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译文 多目标优化激光切割工艺 摘要 本文介绍了一种激光多响应优化混合田口方法和响应曲面法（ 切割过程。该方法首先利用田口质量损失函数来找到最佳水平切削参数输入如协助气体压力，脉冲宽度，脉冲频率和切割速度。输入参数值的最佳进一步作为在响应曲面法中心值来开发和优化的二阶反应模型。这两个品质特性切缝宽度（千瓦），和材料去除率（ 这是不同性质（千瓦的较小的，更好的类型是，在材料去除率是越高越好类型），已选定同步优化。结果显示无论在相当大的改善当混合使用的方法是，质量特性进行比较单一的方法的结果 。 1。简介 该激光器发明于 20世纪 60年代，具有广泛的应用在对金属板材精细切割领域，由于其高精度，高强度 1,2。激光束切割（ 以成功地用于切割导电和非导电难以切割先进如反光金属，塑料工程材料，橡胶，陶瓷和复合材料。除了切割难切削材料，使用最广泛的本地商户中心是在产业实现密切复杂形状 /概况 为钢板切割公差 3。最广 泛用于切割金属板材使用的工业气体激光器 d： 们越来越近年来，在利益的使用脉冲 平均束功率，良好 的聚焦特性，缩小热影响区（ 本地商户中心是一种热能源为基础的非传统的切割。在这片材的方法是减少主要是由于融化和蒸发。熔化的材料是用弹出高压气体喷射帮助帮助 4。在原理图 1。自引进，本地商户中心一直是主要的研究领域为获得质量特别好切。该对切 割质量完全取决于工艺设定参数如激光功率，类型和协助压力气，片材厚度和组成，切割速度和操作（连续波或脉冲模式模式）。大量的实验研究已开展与分析的过程效果的目的关于削减几何参数，切割表面质量。在考虑到本地商户中心的实验研究最过程中 ，研究人员在不同时间的因素之一 ，分析投入产出的过程参数的影响质量特性或反应 5但是，这技术需要大量的实验运行因为只有一个因素是多种多样的每次运行，保持所有其他因素不变。另外，在此技术，输入过程中各参数的互动效应不考虑。为了克服这些问题，有些研究人员已经纳入实验设计方法，如响应曲面法（ 田口方法在实验（商标）研究本地商户中心的进程。应用田口方法来研究激光切割 信号与信噪比（ S/ N）比总图的，优点是视为质量功能。这种品质功能 集成质量特性的加权影响（切缝宽度（千 瓦），表面粗糙度，显微硬度，切缘和热影响区）及成本部分（削坡速度，氧气压力和束功率）。林等人。已申请的表面相同的方法研究粗糙度期间获得高速激光切割不锈钢板。李等人。 13也应用田口稳健设计方法，研究的宽度在激光切割和焊接热影响区切割（扁平封装（ ）包使用二极管泵浦固体激光器（ 统。所采取的切削参数为：激光目前，激光频率和切割速度。马修等。 14上进行参数研究脉冲 2毫米厚）。中心组合设计（ 均匀精度用于实验设计和第二阶响应面模型的热 影响区和切缝锥度的开发。输入过程 参数切割速度快，脉冲能量，脉冲持续时间，脉冲重复率和气体的压力。阿尔梅达等。应用实验设计方法 15，以确定能量，重叠率效应和 表面粗糙度和污垢的形成（边不规则的 在实验设计过程的基础上本地商户中心的研究迄今主要是在优化一次一个品质特性。人们已经发现这对于一个质量最佳的参数设置其他特性可能会降低品质特性。作为一个制造过程的目标是始终提高了产品的整体质量有必要优化多重品质特性同时进行。安东尼 16田 口质量已显示出损失函数的多目标优化技术生产过程采取的电子为例大会的问题。他找到了很大的改善在多重品质特性，相较于单一品质特性。不同杂交方法最近被用于不同加工工艺的优化。田口用模糊逻辑方法 17或用灰色关联分析 18已被用于优化放电加工工艺（非传统基于热加工过程）多机加工性能。 19已经提出了一个连续的整合对 演示通过采取个案研究的杂交方法印制电路板生产厂，发现重大减少质量损失。对 单个或多个性能的措施。在本文件中混合田口方法与响应曲面法（ 法已用于开发响应模型和优化 多重品质特性千瓦，材料去除率（ 一个脉冲 粒取向高硅合金钢变压器用表）。该质量特性两种不同性质（千瓦，较小的，更好（ 类型和 好的（乙肝）型）不等加权因子（千瓦： 80，材料去除率： 20）已选择。首先， 最小和最大材料去除率千瓦）。输出（最佳参数值）从 在 阶反应模型为千瓦，已开发出 阵 20。的 法已用于开发响应模型和优化 人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适 应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 能发展方向 (1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于 不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最 困难的部分之一。当前 拟现实、科学计算可 视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了 非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编 程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的 视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使 信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域， 如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于 自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插 补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、 2D+2 螺旋插补、 补、 补 (非均匀有理 B 样条插补 )、样条插补 (A、 B、 C 样条 )、多项式插补 等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度 补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误 差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算 的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能 控系统内装高性能 制模块，可直接用梯形图 或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车 床铣床的标准 户程序实例，用户可在标准 户程序基础上进行编辑 修改，从而方便地建立自己的应用程序。 (5)多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在 数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备 的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 系结构的发展 (1)集成化采用高度集成化 片和大规模可编程集成电路 及专用集成电路 片，可提高数控系统的集成度 和软硬件运行速度。应用 板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器 具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸 显示，成为和 衡的新兴显示技术 ，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进 封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、 减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可 靠性。 (2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的 功能需求，将基本模块，如 储器、位置伺服、 入输出接口、通 讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增 减，构成不同档次的数控系统。 (3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在 任何一 台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同 时显示在每一台机床的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开 放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、 不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单 机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺 综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等 各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变 量的闭环控 制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实 时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真 等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智 能化、网络化。 3. 智能化新一代 控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新 一代 控系统已成为可能。智能化新一代 控系统将计算机智能 技术、网 络技术、 服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀 具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 数控是可编程自动化技术的一种形式，通过数字、字母和其他符号来控制加 工设备。数字、字母和符号用适当的格式编码为一个特定工件定义指令程序。当 工件改变时，指令程序就改变。这种改变程序的能力使数控适合于中、小批量生 产，写一段新程序远比对加工设备做大的改动容易得多。数控机床有两种基本形式：点位控制和连续控制 (也称为轮廓控制 )。点位控制机床采用异步电动机，因此，主轴的定位只能通 过完成一个运动或一个电动机的转动来实现。这种机床主要用于直线切削或钻孔、镗孔等场合。数控系统由下列组件组成：数据输入装置，带控制单元的磁带阅读机，反馈装置和切削机床或其他形式的数控设备。数据输人装置，也称“人机联系装置”，可用人工或全自动方法向机床提供数据。人工方法作为输人数据唯一方法时，只限于少量输入。人工输入装置有键盘，拨号盘，按钮，开关或拨轮选择开关，这些都位于机床附近的一个控制台上。拨号盘通常连到一个同步解析器或电位计的模拟装置上。在大多数情况下，按钮、开关和其他类似的旋钮是数据输入元件。人工输入需 要操作者控制每个操作，这是一个既慢又单调的过程，除了简单加工场合或特殊情况，已很少使用。几乎所有情况下，信息都是通过卡片、穿孔纸带或磁带自动提供给控制单元。在传统的数控系统中，八信道穿孔纸带是最常用的数据输入形式，纸带上的编码指令由一系列称为程序块的穿孔组成。每一个程序块代表一种加工功能、一种操作或两者的组合。纸带上的整个数控程序由这些连续数据单元连接而成。带有程序的长带子像电影胶片一样绕在盘子上，相对较短的带子上的程序可通过将纸带两端连接形成一个循环而连续不断地重复使用。带子一旦安装好，就可反复使用而无需 进一步处理。此时，操作者只是简单地上、下工件。穿孔纸带是在带有特制穿孔附件的打字机或直接连到计算机上的纸带穿孔装置上做成的。纸带制造很少不出错，错误可能由编程、卡片穿孔或编码、纸带穿孔时的物理损害等形成。通常，必须要试走几次来排除错误，才能得到一个可用的工作纸带。虽然纸带上的数据是自动进给的，但实际编程却是手工完成的，在编码纸带做好前，编程者经常要和一个计划人员或工艺工程师一起工作，选择合适的数控机床，决定加工材料，计算切削速度和进给速度，决定所需刀具类型，仔细阅读零件图上尺寸，定下合适的程序开始的零参考点 ，然后写出程序清单，其上记载有描述加工顺序的编码数控指令，机床按顺序加工工件到图样要求。控制单元接受和储存编码数据，直至形成一个完整的信息程序块，然后解释数控指令，并引导机床得到所需运动。为更好理解控制单元的作用，可将它与拨号电话进行比较，即每拨一个数字，就储存一个，当整个数字拨好后，电话就被激活，也就完成了呼叫。装在控制单元里的纸带阅读机，通过其内的硅光二极管，检测到穿过移动纸带上的孔漏过的光线，将光束转变成电能，并通过放大来进一步加强信号，然后将信号送到控制单元里的寄存器，由它将动作信号传到机床驱动装置 。有些光电装置能以高达每秒 1000 个字节的速度阅读，这对保持机床连续动作是必须的，否则，在轮廓加工时，刀具可能在工件上产生划痕。阅读装置必须要能以比控制系统处理数据更快的速度来阅读数据程序块。反馈装置是用在一些数控设备上的安全装置，它可连续补偿控制位置与机床运动滑台的实际位置之间的误差。装有这种直接反馈检查装置的数控机床有一个闭环系统装置。位置控制通过传感器实现，在实际工作时，记录下滑台的位置，并将这些信息送回控制单元。接受到的信号与纸带输入的信号相比较，它们之间的任何偏差都可得到纠正。在另一个称为开环的 系统中，机床仅由响应控制器命令的步进电动机驱动定位，工件的精度几乎完全取决于丝杠的精度和机床结构的刚度。有几个理由可以说明步进电机是一个自动化申请的非常有用的驱动装置。对于一件事物，它被不连续直流电压脉冲驱使 ,是来自数传计算机和其他的自动化的非常方便的输出控制系统。当多数是索引或其他的自动化申请所必备者的时候，步进电机对运行一个精确的有角进步也是理想的。因为控制系统不需要监听就提供特定的输出指令而且期待系统适当地反应的公开 - 环操作造成一个回应环，步进电机是理想的。一些工业的机械手使用高抬腿运步的马乘汽车驾 驶员，而且步进电机是有用的在数字受约束的工作母机中。这些申请的大部分是公开 - 环 ,但是雇用回应环检测受到驱策的成份位置是可能的。环的一个分析者把真实的位置与需要的位置作比较，而且不同是考虑过的错误。那然后驾驶员能发行对步进电机的电脉冲，直到错误被减少对准零位。在这个系统中，没有信息反馈到控制单元的自矫正过程。出现误动作时，控制单元继续发出电脉冲。比如，一台数控铣床的工作台突然过载，阻力矩超过电机转矩时，将没有响应信号送回到控制器。因为，步进电机对载荷变化不敏感，所以许多数控系统设计允许电机停转。然而，尽管有 可能损坏机床结构或机械传动系统，也有使用带有特高转矩步进电机的其他系统，此时，电动机有足够能力来应付系统中任何偶然事故。最初的数控系统采用开环系统。在开、闭环两种系统中，闭环更精确，一般说来更昂贵。起初，因为原先传统的步进电动机的功率限制，开环系统几乎全部用于轻加工场合，最近出现的电液步进电动机已越来越多地用于较重的加工领
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