CN111046601A - 基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法。该方法包括以下步骤：S1.采用拉丁超立方试验设计方法，构建出初始采样点；S2.应用有限元软件对薄壁件进行网格划分并施加载荷，仿真出初始采样点对应的薄壁件的仿真变形量，构建出加工进给速度与仿真变形量之间映射关系的仿真数据集；S3.将所述仿真数据集输入到代理模型中，建立薄壁件的加工进给速度与变形量之间映射关系的代理模型；S4.应用建立好的代理模型求解并验证薄壁件在给定加工进给速度下的变形量；S5.若求解的薄壁件的变形量不满足实际加工需求，则调整加工进给速度，重复步骤S1‑S4，直至调整后的薄壁件的变形量满足加工需求。该方法具有采样处理数据高效、精确度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及薄壁曲面加工技术领域，尤其涉及基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法。
背景技术
当前，航空航天等行业中存在着大量壁厚较薄的关键零部件，薄壁件在加工中存在加工工件变形量过大，导致超差的情况，会直接影响航空航天领域关键零件的加工精度。研究加工变形量的传统手段是应用有限元仿真软件对指定待加工零件加载载荷，得到仿真结果，再通过实际加工实验结果，对仿真数据进行验证。但是，利用传统手段在构建加工变形与实验参数之间的映射数据集时，有限元仿真的方法存在着生成数据速度慢、效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种处理数据高效、预测精度高的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，包括以下步骤：
S1.选定设计变量并定义其取值范围，采用拉丁超立方在各设计变量的取值范围内进行采样，构建出初始采样点；
S2.建立薄壁件的三维模型，将所述三维模型导入有限元软件Abaqus，应用有限元软件Abaqus对所述三维模型进行划分成若干网格、建立边界条件并施加载荷，仿真计算出所述初始采样点对应的薄壁件的仿真变形量，构建出加工进给速度与仿真变形量之间映射关系的仿真数据集；
S3.将所述仿真数据集输入到代理模型中，代理模型对所述仿真数据集进行扩充生成样本数据集，将所述样本数据集分为两部分，一部分作为训练数据集，另一部分作为测试数据集，对训练数据集进行拟合，建立薄壁件的加工进给速度与变形量之间映射关系的代理模型；
S4.将建立好的所述代理模型应用在所述测试数据集中，求解并验证薄壁件在给定加工进给速度下的变形量；
S5.若所述测试数据集中求解的薄壁件的变形量不满足实际加工需求，则调整加工进给速度，重复步骤S1-S4，直至调整后的薄壁件的变形量满足加工需求。
优选的，步骤S1中，所述设计变量还包括加工刀具直径、加工刀具切削宽度、加工刀具切削深度和加工刀具每齿进给量。
优选的，步骤S1中，拉丁超立方采样过程具体为：将s个设计变量组成s维设计空间,设计人员按照设计规范和要求，确定n个采样点中，然后分别对s维的坐标均匀划分为n个区间，整个设计空间被划分为sn个子空间，从中选择n个子空间，n个采样点随机分布在这n个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，这n个采样点构成初始采样点，初始采样点保证了数据选取的随机性，并保证数据样本间的独立性。
优选的，步骤S2中，所述载荷施加在薄壁件变形较大的若干网格的截面上。
优选的，所述若干网格的截面上包含若干节点，所述载荷施加在若干所述节点上。
优选的，所述载荷沿着刀具轴线方向对所述节点施加。
优选的，步骤S2中，所述有限元仿真采用静态仿真，包括建立若干静态分析步，用于仿真计算薄壁件不同位置处的变形量。
优选的，步骤S3中，所述代理模型采用响应曲面法代理模型。
优选的，步骤S3中，所述训练数据集为随机抽取70％的所述样本数据集中的数据组成。
本发明提供的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法。使用拉丁超立方抽样方法，能高效获取到足够样本数量的初始样本点，并且抽样出的数据保持独立同分布，能够满足代理模型对数据的需求；依据拉丁超立方抽样获得的初始样本点，通过有限元仿真能够快速、高效获取加工进给速度于薄壁件的变形量之间的映射关系的仿真数据集；建立的代理模型精度高，并通过代理模型求解、验证薄壁件的变形量，快速达到加工进给速度的优化。通过该方法能够快速、高效和精确地对加工进给速度进行优化，以满足薄壁件在加工过程中的实际需求。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例中加工工件的网格划分示意图；
图3为本发明实施例加工工件中加载节点示意图；
图4为本发明实施例中加工工件的施加边界条件示意图；
图5为本发明实施例的加工工件的各节点的变形仿真图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例
按照图1所示的方法流程图：
1.选定加工刀具直径、加工进给速度、加工刀具切削宽度、加工刀具切削深度和加工刀具每齿进给量为设计变量，分别给出六个变量的取值范围，采用拉丁超立方在这六个设计变量的取值范围内进行采样，抽样出n个采样点作为初始采样点，本发明中拉丁超立方采样过程具体为：将6个设计变量组成6维设计空间,设计人员按照设计规范和要求，确定n个采样点中，然后分别对6维的坐标均匀划分为n个区间，整个设计空间被划分为6n个子空间，从中选择n个子空间，n个采样点随机分布在这n个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，这n个采样点构成初始采样点，这样抽取出初始采样点保证了数据选取的随机性，并保证数据样本间的独立性。
2.通过UG对薄壁件的进行模型优化设计，建立出薄壁件的三维模型，为降低对有限元划分网格的影响，建立的三维模型中不包括为凸台结构；将薄壁件的三维模型导入有限元分析软件Abaqus，如图2所示，通过有限元仿真模型中的mesh命令，选择有限元单元形状为Tet四边形网格，将三维模型划分成若干网格；网格划分完成后，如图3所示，对薄壁件施加边界条件，对加工时的薄壁件进行边界固定，以模拟实际加工环境，以使有限元仿真出的变形量更加精确；如图4所示，本发明实施例中，在划分的网格中选取3个变形较大的截面进行分析，这三个截面分别包含若干节点，对节点进行编号，编号为N1-N237；通过有限元静态仿真，建立多个静态分析步，用于对编号为N1-N237的每个节点施加不同大小的载荷，施加的载荷沿着刀具轴线方向，这个薄壁件在加工过程中沿，从而简化仿真模型施加载荷的过程，大大提升有限元仿真效率；然后通过有限元仿真计算出编号为N1-N237的变形量，图5为各个节点对应的仿真变形量；通过整个仿真过程构建得到加工进给速度与仿真变形量之间映射关系的仿真数据集。
3.将仿真数据集输入到代理模型中，代理模型通过机器学习算法对仿真数据集进行扩充生成样本数据集，以构建精确更高的加工进给速度与变形量之间关系的代理模型，随机抽选其中70％的样本数据组成训练数据集，剩下的30％的样本数据组成测试数据集，测试数据集用于验证所构建的代理模型的准确性，采用响应曲面法代理模型对训练数据集进行拟合，建立薄壁件的加工进给速度与变形量之间映射关系的代理模型，由于输入数据是一维特征，代理模型的表达式设定为如下形式：
y＝β0+β1x+β2x2
其中x和y分别表示加工进给速度和变形量；
拟合方程的均方根误差选用公式：
其中，MSE表示均方根误差，N表示训练数据集的样本点数，observedt和predictedt分别表示样本点的观测值和预测值。
4.将建立好的代理模型应用在测试数据集中，求解并验证薄壁件在给定加工进给速度下的变形量。
5.若测试数据集中求解的薄壁件的变形量不满足实际加工需求，则调整加工进给速度，即改变拉丁超立方抽样出的初始样本点，重复步骤1-4，直至调整后的薄壁件的变形量满足加工需求，满足加工需求的条件如下：δac<δde，其中δac代表代理模型中求解的变形量，δde代表实际加工过程的需求变形量。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.选定设计变量并定义其取值范围，采用拉丁超立方在各设计变量的取值范围内进行采样，构建出初始采样点；
S2.建立薄壁件的三维模型，将所述三维模型导入有限元软件Abaqus，应用有限元软件Abaqus对所述三维模型进行划分成若干网格、建立边界条件并施加载荷，仿真计算出所述初始采样点对应的薄壁件的仿真变形量，构建出加工进给速度与仿真变形量之间映射关系的仿真数据集；
S3.将所述仿真数据集输入到代理模型中，代理模型对所述仿真数据集进行扩充生成样本数据集，将所述样本数据集分为两部分，一部分作为训练数据集，另一部分作为测试数据集，对训练数据集进行拟合，建立薄壁件的加工进给速度与变形量之间映射关系的代理模型；
S4.将建立好的所述代理模型应用在所述测试数据集中，求解并验证薄壁件在给定加工进给速度下的变形量；
S5.若所述测试数据集中求解的薄壁件的变形量不满足实际加工需求，则调整加工进给速度，重复步骤S1-S4，直至调整后的薄壁件的变形量满足加工需求。
2.如权利要求1所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S1中，所述设计变量还包括加工刀具直径、加工刀具切削宽度、加工刀具切削深度和加工刀具每齿进给量。
3.如权利要求2所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S1中，拉丁超立方采样过程具体为：将s个设计变量组成s维设计空间,设计人员按照设计规范和要求，确定n个采样点中，然后分别对s维的坐标均匀划分为n个区间，整个设计空间被划分为sn个子空间，从中选择n个子空间，n个采样点随机分布在这n个子空间内部，并且保证每个子空间内部只有一个采样点，这n个采样点构成初始采样点，初始采样点保证了数据选取的随机性，并保证数据样本间的独立性。
4.如权利要求3所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S2中，所述载荷施加在薄壁件变形较大的若干网格的截面上。
5.如权利要求4所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，所述若干网格的截面上包含若干节点，所述载荷施加在若干所述节点上。
6.如权利要求5所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，所述载荷沿着刀具轴线方向对所述节点施加。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S2中，有限元仿真采用静态仿真，包括建立若干静态分析步，用于仿真计算薄壁件不同位置处的变形量。
8.如权利要求7所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述代理模型采用响应曲面法代理模型。
9.如权利要求8所述的基于工件变形代理模型的薄壁曲面加工进给速度优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述训练数据集为随机抽取70％的所述样本数据集中的数据组成。
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