CN103500290A - 一种柔性材料加工变形影响因素提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性材料加工变形影响因素提取方法，包括：构建柔性材料加工变形影响因素集，对加工变形影响因素按属性进行分组标定；将所述加工变形影响因素进行分层，构建柔性材料加工变形影响因素递阶层次结构；逐步确定每一层次的各个加工变形影响因素的相对重要度值，分别得到加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵；加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值通过求特征向量的方式计算，并通过随机一致性比率检验加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的一致性；目标判断矩阵的层次总排序权向量值则是通过合并加工变形影响因素判断矩阵、目标判断矩阵层次单排序权向量值计算的。本发明有效降低补偿控制器模型的输入维数，提高柔性材料加工变形补偿控制的快速性、准确性。

Description

一种柔性材料加工变形影响因素提取方法

技术领域

本发明属于柔性材料加工技术领域，尤其涉及一种柔性材料加工变形影响因素提取方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，提高基于智能数控加工技术为核心的先进制造技术已经成为发展高速经济的重要方法。世界各发达国家争先对其研究，我国也将其列为国家科技发展规划的重要课题，并把关键零部件加工过程中的智能建模、精密控制与检测的关键问题纳入国家政策，大力发展其研究成果。

柔性材料的轨迹加工是指在由多层软物组合成的工件上进行各种复杂图形加工，在表面上浮现出凹凸不平立体图案的过程。柔性材料在加工时，工件极易因挤压或者拉伸而发生弹性形变，工件材料的特性也决定了柔性材料难于用材料力学方法进行变形分析，变形不确定性明显，工件厚度的不均匀也使得工件受力发生变形的情况复杂化。柔性材料的加工过程控制一般指在充分考虑工件材料特性、加工属性、加工工艺以及加工伺服系统性能等的基础上，获得加工过程控制规则，并确定控制推理机制，采用机器视觉测量等辅助手段，实现复杂的加工补偿控制。

柔性材料由于刚度差，在加工过程中容易受到挤压或者拉伸而变形，导致加工轨迹偏离设定值，与期望效果有偏差，而且在控制加工过程中，如果将所有影响因素考虑进去，将会导致系统计算时间长，作业效率低，加大编程的复杂度，不利于柔性材料的轨迹补偿预测。因此，需要一种柔性材料加工变形影响因素提取方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种柔性材料加工变形影响因素提取方法，该方法通过建立加工变形影响因素层次分析模型，采用自下而上、逐步合成的层次分析方法提取柔性材料在加工过程中对加工变形影响程度最大的因素，为后续的柔性材料加工变形补偿控制器提供精简的输入量，有效降低补偿控制器的输入维数，提高柔性材料加工变形补偿控制的快速性、准确性。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种柔性材料加工变形影响因素提取方法，包括：

构建柔性材料加工变形影响因素集，对加工变形影响因素按属性进行分组标定；

将所述加工变形影响因素进行分层，构建柔性材料加工变形影响因素递阶层次结构；

逐步确定每一层次的各个加工变形影响因素的相对重要度值，分别得到加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵；

加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值通过求特征向量的方式计算，并通过随机一致性比率检验加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的一致性；

目标判断矩阵的层次总排序权向量值则是通过合并加工变形影响因素判断矩阵、目标判断矩阵层次单排序权向量值计算的。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

（1）高可信度，本发明提供的提取方法，将柔性材料加工变形的各个影响因素以权值形式量化，在不割断各个加工变形影响因素对于结果影响的前提下，可以清楚可靠地得到各个影响因素对于加工最终目标的影响程度，而且影响因素由先验知识得出，有一定的可靠性。

（2）简单实用，本发明提供的影响因素-层次分析模型，不追求高深的数学推导，将定型方法和定量方法有机结合起来，将影响加工的多个影响因素以简单的数学运算得到结果，大大地减少了估量方法的复杂度。

（3）需要的信息量少，本发明采用的层次分析法，模糊了决策中的定量成份，更多地表现定性成份，对于系统的输入，只是工程师对加工影响因素的简单印象，摆脱了大量的数据冗余，可以更多地将生产实际情况考虑进去而摆脱单纯的理论计算。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是柔性材料加工变形影响因素提取方法实现方案结构框图；

图2是柔性材料加工变形影响因素-层次分析模型结构图；

图3是柔性材料加工变形影响因素判断矩阵B-C的矩阵图；

图4是柔性材料加工变形目标判断矩阵A-B的矩阵图；

图5是柔性材料加工变形目标判断矩阵A-C的总排序图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是柔性材料加工变形影响因素提取方法实现方框图，通过加工变形影响因素集1建立柔性材料加工变形影响因素递阶层次结构2，构造加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵，并填写相对重要度值3，计算影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值并检验一致性4，接着计算影响因素判断矩阵层次总排序权向量值并检验一致性5，最后输出对柔性材料加工影响程度最大的加工变形影响因素。具体方法包括如下步骤：

构建柔性材料加工变形影响因素集，对加工变形影响因素按属性进行分组标定；

将所述加工变形影响因素进行分层，构建柔性材料加工变形影响因素递阶层次结构；

逐步确定每一层次的各个加工变形影响因素的相对重要度值，分别得到加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵；

加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值通过求特征向量的方式计算，并通过随机一致性比率检验加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的一致性；

目标判断矩阵的层次总排序权向量值则是通过合并加工变形影响因素判断矩阵、目标判断矩阵层次单排序权向量值计算的。

通过对变形影响因素集中的各个影响因素进行归纳与分类，分层放置于“柔性材料加工变形影响因素-层次分析模型”中。如图2所示，为柔性材料加工变形影响因素-层次分析模型结构。将“柔性材料加工变形影响因素的提取”作为该层次分析模型的目标层A，将加工材料B1、加工属性B2、加工工艺B3影响因素作为准则层B中的元素，记为B＝{B₁,B₂,B₃}，将隶属于加工材料B1的材料体积C1、弹性模量C2、作用点C3、图元夹角C4、图元类型C5，记为B₁＝{C₁,C₂,C₃,C₄,C₅}，隶属于加工属性B2的柔性材料夹紧方式C6、夹紧位置C7、加工步长C8、插补速度C9、加工方向角C10、进给偏角C11，记为B₂＝{C₆,C₇,C₈,C₉,C₁₀,C₁₁}，隶属于加工工艺B3的夹角误差C12、数控加工平台定位精度C13、插补方法C14，记为B₃＝{C₁₂,C₁₃,C₁₄}，等作为准则层C中的元素。

根据要求，如图3所示，构建准则层B中的加工变形影响因素判断矩阵，将属于该加工变形影响因素的准则层C中的加工变形影响因素分别放置于该判断矩阵的第一列和第一行，建立加工变形影响因素判断矩阵B-C。如表1所示为本实施例提供的柔性材料加工变形影响因素重要性标度含义表，根据同一层的任意两个加工变形影响因素之间的相对重要性按1到9赋值。其中：两个加工变形影响因素相比，具有同等重要性-值为1，前者比后者稍重要-值为3，前者比后者明显重要-值为5，前者比后者强烈重要-值为7、前者比后者极端重要-值为9，当值为2、4、6、8时表示处于上述判断的中间值。在衡量加工变形影响因素判断矩阵中的两两影响因素的相对重要度值时，基于先验知识，参照柔性材料加工变形影响因素重要性标度含义表，将两两影响因素之间的相对重要度值填写在加工变形影响因素判断矩阵的对应行和对应列上。填写完成后的加工变形影响因素判断矩阵B-C记为R_B-C,_ij＝(a_ij)_n×n，a_ij＝(C_i):(C_j)。其中R_B-C,_ij满足性质：

（1）a_ij＞0；

（2）a_ji＝1/a_ij，i≠j；

（3）a_ii＝1。

如果加工变形影响因素判断矩阵R_B-C,_ij满足a_ij＝a_ik×a_kj，则该判断矩阵为一致性判断矩阵。但考虑客观事物的复杂性和人的认识多样性，对于a_ij≠a_ik×a_kj，但a_ij和a_ik×a_kj相差在-10%～+10%范围情况下，可以通过求该判断矩阵中的所有a_ik×a_kj的平均值作为a_ij的近似值。有：

$\stackrel{\‾}{a_{\mathrm{ij}}}=n\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(a_{\mathrm{ik}}\×a_{\mathrm{kj}})}$

在a_ij和a_ik×a_kj相差不在-10%～+10%范围内情况下，需要重新调整相对重要度值，再做判断矩阵的一致性校验。

赋值完成后，通过求判断矩阵R_B-C,_ij特征方程的根λ_max，确定特征向量w，计算准则C中的各个加工变形影响因素对于准则层B中的加工变形影响因素的权向量值。其方程为：

R_B-C,_ijw＝λ_maxw

至此，所求的特征向量w即为加工变形影响因素判断矩阵R_B-C,_ij的层次单排序权向量值，表示为：

w＝[k₁ k₂ ... k_n]

k为加工变形影响因素相对重要度系数。

准则层B中的各个加工变形影响因素的总权值1可由隶属它准则层C中的各个加工变形影响因素以和的形式表示，即为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_n{K}_n=1$

K为准则层C中的加工变形影响因素重要度值，在这里恒等于1。

之后，要对加工变形影响因素判断矩阵R_B-C,_ij作一致性检验，检验使用柔性材料加工变形影响因素判断矩阵随机一致性比率公式，为：

$\mathrm{CR}=\frac{\mathrm{CI}}{\mathrm{RI}}$

其中：

CR为判断矩阵随机一致性比率；

CI为判断矩阵一般一致性指标，为

RI为判断矩阵平均随机一致性指标，如表2所示为柔性材料加工变形影响因素1～10阶的RI值参见表；

λ_max为判断矩阵特征方程的根；

n为判断矩阵的阶数。

当R_B-C,_ij满足CR＜0.1时，认为具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵中的相对重要度值，直到其具有满意的一致性。

计算完准则层B中的各个加工变形影响因素判断矩阵的层次单排序权向量值，表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_{B_1}=\left[\begin{array}{ccccc}{k}_{B_{1}1}& k_{B_{1}2}& k_{B_{1}3}& k_{B_{1}4}& k_{B_{1}5}\end{array}\right]\\ w_{B_2}=\left[\begin{array}{cccccc}{k}_{B_{2}1}& k_{B_{2}2}& k_{B_{2}3}& k_{B_{2}4}& k_{B_{2}5}& k_{B_{2}6}\end{array}\right]\\ w_{B_3}=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{B_{3}1}& k_{B_{3}2}& k_{B_{3}3}\end{array}\right]\end{array}\right.$

即：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{B_1}=\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{1}n}=1\\ K_{B_2}=\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{2}n}=1\\ K_{B_3}=\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{3}n}=1\end{array}\right.$

表1

表2

同理，如图4所示的柔性材料加工变形目标判断矩阵A-B的矩阵图。可以得出该层次分析模型的准则层B中的加工变形影响因素对于目标层A的目标判断矩阵A-B的层次单排序权向量值，表示为：

目标层A的总权值1可由准则层B中的各个加工变形影响因素以和的形式表示，即为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_n}{K}_{B_n}=1$

对上述目标判断矩阵A-B进行一致性校验，对非一致性判断矩阵的相对重要度值，在相差-10%～+10%范围以内的值，通过求多个相对重要度值的平均值对其修正，对相差不在-10%～+10%范围内的值，需要重新估量两两影响因素的相对重要度值，再做一致性校验。

最后，如图5所示的柔性材料加工变形目标判断矩阵A-C的总排序图，

将影响因素判断矩阵B-C的层次单排序权向量值和目标判断矩阵A-B的层次单排序权向量值进行代数合并，可以得到柔性材料加工变形影响目标判断矩阵总排序A-C。

$\begin{array}{c}{k}_{B_1}{K}_{B_1}+k_{B_2}{K}_{B_2}+k_{B_3}{K}_{B_3}=1\\ \⇒K_{A-C}=k_{B_1}\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{1}n}+k_{B_2}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{2}n}+k_{B_3}\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{B_{3}n}=1\end{array}$

至此，目标层A的总权值1可由准则层C中的各个加工变形影响因素以和的形式表示。再使用判断矩阵随机一致性比率校验柔性材料加工变形目标判断矩阵A-C的一致性。这样，可以清楚直观地表示出柔性材料在加工过程中变形量受影响最大的加工变形影响因素，影响程度有多大，为后续的柔性材料加工变形补偿控制器提供精简的输入量，有效降低补偿控制器的输入维数，提高柔性材料加工变形补偿控制的快速性、准确性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述方法包括：

构建柔性材料加工变形影响因素集，对加工变形影响因素按属性进行分组标定；

将所述加工变形影响因素进行分层，构建柔性材料加工变形影响因素递阶层次结构；

逐步确定每一层次的各个加工变形影响因素的相对重要度值，分别得到加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵；

加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值通过求特征向量的方式计算，并通过随机一致性比率检验加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的一致性；

目标判断矩阵的层次总排序权向量值则是通过合并加工变形影响因素判断矩阵、目标判断矩阵层次单排序权向量值计算的。

2.根据权利要求1所述的柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述加工变形影响因素重要度评定选用层次分析法。

3.根据权利要求1所述的柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述加工变形影响因素递阶层次结构包括：层次分析模型的目标层A、准则层B和准则层C；

所述层次分析模型的目标层A为：柔性材料加工变形影响因素的提取；

所述准则层B的元素为：加工材料、加工属性及加工工艺的影响因素；

所述准则层C的元素为：隶属于加工材料类别的材料体积、弹性模量、图元夹角、图元类型，隶属于加工属性类别的柔性材料夹紧方式、夹紧位置、加工步长、插补速度、加工方向角、进给偏角以及隶属于加工工艺类别的夹角误差、数控加工平台定位精度和插补方法。

4.根据权利要求1所述的柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵包括：将隶属于准则层B中的加工变形影响因素的准则层C中的加工变形影响因素放置于加工变形影响因素判断矩阵的第一列和第一行，建立加工变形影响因素判断矩阵B-C；将准则层B中的加工变形影响因素放置于目标判断矩阵的第一列和第一行，建立目标判断矩阵A-B。

5.根据权利要求1所述的柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述的加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵的层次单排序权向量值包括：对加工变形影响因素判断矩阵和目标判断矩阵中的相对重要度值进行归一化处理，通过求判断矩阵特征方程的根确定归一化后的加工变形影响因素判断矩阵B-C的特征向量和目标判断矩阵A-B的特征向量，则判断矩阵的总权值1由隶属于该层的加工变形影响因素以和的形式表示，然后通过判断矩阵的随机一致性比率来检验矩阵的一致性；所求的特征向量即为该判断矩阵的层次单排序权向量值。

6.根据权利要求5所述的柔性材料加工变形影响因素提取方法，其特征在于，所述求目标判断矩阵的层次总排序权向量值包括：将各个加工变形影响因素判断矩阵B-C的层次单排序权向量值和目标判断矩阵A-B的层次单排序权向量值进行代数合并，获得柔性材料变形影响因素目标判断矩阵的层次总排序权向量值。

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