引用本文

尹培丽, 王建华, 陈阳泉, 王飞跃. 平行测量:复杂测量系统的一个新型理论框架及案例研究. 自动化学报, 2018, 44(3): 425-433. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170192

YIN Pei-Li, WANG Jian-Hua, CHEN Yang-Quan, WANG Fei-Yue. Parallel Measurements: A New Theory and Framework for Complex Measurement System and A Case Study. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(3): 425-433. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170192

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c170192

关键词

复杂测量系统，溯源，平行测量，人工测量系统，平行控制 

摘要

分析了复杂测量系统的溯源研究现状，指出现有的研究已不能满足复杂测量系统的动态化溯源需求，提出了建立人工测量系统的必要性.基于ACP（Artificial societies，computational experiments，and parallel execution）方法建立了平行测量系统的理论框架，通过构建与物理测量系统行为和特性等价的人工测量系统，借助人工测量系统的计算实验，确定测量优化控制策略，引导物理测量系统的运行，并进行评估，实现物理测量系统和人工测量系统的平行执行和平行控制，将物理测量系统溯源至人工测量系统的理论模型上，解决复杂测量系统的溯源问题.并以齿轮在位测量系统为例，对平行齿轮测量系统进行了设计和平行控制研究.

文章导读

机器是改造世界的工具, 仪器是认识世界的工具, 而认识世界往往是改造世界的先导.仪器是测量技术的载体, 测量技术是机械制造的"眼睛".随着机械制造业智能数字化、交叉综合化、柔性集成化以及精密微型化的发展总趋势, 使得测量技术的范围越来越广, 精度要求越来越高, 面临的挑战越来越大[1-2].测量参数的定义更加复杂, 被测对象的尺寸小到纳米、原子量级, 大到几十米甚至几百米, 形貌也从简单型面扩展到复杂型面.计量模式从非现场离线计量发展到现场在线计量, 从传统的静态计量到现在的静态与动态同步计量.计量形态也从简单信息到多信息融合.传统的计量方式和量值溯源方法受到极大挑战.

传统的量值溯源方式是利用高精度标准计量器具实现测量系统的量值传递.譬如, 齿轮测量系统通采用渐开线样板、螺旋线样板, 来验证相关测量任务的正确性[3], 利用球面样板[4], 楔形样板[5]等实现齿轮齿距、齿形、齿向的测量溯源.然而对于弧齿锥齿轮、环面蜗杆、齿轮刀具等复杂工件, 其高精度实物样板难以制造, 目前工程上仍然采用上述简单样板作为替代物来校准测量系统.这种替代作法, 难以证明测量系统对复杂工件的测量结果是实际工件误差的真实反映, 不能满足复杂工件的测量溯源要求.由于缺少实物标准器, 复杂测量系统的测量结果溯源问题亟待解决.

针对复杂系统, 王飞跃提出了平行系统的思想, 通过构造实际系统与人工系统并行互动的平行系统, 借助人工系统使复杂问题简单化, 以此实现复杂系统的控制与管理[6].平行系统主要通过整合人工社会, 计算实验和平行执行等方法, 形成新的计算研究体系[7-11].目前, 平行系统已经在经济、能源、交通、机器学习、视觉计算等领域取得了大量的成果, 并不断丰富和完善起来[12-34].我们尝试将平行系统的思想扩展并引入到测量领域建立复杂测量系统的一种新型理论框架, 构建与物理测量系统平行执行的人工测量系统, 将物理测量系统能够溯源至人工测量系统.用人工测量系统验证物理测量系统, 以复杂验证复杂, 而不是简单替代复杂的方式, 解决传统方法无法解决的复杂测量系统的测量溯源问题.

图 1  平行测量系统的理论框架

图 2  平行测量系统的基本架构图

图 3  平行齿轮测量系统

本文分析了制造领域内测量技术随工业技术的发展现状和趋势, 总结了复杂测量系统的溯源研究现状, 指出现有的研究无法满足目前复杂测量系统的动态化测量溯源需求, 并指出了人工测量系统的必要性和传统仿真系统的不同之处.基于ACP方法提出了平行测量系统的理论框架, 研究了平行测量系统的学习培训、实验评估和管理控制的工作过程.最后将平行测量系统的理论应用于齿轮在位测量系统案例, 实现齿轮测量的优化、控制和溯源.

平行测量系统的提出, 为制造业的智能数字化、交叉综合化、柔性集成化等提供理论技术基础.未来可提出平行制造系统, 并将平行制造系统与平行测量系统进行有效的无缝连接, 实现制造与测量的真正一体化, 让测量更好地为制造服务, 使制造质量实时有标准可依, 使产品决策更加经济高效.

本文首次提出平行测量系统, 其应用研究仍处于探索阶段, 一些理论和技术仍待进一步的研究和深入.然而, 毫无疑问, 平行测量是迈向智能测量的一条有效途径.

作者简介

尹培丽

西安工业大学机电工程学院博士研究生.2013年获得西安工业大学机械电子工程系硕士学位.主要研究方向为计算机辅助精密测量.E-mail:yinpeili@xatu.edu.cn

王建华

西安工业大学机电工程学院教授.1991年获得西安交通大学机械工程系博士学位.主要研究方向为计算机辅助精密测量.E-mail:wjh-xagd@vip.163.com

王飞跃

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员.国防科技大学军事计算实验与平行系统技术研究中心主任.主要研究方向为智能系统和复杂系统的建模、分析与控制.E-mail:feiyue.wang@ia.ac.cn

陈阳泉

西安工业大学机电工程学院特聘教授, 加利福尼亚大学默塞德分校工程院副教授(终身).主要研究方向为机电一体化信息物理系统.本文通信作者.E-mail:yqchen@ieee.org