线的位置， 则可以通过常规探测点来进行。

在对孔进行自行对中探测时，探针针头（例如圆锥形针头）同时接触工件上两个或更多的点 （图3.15ｂ）。这里可以直接确定一个交点———工件圆柱面的轴线与工件上表面的交点，而无需进行这些步骤：探测工件上表面、探测圆柱面、确定拟合平面、拟合圆柱面及其轴线、计算圆柱面与平面的交点。但这样的测量同样也不能测出平面的形状偏差、圆柱面的形状偏差、圆柱的直径、圆柱面与平面的垂直度等。值得注意的是， 由于探测是在工件的棱边上完成的，因此棱边上的毛刺或损伤会对探测造成影响。这样直接获取的交点在坐标测量技术的体系图中可继续使用，也就是说通过交点可以获得拟合要素，如拟合直线等。

图3.1介绍了利用长度测量机在测试台上测量直径 （两点法），圆柱通过来 回移动形成机械切线， 如图3.16所示。坐标测量技术体系图中 也包含切线，图３.13中的第29行， 这里的切线无须经过中间步骤而直接得到。

利用螺旋测微仪探测圆柱面，得到两条平行的切线（图３.16ｂ），这个步骤在体系图中处在比较靠后的位置。当圆柱面有形状偏差时，这两条切线间的距离并不代表拟合圆柱的直径。

在进行光学二维探测时可以不经中间步骤得到一些点，如投影在平面上的点（图3.13中的第23行），这一步骤也处在体系图中比较靠后的位置。

通过工件上的三个点可以不经拟合确定一个平面 （图3.12中的第２行），如果将这个平面作为基准平面，则可直接获得工件坐标系的一个主平面 （图3.13中的第21行）。如果把工件安装于两个对中顶尖的夹具中，能直接定出轴线，通常作为工件坐标系的轴线。

总结：传统测量技术可以直接确定点、线、面甚至尺寸。在待测平面的尺寸偏差、 形状偏差和位置偏差满足一定条件的前提下，传统测量技术和坐标测量技术的测量结果会有很好的一致性。如果不满足这个前提，即形位偏差不小于公差，传统测量技术与坐标测量技术的测量结果将有很大出入，由图3.12和图3.13所示的体系图就可以解释这种差异产生的原因了。

以上内容节选自《坐标测量技术 原书第2版》作者[德]阿尔伯特·韦克曼(Albert Weckenmann) 等

《坐标测量技术 原书第2版》由德国埃尔兰根-纽伦堡大学阿尔伯特·韦克曼(Albert Weckenmann)教授等专家著写而成，书中详细介绍了坐标测量技术，包括测量任务,测量原则和设备技术，用于坐标测量的传感器，先进仪器仪表工程学基础，由设计图经检验计划再到检测计划，由检测计划经编程、执行和评定直至测量结果表示，特殊的测量任务，测量不确定度和测量值的可回溯性、测量经济性以及测量培训等内容。

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目录

目录

译者序

序

作者简介

第1章绪论1

1.1加工测量技术的目的与测量对象1

1.2工件的几何形状5

1.3对形状测量和检验的分类6

1.4长度、角度的单位及回溯8

1.5生产用测量机和辅助设备9

1.6坐标测量技术和坐标测量机10

1.7多传感器测量机13

1.8发展历史15

参考文献17

第2章测量任务19

2.1测量的目的19

2.2几何特征的规范19

2.2.1公称几何体的表现形式19

2.2.2 国际公差原则中的独立原则20

2.2.3线性尺寸21

2.2.4几何公差公差带23

2.2.5形状公差25

2.2.6基准和基准体系26

2.2.7位置公差29

2.3互换性验证30

2.3.1分离31

2.3.2提取32

2.4滤波34

2.5拟合35

2.6产品几何技术规范及检验37

参考文献39

第3章基本原则和设备技术 40

3.1传统测量40

3.1.1两点尺寸40

3.1.2三点尺寸41

3.1.3正弦台41

3.1.4两点距离42

3.1.5平面上的孔中心距42

3.1.6传统测量技术的总结42

3.2坐标测量技术的基本原理43

3.2.1点的探测和拟合计算43

3.2.2替代面和替代线44

3.2.3测点的最小数量44

3.2.4探测点的数量46

3.2.5工件坐标系的举例46

3.2.6不同的拟合标准46

3.2.7位置偏差的定义47

3.2.8坐标测量技术的体系48

3.2.9传统测量技术与坐标测量技术的比较51

坐标测量技术原书第2版目录3.3设备技术53

3.3.1设备结构53

3.3.2探针、校正、多重探针、测头半径的修正58

3.4辅助设备60

3.4.1换针设备60

3.4.2旋转测头座61

3.4.3转台61

3.4.4扫描62

3.4.5自动更换工件63

3.4.6减小环境对坐标测量机的影响63

3.5替代测量法63

3.6形状偏差的测量64

参考文献65

第4章用于坐标测量的传感器68

4.1接触式测量68

4.1.1引言和基础知识68

4.1.2用于接触式探测的传感器71

4.1.3测量偏差 75

4.1.4用于坐标测量技术的接触式三维探测系统实例82

4.1.5接触式探测系统及附件的使用86

参考文献86

4.2视觉传感器87

4.2.1成像系统87

4.2.2照明系统89

4.2.3照相技术91

4.2.4图像分析软件92

4.2.5图像处理传感器在坐标测量机中的安装95

参考文献97

4.3非接触式距离传感器97

4.3.1测量的基本原理98

4.3.2带傅科刀口的距离传感器99

4.3.3三角测量传感器100

4.3.4摄影测量101

4.3.5条纹投影102

4.3.6变焦103

4.3.7共聚焦距离传感器103

4.3.8白光干涉105

4.3.9锥光距离传感器106

参考文献107

4.4扫描探针显微技术108

4.4.1简介与基础知识108

4.4.2具有扫描探针显微技术的坐标测量技术111

参考文献113

第5章先进仪器仪表工程学基础114

5.1激光跟踪仪114

5.1.1引言114

5.1.2应用案例117

5.1.3测量不确定度和标准118

5.1.4新技术122

5.1.5总结和展望123

参考文献123

5.2关节臂坐标测量机124

5.2.1关节臂坐标测量机的操作124

5.2.2带线性引导的Z轴关节臂坐标测量机124

5.2.3多关节臂坐标测量机126

5.2.4关节臂坐标测量机的检测129

参考文献130

5.3 3D纳米测量和纳米定位设备130

5.3.1引言130

5.3.2纳米定位设备和纳米测量设备的技术现状131

5.3.3激光干涉仪长度测量技术133

5.3.4用于纳米测量仪的激光干涉仪138

5.3.5纳米坐标测量机139

参考文献150

5.4X射线断层摄影术151

5.4.1X射线的产生153

5.4.2图像记录154

5.4.3机械结构与辐射防护155

5.4.4体积和测量点计算156

5.4.5X射线法的测量误差157

5.4.6X射线断层坐标测量机应用领域的扩展159

5.4.7X射线断层摄影坐标测量机的应用161

参考文献162

5.5光学测量系统163

5.5.1三角测量原理163

5.5.2主动三角测量法对工件表面的非接触式光学检测165

5.5.3被动三角测量法对工件表面的光学检测167

5.5.4摄影测量跟踪系统的几何测量168

5.5.5光线传播时间法的非接触式光学几何测量170

5.5.6镜面的光学几何测量171

参考文献171

5.6多传感器测量172

5.6.1多视角的光学测量系统172

5.6.2多传感器三坐标测量仪176

参考文献180

5.7室内GPS（全球定位系统）181

5.7.1iGPS的工作原理及组成181

5.7.2测量系统的缩放183

5.7.3测量系统中不均匀的误差分布183

5.7.4应用示例：机器人控制184

参考文献185

5.8集成进机床的测量技术185

5.8.1制造测量技术的定义和分类185

5.8.2预处理和后处理测量技术185

5.8.3三维校准的潜力186

5.8.4集成在机床上的传感器188

5.8.5在线测量技术188

5.8.6气动在线测量技术190

5.8.7未来发展191

参考文献191

第6章由设计图经检验计划再到检测计划193

6.1检验规划介绍193

6.1.1资料审查193

6.1.2特征识别194

6.1.3检验特征的选择194

6.1.4完成检验特征的处理（适用）195

6.1.5与专业领域协调196

6.1.6检验计划的编写196

6.1.7检验计划的内容196

6.2坐标测量技术中检验特征的处理196

6.2.1引言196

6.2.2分析检验任务197

6.2.3定义测量策略198

6.2.4确定测量流程214

6.2.5测量准备216

6.3用于坐标测量技术检验规划的软件支持218

参考文献218

第7章由检测计划经编程、执行和评定直至测量结果表示220

7.1编程220

7.1.1用于坐标测量机编程的软件221

7.1.2用于输入信息的计算机辅助接口：CAD和规划软件223

7.1.3仿真和干涉控制228

7.1.4计算机辅助的测量程序的传输229

7.1.5生产中自动化系统的编程230

7.1.6特殊测量任务的编程232

7.2坐标（点）的测量与评定233

7.2.1测量：运行测量程序233

7.2.2评定：从测量点导出信息233

7.3结果的表示和传输242

7.3.1测量报告的生成及其类型243

7.3.2计算机测量结果的传输244

参考文献246

第8章特殊的测量任务251

8.1复杂几何体的测量任务谱252

8.1.1用解析几何描述的待测零件（功能已知）252

8.1.2待测零件数值逼近几何描述254

8.2测量任务的定义255

8.2.1标定点的测量任务定义255

8.2.2沿着标定线的测量任务定义256

8.2.3通过3D形貌的测量任务定义256

8.3测量策略的定义257

8.3.1选择和评价准则257

8.3.2与设备结合的测量策略258

8.3.3测量程序编制和检测过程编程的阶段258

8.4校准262

8.4.1复杂待测零件的校准方法262

8.4.2按工件基体或者功能确定的基准面的校准263

8.4.3自由曲面的校准263

8.4.4相似变换的校准266

8.4.5零件表面校准266

8.5测量数据评定268

8.5.1自由造型曲面测量数据评定268

8.5.2齿轮测量的特殊情况273

8.5.3特殊的评定方法274

8.6以功能为导向的检验275

8.6.1坐标测量技术中数字的功能检验原理275

8.6.2圆柱齿轮表面承压图测量实例276

参考文献276

第9章测量不确定度和测量值的可回溯性278

9.1计量可回溯性278

9.2确定测量不确定度279

9.2.1测量不确定度结算280

9.2.2校准工件的测量不确定度的计算288

9.2.3通过仿真计算测量不确定度289

9.2.4系统偏差的修正289

9.3坐标测量机的验收和监督291

9.3.1探测偏差293

9.3.2长度测量偏差294

9.4检测过程和测量系统的适用性验证296

参考文献298

第10章经济性300

10.1成本300

10.2测量的用途和成果301

10.2.1评估测量成果的参考模型301

10.2.2方法304

10.3评定方法306

10.3.1合格评定（定型评定）306

10.3.2过程能力的研究308

10.3.3统计过程控制312

参考文献314

第11章培训316

11.1引言316

11.2培训形式317

11.3现代培训方案CMTrain318

11.4未来培训展望320

参考文献322

相关问答

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