激光切割加工工藝的仿真與分析

李發(fā)智， 劉勇， 茍剛

（西華大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，成都 610039）

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及CAD/CAM的引入，激光切割技術(shù)正朝著自動化方向發(fā)展。很多學(xué)者對激光進行了大量的研究，特別是在對激光的切割速度、輔助氣壓、焦點位置、噴嘴高度等進行了研究分析，達到了比較高的水平。但對切割零件表面粗糙度的研究還是較少［3］，特別是對于影響表面粗糙度的一些因素。本文是在這些研究成果基礎(chǔ)上，通過研究電壓U、脈寬Th、頻率f及加工速度v對表面粗糙度Ra的影響和數(shù)據(jù)分析，并對因子的參數(shù)進行仿真分析，以此達到試驗?zāi)康模?-5］。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗內(nèi)容

本試驗重點考慮研究電壓U、加工速度v、脈寬Th及頻率f對表面粗糙度Ra的影響,測得參數(shù)對表面粗糙度的影響，并找出規(guī)律。

1.2 試驗設(shè)備及參數(shù)

本實驗是采用KJG150300 500W YAG金屬切割機，波長是 1.064 μm，脈寬為 0.1～1.5 ms，頻率從 1～150 Hz可調(diào)，切割速度范圍可從0～100 mm/min中選擇。

1.3 零件材料及尺寸

零件材料為厚度為1 mm的不銹鋼板。切割零件的材料為Cr17的不銹鋼板，形狀為長15 mm、寬9 mm、高1 mm的長方體，其零件形狀如圖1所示，并用TR200粗糙度儀測量切割零件的斷面粗糙度［6］。

1.4 單因子試驗

當(dāng)電壓、脈沖寬度、頻率和加工速度其中三個不變的情況下，測試一種因子對零件的斷面粗糙度的影響，并分別繪制出電壓，脈沖寬度，頻率和加工速度對斷面粗糙度的影響規(guī)律，如圖2～圖5所示。

圖1 零件圖

圖2 斷面粗糙度隨電壓變化的關(guān)系曲線

圖3 斷面粗糙度隨脈沖寬度變化的關(guān)系曲線

由圖2看出隨電壓增大，斷面粗糙度逐漸減小；從圖3得知脈沖寬度從0.9 μs到1.2 μs變化過程中斷面粗糙度隨脈寬增大而逐漸減小，其遞減速率逐漸加快，而在1.2 μs到1.3 μs之間斷面粗糙度又突然增大；由圖4看出隨著脈沖頻率逐漸增大，斷面粗糙度慢慢減小；由圖5看出加工速度從8 mm/s到10 mm/s變化過程中，斷面粗糙度隨速度增加而減小，加工速度從10 mm/s到12 mm/s，斷面粗糙度又開始變大［7-8］。

圖4 斷面粗糙度隨頻率變化的關(guān)系曲線

圖5 斷面粗糙度隨加工速度變化的關(guān)系曲線

1.5 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計

通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，計算出電壓U、脈寬Th、頻率f、加速度v與斷面粗糙度Ra之間的回歸方程，并對回歸方程進行誤差曲線擬合和預(yù)測［4-5］。

1.5.1 試驗因素的選擇

由單因子實驗可得，試驗因子取值范圍如下：電壓U為 460～500V，脈寬 Th為 0.9～1.3μs，頻率 f為 80～120Hz，加工速度 8～12 mm/s［4］。

1.5.2 試驗次數(shù)確定

表1 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計參數(shù)

中心組合設(shè)計方案，試驗總次數(shù)為

其中：mc為試驗次數(shù)；m0為中心點試驗次數(shù)；p為因子數(shù)。

由p=4，查上表可得n=31，

1.5.3 回歸方程的求解

設(shè)回歸方程結(jié)構(gòu)式為

2）按公式求回歸系數(shù)。

K=0.142 857 1，E=-0.035 714 2，F(xiàn)=0.034 970 2，G=0.003 720 23，又由 mc=16，γ=2，得 h=mc+2γ2=24，帶入如下公式：

表2 二次通用選裝組合設(shè)計中心計算回歸系數(shù)參數(shù)

可得回歸方程為

1.5.4 回歸方程的曲線擬合

所以得到表面粗糙度的擬合曲線為

圖6和圖7所示為采用傳統(tǒng)工藝建模方法的擬合精度誤差曲線和預(yù)測精度誤差曲線。

由上圖擬合可以看出回歸方程所得擬合誤差非常大，對實際指導(dǎo)意義不大。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，采用newrff函數(shù)創(chuàng)建BP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定學(xué)習(xí)函數(shù)為learned，學(xué)習(xí)速率為0.01，設(shè)定顯示率為1，最大輪回次數(shù)為200，目標誤差為0.001。BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程的誤差曲線如圖8。

圖6 擬合精度誤差曲線

圖7 預(yù)測精度誤差曲線

圖8 BP網(wǎng)絡(luò)建立過程誤差曲線

圖9和圖10所示采用BP網(wǎng)絡(luò)建模方法的擬合精度誤差曲線和預(yù)測精度誤差曲線。

3結(jié) 論

1）通過單因子實驗可以看出，斷面粗糙度隨電壓增大而逐漸減??；隨著脈沖寬度呈“V”字型變化并且在1.2 μs時最小;隨著脈沖頻率逐漸增大而逐漸減?。浑S著加工速度呈“V”字型變化在10 mm/s時最小，呈現(xiàn)先減小后增大變化規(guī)律。

2）在二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗中，用該回歸方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合和預(yù)測時發(fā)現(xiàn)，其誤差太大。通過BP網(wǎng)絡(luò)仿真后的擬合和預(yù)測數(shù)據(jù)，其精度大大提高，其誤差擬合范圍在-3%～3%之間，誤差預(yù)測范圍在-4%～2%之間。

3）本文中只做了從已知輸出電壓U、脈沖激光的寬度Th和頻率f、加工速度v，預(yù)測斷面粗糙度的仿真研究。并未通過對給定粗糙度，進行輸出電壓U、脈沖激光的寬度Th和頻率f和加工速度v的預(yù)測，開發(fā)一個較成熟的工藝仿真系統(tǒng)。

圖9 擬合精度誤差曲線圖

圖10 預(yù)測精度誤差曲線圖

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