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专利号: 2020108474001
申请人: 湖北工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,包括:获取所选不锈钢材料的进给速率、切削速度和切削深度的极值;

根据所述的进给速率、切削速度和切削深度的极值,创建L9正交表;

根据所述L9正交表进行切削实验;

采集所述切削实验中的切削力和表面粗糙度,同时计算材料去除率,得到实验数据集;

对所述实验数据集进行归一化处理,然后将归一化处理的结果输入到支持向量机中,建立切削力、表面粗糙度和材料去除率的关联模型;

利用NSPSO智能优化算法对所述关联模型进行寻优,得到多目标优化的Pareto前沿及对应的切削参数组合。

2.如权利要求1所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述获取所选不锈钢材料的进给速率、切削速度和切削深度的极值,具体包括:根据加工系统的额定参数和刀具手册,确定刀具加工不锈钢材料时的进给速率、切削速度和切削深度的最大值和最小值。

3.如权利要求1所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述根据所述的进给速率、切削速度和切削深度的极值,创建L9正交表,具体包括:将进给速率、切削速度和切削深度作为三个因素,分别编号为①~③;

从进给速率、切削速度和切削深度的极值区间中,分别选取进给速率、切削速度和切削深度的最小值、中间值和最大值,将所述的最小值、中间值和最大值作为三个水平,分别编号为1~3;

根据所述的三个因素和三个水平创建L9正交表;所述L9正交表为一个3列、9行的表格,列数表示因素,行数表示实验次数,所述实验次数编号为一~九;

根据水平数量为3,对9次实验次数进行分组,使每3个实验为1组,并按照正交表的填充方法,将每个因素的水平编号填入至L9正交表中。

4.如权利要求1所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述根据所述L9正交表进行切削实验,具体包括:根据所述L9正交表中的实验信息进行九组实验,每组实验重复三次;

计算三次实验结果的平均值,将平均值作为最终的实验结果。

5.如权利要求1所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述采集所述切削实验中的切削力和表面粗糙度,同时计算材料去除率,得到实验数据集,具体包括:采集所述切削实验中,刀具加工不锈钢材料的切削力,以及不锈钢材料的表面粗糙度,得到切削力数据和表面粗糙度数据;

利用公式MRR=1000Vdf计算加工完毕后不锈钢材料的材料去除率,得到材料去除率数3

据;其中,MRR表示材料去除率,单位为mm/min;V表示切削速度,单位为m/min;d表示切削深度,单位为mm;f表示进给速率,单位为mm/r;

根据所述切削力数据、表面粗糙度数据和材料去除率数据,得到实验数据集;

所述切削力通过Kistler测力仪采集,所述Kistler测力仪得到三个方向的切削力信号,取平稳段的均值作为每个方向的切削力结果,并计算三个方向的合力作为最终的切削力数据;

所述表面粗糙度通过Mahr粗糙度仪测量,所述Mahr粗糙度仪将平稳段的均值作为最终的表面粗糙度数据。

6.如权利要求1所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述对所述实验数据集进行归一化处理,然后将归一化处理的结果输入到支持向量机中,分别建立切削力、表面粗糙度和材料去除率的关联模型,具体包括:对所述实验数据集中所有数据分别进行归一化预处理,将所有数据均归一化到[0,1]区间内;

选择径向基函数作为支持向量机模型的核函数,通过交叉验证法和网格搜索法确定支持向量机分类模型的最优参数C和σ,其中,C表示惩罚系数,σ表示宽度参数;

通过支持向量机的网络开源代码LIBSVM3.22,利用所述最优参数C和σ分别建立切削力支持向量机模型和表面粗糙度支持向量机模型;

通过所述材料去除率的计算公式得到材料去除率公式模型;

所述关联模型包括所述切削力支持向量机模型、所述表面粗糙度支持向量机模型和所述材料去除率公式模型。

7.如权利要求6所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述对所述实验数据集中所有数据分别进行归一化处理,采用的归一化公式如下:其中,N*为归一化处理结果,N为初始值,Nmax和Nmin分别为初始值的最大值和最小值。

8.如权利要求6所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,利用NSPSO智能优化算法对所述关联模型进行寻优,得到多目标优化的Pareto前沿及对应的切削参数组合,具体包括:将所述切削力支持向量机模型、所述表面粗糙度支持向量机模型和所述材料去除率公式模型导入至NSPSO智能优化算法中;

利用所述NSPSO智能优化算法,随机在粒子的速度和位置范围内生成一个初始种群;

对所述初始种群的位置进行归一化预处理,并计算所述初始种群中每个粒子基于目标函数的适应度;

根据NSPSO智能优化算法的速度和位置更新公式对当前种群进行更新,并将子代与父代合并进行非支配解集排序;所述子代表示更新后的粒子群,所述父代表示更新前的粒子群;

产生新的当代种群,更新个体极值和群体极值,并重复迭代更新,得到最终的Pareto前沿和最优种群。

9.如权利要求8所述的用于不锈钢加工的多目标优化方法,其特征在于,所述根据NSPSO智能优化算法的速度和位置的更新公式对当前种群进行更新,所述更新公式如下:其中,vi,j和pi,j分别代表第j代第i个粒子的速度和位置;vi,j+1和pi,j+1分别代表第j+1代第i个粒子的速度和位置;c1和c2表示加速度因子,r1和r2是0-1之间的随机数;Pi,best是第i个粒子的历史最优个体,Gbest是全局最优个体,在第一层非支配解集中随机选取;

ω表示惯性因子,其表达式为:

其中,j表示当前代数,N为最大迭代次数;

所述产生新的当代种群,更新个体极值和群体极值,并重复迭代更新,得到最终的Pareto前沿和最优种群,具体包括:根据所述非支配解集排序的排序水平,依次选择排序在前的N个个体成为新的父代;

当选取到某一层非支配解集数目溢出时,对当前层的个体按照拥挤距离从大到小排序,依次取出个体放入下一个父代,直到达到种群上限,进入下一次更新;

重复以上更新步骤直到达到最大迭代次数,得到最终的Pareto前沿和最优种群,所述最终的Pareto前沿和最优种群即为多目标优化的最优切削参数组合。

10.一种用于不锈钢加工的多目标优化系统,其特征在于,包括:参数极值获取模块,用于获取所选不锈钢材料的进给速率、切削速度和切削深度的极值;

正交表创建模块,根据所述的进给速率、切削速度和切削深度的极值,创建L9正交表;

切削实验实施模块,用于根据所述L9正交表进行切削实验;

实验数据生成模块,采集所述切削实验中的切削力和表面粗糙度,同时计算材料去除率,生成实验数据集;

关联模型创建模块,用于将所述实验数据集进行归一化处理,然后将归一化处理的结果输入到支持向量机中,建立切削力、表面粗糙度和材料去除率的关联模型;

寻优获取参数模块,用于利用NSPSO智能优化算法对所述关联模型进行寻优,得到多目标优化的Pareto前沿及对应的切削参数组合。