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改进鲸鱼优化算法的空间直线度误差评定

陈玉 韩波 许高齐 阚延鹏 赵转哲

陈玉, 韩波, 许高齐, 阚延鹏, 赵转哲. 改进鲸鱼优化算法的空间直线度误差评定[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(7): 1102-1111. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432
引用本文: 陈玉, 韩波, 许高齐, 阚延鹏, 赵转哲. 改进鲸鱼优化算法的空间直线度误差评定[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(7): 1102-1111. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432
CHEN Yu, HAN Bo, XU Gaoqi, KAN Yanpeng, ZHAO Zhuanzhe. Spatial Straightness Error Evaluation with Improved Whale Optimization Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(7): 1102-1111. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432
Citation: CHEN Yu, HAN Bo, XU Gaoqi, KAN Yanpeng, ZHAO Zhuanzhe. Spatial Straightness Error Evaluation with Improved Whale Optimization Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(7): 1102-1111. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432

改进鲸鱼优化算法的空间直线度误差评定

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200432
基金项目: 

安徽省自然科学基金面上项目 1808085ME127

安徽工程大学引进人才科研启动基金项目 2019YQQ004

芜湖市重点研发计划项目 2019yf43

详细信息
    作者简介:

    陈玉(1973-), 副教授,硕士, 研究方向为机电一体化,ychen81806@ahpu.edu.cn

    通讯作者:

    赵转哲, 副教授,博士, zhuanzhe727@ahpu.edu.cn

  • 中图分类号: TB92

Spatial Straightness Error Evaluation with Improved Whale Optimization Algorithm

  • 摘要: 空间直线度误差评定计算问题本质上属于非线性优化问题,采用传统的数学计算方法很难对其进行求解,且求解精度不高,而智能优化算法在求解该类问题具有较大的优势。因此,本文提出将改进鲸鱼优化算法应用于空间直线度误差评定,该方法满足最小区域条件。首先建立了空间直线度评定的最小区域法数学模型,得出空间直线度目标函数;其次阐述了基本鲸鱼优化算法的原理,并针对其不足,对鲸鱼优化算法的3方面进行改进,采用拉丁超立方体抽样方法初始化种群,增强了种群多样性,将非线性收敛因子取代基本鲸鱼优化算法中的线性收敛因子,并将非线性惯性权重引入鲸鱼优化算法中。通过仿真测试,该算法在收敛速度、精度和稳定性都得到了有效提高,最后,通过两个空间直线度误差评定实例进行验证,结果表明,改进的鲸鱼优化算法在评定精度上要比两端点连线法、鲸鱼优化算法、遗传算法和粒子群算法等算法都更具优势。
  • 图  1  空间直线度误差评定示意图

    图  2  采用LHS方法样本点图

    图  3  采用随机方法样本点图

    图  4  收敛因子a变化对比图

    图  5  LTWWOA算法流程图

    图  6  平均收敛曲线对比图

    图  7  实例1的各算法平均收敛曲线对比图

    图  8  实例2的各算法平均收敛曲线对比图

    表  1  测试函数

    测试函数 取值范围
    [-100, 100]
    [-10, 10]
    [-100, 100]
    [-1.28, 1.28]
    [-600, 600]
    [-5.12, 5.12]
    [-32, 32]
    [-50, 50]
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    表  2  测试结果对比

    测试函数 测试指标 GA PSO WOA LTWWOA
    F1 平均值 31.443 6 125.938 6.642 6×10-162 0
    标准差 8.386 13.828 8 4.164 3×10-161 0
    最优值 30 85.548 8 6.292 9×10-179 0
    最差值 82.979 7 154.153 9 2.632 4×10-160 0
    F2 平均值 31 65.535 8 7.648 1×10-107 0
    标准差 0 13.905 4 2.430 7×10-106 0
    最优值 31 43.238 9 6.411 6×10-118 0
    最差值 31 105.202 5 1.232 1×10-105 0
    F3 平均值 9 455.013 4 356.937 8 15 744.962 5 0
    标准差 0.060 37 74.856 4 7 153.820 7 0
    最优值 9 455 230.844 4 3 607.605 8 0
    最差值 9 455.364 9 544.441 9 29 521.250 9 0
    F4 平均值 465.437 9 105.245 8 0.001 292 3 5.29×10-5
    标准差 0.406 91 24.0792 0.001 273 8 4.536 3×10-5
    最优值 465.008 4 52.04 4.355 1×10-5 7.315 2×10-7
    最差值 466.588 0 154.568 4 0.005 503 9 0.000 190 61
    F5 平均值 0.938 92 1.028 9 0.002 574 0
    标准差 0.067 599 0.007 618 2 0.012 596 0
    最优值 0.791 31 0.99 497 0 0
    最差值 1.134 1.037 2 0.075 482 0
    F6 平均值 30.006 2 360.850 3 1.421 1×10-15 0
    标准差 0.035 683 26.753 7 8.987 7×10-15 0
    最优值 30 285.257 7 0 0
    最差值 30.225 2 405.724 8 5.684 3×10-14 0
    F7 平均值 3.931 5 8.376 5 4.263 3×10-15 1.065 8×10-15
    标准差 1.270 6 0.314 36 2.662 3×10-15 7.841 6×10-16
    最优值 3.625 4 7.529 5 8.881 8×10-16 8.881 8×10-16
    最差值 11.610 7 8.953 7.993 6×10-15 4.440 9×10-15
    F8 平均值 9.966 9 4.515 5 0.004 837 3 0.001 781 4
    标准差 0.585 3 0.568 01 0.010 527 0.002 145 1
    最优值 8.799 5 3.261 4 0.000 378 93 0.000 275 26
    最差值 11.666 4 5.385 3 0.062 538 0.010 195
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    表  3  原始坐标数据[15]

    测点序号 X Y Z
    1 10.000 15.000 20.000
    2 40.301 35.000 30.200
    3 70.600 55.009 40.400
    4 100.900 75.000 50.600
    5 131.200 95.001 60.800
    6 161.500 115.000 71.000
    7 191.800 135.010 81.200
    8 222.100 155.005 91.400
    9 252.400 175.000 101.602
    10 282.700 195.000 111.800
    11 313.000 215.000 122.000
    12 343.300 235.010 132.200
    13 373.600 255.010 142.400
    14 403.900 275.000 152.600
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    表  4  各算法直线度结果  mm

    参数 LTWWOA WOA GA HTLBO[3]
    x0 103.54839 58.46724 155.38652 -12.5650
    y0 76.75263 46.99606 110.96807 0.1100
    z0 51.49137 36.31444 68.93953 12.4046
    l 24.76429 12.58836 25.07976 28.3221
    m 16.34613 8.309167 16.55434 18.6945
    n 8.336645 4.237768 8.443056 9.5342
    直线度 0.0090666 0.0092802 0.011429 0.009152
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    表  5  各截面中心坐标实验数据  mm

    截面 X Y Z
    1 9.660 9 -13.735 9 0
    2 9.583 9 -13.888 8 20
    3 9.427 3 -13.963 2 40
    4 9.385 5 -14.102 2 60
    5 9.186 3 -14.069 3 80
    6 9.086 0 -14.212 8 100
    7 9.028 7 -14.297 5 120
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    表  6  各算法评定直线度结果  mm

    参数及直线度 LTWWOA WOA PSO GA 两端点连线法
    x0 9.3737 9.6108 9.3671 9.4303 9.3448
    y0 -14.0215 -13.8260 -14.0257 -13.9553 -14.0167
    z0 53.76701 4.88237 55.57465 39.24996 60
    l -0.9225 -0.9136 -1.1520 -0.2770 -0.00527
    m -0.67591 -0.73056 -0.88046 -0.25016 -0.00468
    n 168.8505 182.8542 189.5971 58.96425 0.99998
    直线度 0.14550 0.14872 0.15384 0.15807 0.1894
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  • 收稿日期:  2020-07-13
  • 刊出日期:  2022-07-25

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