機械設計制造及其自動化畢業(yè)論文3.doc

安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）安徽建筑工業(yè)學院畢 業(yè) 設 計（論 文）系 別： 機械與電氣工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 08機械（2）班 姓 名： 朱 洪 學 號： 08210010234 課題名稱：實驗設計（doe）技術(shù)在激光加工工藝 參數(shù)優(yōu)化中的應用 指導老師： 陳 雪 輝 2012年 5月 9日摘 要doe（design of experiment）實驗設計，一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；實驗設計主要對實驗進行合理安排，以較小的實驗規(guī)模（實驗次數(shù)）、較短的實驗周期和較低的實驗成本，得理想的實驗結(jié)果以及得出科學的結(jié)論。參數(shù)優(yōu)化是達到設計目標的一種方法，通過將設計目標參數(shù)化，采用優(yōu)化方法，不斷的調(diào)整設計變量，使得設計結(jié)果不斷接近參數(shù)化的目標值。 模型參數(shù)優(yōu)化是通過極小化目標函數(shù)使得模型輸出和實際觀測數(shù)據(jù)之間達到最佳的擬合程度，由于環(huán)境模型本身的復雜性，常規(guī)優(yōu)化算法難以達到參數(shù)空間上的全局最優(yōu)。近年來，隨著計算機運算效率的快速提高，直接優(yōu)化方法得到了進一步開發(fā)與廣泛應用。針對激光加工質(zhì)量的問題，對激光加工各種參數(shù)進行了分析。以激光加工質(zhì)量優(yōu)化為目標，運用實驗設計分析方法，利用hyperstudy中的實驗設計（doe）模塊對激光加工中各種工藝參數(shù)進行了分析與計算，獲得經(jīng)過實際試驗驗證的一組最佳激光加工工藝參數(shù)。關(guān)鍵詞：實驗設計，參數(shù)優(yōu)化，激光加工abstractthe doe （design of experiment） experimental design, an arrangement of experiments and analysis of experimental data, mathematical statistical methods; test designed primarily to test to make reasonable arrangements with a smaller pilot scale （number of trials）, a shorter test cycles and lowertest costs, and satisfactory results, and draw scientific conclusions. parameter optimization is a way to meet the design objectives through the design of target parameters, optimization methods, and constantly adjust the design variables, making the design results to constantly close to the parameters of the target. parameter optimization is to achieve the best goodness of fit between model output and observational data by minimizing the objective function, due to the complexity of the environment of the model itself, the conventional optimization algorithms is difficult to achieve the global optimum in the parameter space.in recent years, with the rapid increase in computing efficiency, the direct optimization method to get the further development and wide application. the issue of the quality of laser processing, laser processing parameters were analyzed. optimization of laser processing quality, the use of experimental design analysis methods, the use of the hyperstudy the experimental design （doe） modules of various process parameters in laser processing, analysis and calculation, after verification of the actual test a set of best laser processing process parameters.keywords: experimental design, parameter optimization, laser processing.目錄第1章 緒 論11.1 實驗設計簡述11.2 課題的來源11.3本課題的研究思路與研究方法31.4 本章小結(jié)3第2章 hyperworks軟件介紹及hyperstudy優(yōu)化簡介42.1 hyperworks軟件介紹42.2 參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)知識52.3 hyperstudy軟件的相關(guān)知識52.3.1 hyperstudy的簡單介紹52.3.2 hyperstudy中doe研究62.3.3 hyperstudy中優(yōu)化研究72.4 本章小結(jié)8第3章 實驗數(shù)據(jù)的收集與整理93.1 激光加工簡述93.1.1技術(shù)簡述93.1.2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢93.2 工藝參數(shù)的收集與整理113.2.1各組實驗數(shù)據(jù)處理圖形如下：123.2.2實驗變量和結(jié)果：153.3 本章小結(jié)16第4章 激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化174.1創(chuàng)建excel電子表格174.2 以第二組實驗為例建立分析模型174.3 第二組實驗的實驗設計（doe）分析和近似214.4 進行優(yōu)化研究234.5 doe分析結(jié)果及最優(yōu)參數(shù)選擇254.6其余各組的優(yōu)化方案和結(jié)果264.6.1 各組的軟件分析圖和分析結(jié)果264.6.2 最終分析結(jié)果304.7 本章小結(jié)31第5章 總結(jié)與展望325.1 課題的總結(jié)325.2 課題的展望32致謝33參考文獻34附錄 a 畢業(yè)設計任務書35附錄 b 科技文獻翻譯38附錄 c 開題報告58附錄 d 安徽建筑工業(yè)學院2010屆畢業(yè)設計（論文）選題審批表65第1章 緒 論1.1 實驗設計簡述doe（design of experiment）實驗設計，一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；實驗設計主要對實驗進行合理安排，以較小的實驗規(guī)模（實驗次數(shù)）、較短的實驗周期和較低的實驗成本，得理想的實驗結(jié)果以及得出科學的結(jié)論。實驗設計源于1920年代研究育種的科學家dr. fisher的研究, dr. fisher是大家一致公認的此方法策略的創(chuàng)始者, 但后續(xù)努力集其大成, 而使doe在工業(yè)界得以普及且發(fā)揚光大者, 則非dr. taguchi （田口玄一博士） 莫屬。實驗設計作為質(zhì)量管理領域相對復雜、高級的統(tǒng)計方法應用，開始在國內(nèi)被逐漸接受，推廣。其實實驗設計對于我國學術(shù)界來說并不陌生。比如均勻設計，均勻設計是中國統(tǒng)計學家方開泰教授和中科院院士王元首創(chuàng)，是處理多因素多水平實驗設計的卓有成效的實驗技術(shù)，可用較少的實驗次數(shù)，完成復雜的科研課題開發(fā)和研究。 國內(nèi)一些大學的數(shù)學系和統(tǒng)計系近年來已經(jīng)逐漸開始開設專門的試驗設計課程，比如清華大學，電子科技大學、復旦大學等高校。 國內(nèi)一些行業(yè)領先的企業(yè)，比如中石化，華為科技，中石油，寶鋼等企業(yè)，也開始在質(zhì)量管理和產(chǎn)品研發(fā)、工藝改進等領域采用doe方法。1.2 課題的來源 作為20世紀科學技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。激光加工是國外激光應用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kw級到10kw級co2激光器和百瓦到千瓦級yag激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14%，其中材料加工為8.29億美元，醫(yī)療應用4億美元，研究領域1.5億美元。1998年總收入預計增長19%，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應用。 激光加工應用領域中，co2激光器以切割和焊接應用最廣，分別占到70%和20%，表面處理則不到10%。而yag激光器的應用是以焊接、標記（50%）和切割（15%）為主。在美國和歐洲co2激光器占到了7080%。我國激光加工中以切割為主的占10%，其中98%以上的co2激光器，功率在1.5kw2kw范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是進行激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套。這項技術(shù)的經(jīng)濟性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。 在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機，不僅節(jié)省了樣板及工裝設備，還大大縮短了生產(chǎn)準備周期；激光束在高硬度材料和復雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝，日本toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起，然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在汽車工業(yè)中仍應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達國家，激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合，派生出激光快速成形技術(shù)。該項技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且還可以直接由金屬粉末熔融，制造出金屬模具。 80年代，yag激光器在焊接、切割、打孔和標記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認為yag激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。隨著yag激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。yag激光器已開始擠進kw級co2激光器切割市場。yag激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。yag激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應用。 目前，國外激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用yag激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達3050kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴大了打孔的應用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。對激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化，將極大地改善激光加工的性能。對于應用越來越廣泛的激光加工技術(shù)，其參數(shù)的優(yōu)化也可以改善各個行業(yè)的效率與業(yè)績，對于生產(chǎn)與生活有著十分重要的意義。1.3本課題的研究思路與研究方法 根據(jù)現(xiàn)有的實驗設計（doe）研究資料，本文將運用hyperstudy軟件，尋求一種合適的實驗設計分析方法，針對激光實驗加工中得到的大量試驗數(shù)據(jù)進行歸門別類，對各種不同的激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化，在最終得到最優(yōu)的激光加工工藝參數(shù)。研究方法如下： 1.研究激光加工工藝，收集激光加工工藝參數(shù)參數(shù)，整理實驗參數(shù)。 2.研究實驗設計知識，學習實驗設計分析方法，了解實驗設計的方法與應用。3.研究hyperstudy軟件優(yōu)化過程，嘗試利用hyperstudy中實驗設計（doe）模塊對各種參數(shù)進行優(yōu)化，了解優(yōu)化的過程與結(jié)果，得出優(yōu)化方法。4定義分析，建立模型，建立響應。5.輸入實驗參數(shù)，得出優(yōu)化結(jié)果，收到最優(yōu)加工參數(shù)。1.4 本章小結(jié)本章主要介紹實驗設計的發(fā)展情況，主要包括國外和國內(nèi)的發(fā)展情況以及對于激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究情況進而引出課題，確定課題研究的思路和方法。第2章 hyperworks軟件介紹及hyperstudy優(yōu)化簡介2.1 hyperworks軟件介紹hyperworks 構(gòu)建于設計優(yōu)化、性能數(shù)據(jù)管理和流程自動化的基礎理念之上，hyperworks是一個企業(yè)級的仿真解決方案，用于加快企業(yè)設計開發(fā)和決策過程。作為業(yè)界最全面的開放構(gòu)架的cae解決方案，hypeworks包括第一流的建模、分析、可視化和數(shù)據(jù)管理解決方案，能夠用于線性、非線性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流固耦合和多剛體動力學等多個方面。 在汽車領域，其研究對象已涵蓋了車身、動力和底盤三大系統(tǒng)，研究內(nèi)容包含了結(jié)構(gòu)分析、工藝分析、動力學分析、內(nèi)外流場分析和安全分析等多個方面。僅對于車身結(jié)構(gòu)分析而言，應用cae技術(shù)已經(jīng)能得到包括剛度、強度、模態(tài)以及疲勞壽命等參數(shù)。hyperworks包括以下模塊：altair hypermesh高性能、開放式有限單元前后處理器，讓您在一個高度交互和可視化的環(huán)境下驗證及分析多種設計情況。altair motionview通用多體系統(tǒng)動力學仿真及工程數(shù)據(jù)前后處理器，它在一個直觀的用戶界面中結(jié)合了交互式三維動畫和強大無比的曲線圖繪制功能。altair hypergraph強大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制工具，具有多種流行的工程文件格式接口、強大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制功能、以及先進的定制能力和高質(zhì)量的報告生成器。 altair hyperform集成hypermesh強大的功能和金屬成型單步求解器，是一個使用逆向逼近方法的金屬板材成型仿真有限元軟件。 altair hyperopt使用各種分析軟件進行參數(shù)研究和模型調(diào)整的非線性優(yōu)化工具。altair optistruct世界領先的基于有限元的優(yōu)化工具，使用拓撲優(yōu)化方法進行概念設計。altair optistruct/fea基本線性靜態(tài)、特征值分析模塊。創(chuàng)新、靈活、合理的許可證無論是單機版還是網(wǎng)絡版，hyperworks 許可單位（hwus）都是平行的，所以不管你運行多少個hyperworks模塊，只有需要hwus最多的模塊才占用hwus數(shù)。2.2 參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)知識參數(shù)優(yōu)化是達到設計目標的一種方法，通過將設計目標參數(shù)化，采用優(yōu)化方法，不斷的調(diào)整設計變量，使得設計結(jié)果不斷接近參數(shù)化的目標值。 模型參數(shù)優(yōu)化是通過極小化目標函數(shù)使得模型輸出和實際觀測數(shù)據(jù)之間達到最佳的擬合程度，由于環(huán)境模型本身的復雜性，常規(guī)優(yōu)化算法難以達到參數(shù)空間上的全局最優(yōu)。近年來，隨著計算機運算效率的快速提高，直接優(yōu)化方法得到了進一步開發(fā)與廣泛應用。 優(yōu)化模型參數(shù)，以滿足設計要求的過程包括以下任務： 1. 指定設計要求 2. 參數(shù)化設計目標 3. 指定優(yōu)化選項 4. 運行優(yōu)化2.3 hyperstudy軟件的相關(guān)知識2.3.1 hyperstudy的簡單介紹hyperstudy是一個hyperworks軟件包中的一款主要產(chǎn)品。它主要用于cae環(huán)境下doe （試驗設計），優(yōu)化，以及隨機分析研究。hyperstudy的前身是altair公司hyperworks系列產(chǎn)品中的studywizard。hyperstudy具有導向式結(jié)構(gòu)易于學習。適用于研究不同變化條件下設計變量的特性，包括非線形特性。還能應用在合并不同類型分析的跨學科領域中。模型易于參數(shù)化。除了傳統(tǒng)意義上定義輸入資料為設計變量，有限元的形狀也能夠被參數(shù)化。hyperstudy具有良好的集成性，可以從hypermesh, hyperform, 和motionview 軟件直接啟動同時獲取設計參量等。hypermorph 可用于是形狀參數(shù)的生成。同時可與多種外部求解器合并使用，進行線性和非線性的doe、優(yōu)化和隨機分析。外部求解器類型abaqus ansys xy data dads ls-dyna adams pam-crash nastran excel data madymo altair optistruct simpack altair hyperform radioss altair motionsolve hypermesh result file 2.3.2 hyperstudy中doe研究doe又稱實驗設計，目的在于進行實驗設計以減少實驗次數(shù)，并且保證獲得充分的信息，從而簡化數(shù)據(jù)處理，節(jié)省人力物力和時間。正確合理的實驗設計，可使實驗結(jié)果的可靠性顯著提高。實驗設計還可以為尋求參數(shù)的優(yōu)化數(shù)值和選擇最佳工藝方案指明方向。實驗研究的目標在于研究參數(shù)變化對于模型特性的影響，確定哪一種因素對于特定響應最具有影響。確定輸入變量為何值時使得響應接近期望值，或者輸出響應的變化性非常小，以及非控制變量的效應最小化。試驗設計能夠定義一系列測試用于有目的識別或觀察參數(shù)變化對輸出響應變化。在這種研究中，設計變量的影響和相互作用也作為研究對象，模型重復計算按照設定的一系列的組合參數(shù)。響應被描述為的參數(shù)代數(shù)表達式函數(shù)，即稱為響應面，也就是建立一個近似模型被用做實際問題精確求解的替代模型。模型的響應面一經(jīng)產(chǎn)生，這些響應面就被作為整個精確求解方法的代理表達式。新的設計變量的組合不再用于原來的求解過程中，而是被插入響應面方程以快速估算模型的響應，不需要實際運算整個分析。實驗研究類型 mjwcaeworksfull factorial全參數(shù)法 fractional factorial部分參數(shù)法 box-behnken法 plackett-burman法 central composite designs中心復合法 latin hypercube拉丁超立方體法 用戶自定義型 設計變量連續(xù)型（continuous） 離散型（discrete ） 字符串型（string）后處理主要效果（main effects） 變異數(shù)分析（analysis of variance （anova） 敏感度指數(shù)（sensitivity index） 回歸函數(shù)（polynomial regressions ） 殘差分析（residuals） 診斷信息（diagnostics） 控制因子交互作用（controlled factor interactions） 非控制因子交互作用（uncontrolled factor interactions） 控制因子與非控制因子交互作用（controlled - uncontrolled factor interactions） excel 表評定分析（ms excel spreadsheet for trade-off studies） 2.3.3 hyperstudy中優(yōu)化研究 優(yōu)化研究用于尋找參數(shù)的最佳設定以滿足一定數(shù)目約束下的特定目標最大化（最小化或趨近設定值）。利用hyperstudy的向?qū)到y(tǒng)定義設計參數(shù)，從求解的模型結(jié)果中提取數(shù)據(jù)來定義作為響應，再把響應分別定義為約束和目標進行優(yōu)化研究。利用其提供的優(yōu)化引擎，將求解器或響應面方程納入優(yōu)化計算循環(huán)，不斷調(diào)整在求解模型文件中設定的參數(shù)值，再求解，之后比較每一次的響應計算結(jié)果，從而完成優(yōu)化循環(huán)。它可與多種外部求解器合并使用用于線性和非線性的優(yōu)化分析，如耐撞性設計、多體動力系統(tǒng)模擬、金屬成形模擬、計算流體動力學（cfd），以及多學科性問題。算法響應面算法（hyperopt） 可行方向法 用戶自定義算法設計變量連續(xù)型（continuous） 離散型（discrete） 跨學科綜合研究模型（multiple models for multi-disciplinary studies） 后處理xy曲線繪制目標函數(shù) 設計約束條件 設計變量 繪制設計變量2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了hyperworks/hyperstudy相關(guān)方面的知識，同時講述了有關(guān)參數(shù)優(yōu)化以及如何利用hyperstudy中實驗設計（doe）模塊來進行參數(shù)優(yōu)化。第3章 實驗數(shù)據(jù)的收集與整理3.1 激光加工簡述3.1.1技術(shù)簡述激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：1激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。2激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。3.1.2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢作為20世紀科學技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。激光加工是國外激光應用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kw級到10kw級co2激光器和百瓦到千瓦級yag激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14，其中材料加工為8.29億美元，醫(yī)療應用3億美元，研究領域1.5億美元。1998年總收入預計增長19，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應用。激光加工應用領域中，co2激光器以切割和焊接應用最廣，分別占到70和20，表面處理則不到10。而yag激光器的應用是以焊接、標記（50）和切割（15）為主。在美國和歐洲co2激光器占到了7080。我國激光加工中以切割為主的占10，其中98以上的co2激光器，功率在1.5kw2kw范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15，大多數(shù)是進行激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套。這項技術(shù)的經(jīng)濟性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機，不僅節(jié)省了樣板及工裝設備，還大大縮短了生產(chǎn)準備周期；激光束在高硬度材料和復雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝，日本toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起，然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在汽車工業(yè)中仍應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達國家，激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合，派生出激光快速成形技術(shù)。該項技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且還可以直接由金屬粉末熔融，制造出金屬模具。到了80年代，yag激光器在焊接、切割、打孔和標記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認為yag激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。隨著yag激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。yag激光器已開始擠進kw級co2激光器切割市場。yag激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。yag激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應用。目前，國外激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用yag激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達3050kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴大了打孔的應用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。目前激光加工技術(shù)研究開發(fā)的重點可歸納為：新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時期，其標志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應用；精細激光加工，在激光加工應用統(tǒng)計中微細加工1996年只占6，1997年翻了一倍達12，1998年已增加到19；加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實時檢測、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢。激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成果，許多已用于生產(chǎn)實踐，激光加工設備產(chǎn)量平均每年以20的速度增長，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(zhì)量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達90以上。存在的主要問題：科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差。國外不僅二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中，而且二級管激光器也被應用，而我國二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段。對加工技術(shù)的研究少，尤其對精細加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少。激光加工設備的可靠性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。3.2 工藝參數(shù)的收集與整理表3-1實驗不變參數(shù)加工長度加工圖形加工速度v波形脈寬激光功率if加清水，射流壓力0.1mpa21cm直線4mm/s41.0ms100a415mm直線42.5ms150a35hz5點4mm/s41.5ms20hz6點4mm/s4300a20hz7點4mm/s42.3ms300a815cm直線42.0ms250a加915mm直線1.5mm/s42.0ms26hz加1015cm直線42.0ms250a1115mm直線1.5mm/s42.0ms26hz3.2.1各組實驗數(shù)據(jù)處理圖形如下：圖3-1 f與寬度的擬合曲線（注：紅線均為擬合后的曲線，黑線為原數(shù)據(jù)曲線）圖3-2 速度與寬度的擬合曲線圖3-3 激光功率與寬度擬合曲線圖3-4 脈寬與半徑擬合曲線圖3-5 f與半徑的擬合曲線圖3-6 f與寬度的擬合曲線圖3-7 激光功率與寬度的擬合曲線圖3-8 f與寬度的擬合曲線圖3-9 激光功率與寬度擬合曲線3.2.2實驗變量和結(jié)果：表3-2 實驗變量f（hz）f（hz）21107152215727232073924257411253074132635761527407717284578192950792121055f（hz）加工速度v（mm/s）8115411.08220421.58325432.08430442.58535453.08640463.5激光功率i（a）激光功率i（a）911505115092170521759319053200942105422595230552509625056275f（hz）5730010120583251022259350103245103751042651140010528脈寬（ms）10630610.5激光功率i（a）620.8111150631.1112170641.4113190651.7114210662.0115230672.3116250表3-3 實驗結(jié)果樣品編號寬度（mm）半徑（mm）樣品編號寬度（mm）半徑（mm）2-10.2607710.2275220.2753720.1458230.2657730.0828240.242740.267250.179750.3366260.3207760.2338270.354770.3603280.4313780.3661290.3337790.32032100.3065810.594410.2993820.523420.425830.5997430.3973840.7187440.5323850.674450.593860.7427460.5973910.9207510.1177920.858520.0846930.9293530.1313940.7563540.1177950.7983550.1049960.4708560.28611010.477570.10731020.557580.34241030.45590.27611040.56035100.11421050.76475110.13341060.5603610.14691110.5857620.14761120.5993630.19621130.6093640.29061140.6187650.35711150.675660.23771160.70167037113.3 本章小結(jié)本章主要簡述了激光加工技術(shù)以及這項技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展，收集了激光加工的9個樣品共66組加工參數(shù)，并且分門別類的對這些數(shù)據(jù)進行了進一步的整理。第4章 激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化 在前面的一章中，我們共做了九個樣品的加工實驗。對于這九組實驗，分別以參數(shù)變量和結(jié)果為設計變量和響應建立execl電子表格來進行參數(shù)優(yōu)化。4.1創(chuàng)建excel電子表格以第二組實驗為例，首先建立一個excel電子表格。表格共3列，第一列是實驗的編號，第二列是設計變量（即參數(shù)變量），第三列是響應（即實驗結(jié)果）。然后依此類推，對其余八組實驗分別創(chuàng)建excel電子表格。圖4-1 excel電子表格4.2 以第二組實驗為例建立分析模型1創(chuàng)建一個hyperstudy可以評估的輸入矩陣具體步驟如下：（1） 在excel中打開的電子表格。（2） 檢查excel表格中的信息，找到設計變量與響應分別對應的列。（3） 將excel表格保存為后綴是“.txt”的文本文檔格式。2 進入hyperstudy界面，完成第一步研究設置的操作 hyperstudy軟件的流程樹中共有五個大的部分，其中第一步的研究設置共有七個小的步驟：創(chuàng)建研究、創(chuàng)建模型、創(chuàng)建設計變量、做名義運行、創(chuàng)建響應、連接設計變量、敏感性。在這個優(yōu)化中，我將其分為三個步驟來做，具體步驟如下： 1）創(chuàng)建模型和定義設計變量：（1）由開始菜單欄中直接打開hyperstudy軟件。圖4-2 hyperstudy軟件操作界面（2）單擊add study按鈕，選擇new，彈出一個小窗口，單擊ok按鈕，創(chuàng)建了一個study_1，在study directory下選擇了工作目錄（c:excel2）。圖4-3 創(chuàng)建研究對話框（3）單擊next按鈕，進入到創(chuàng)建模型界面。（4）單擊add model，從組合框中選擇模型類型hyperstudy，單擊ok按鈕，model_1被添加到列表中。圖4-4 創(chuàng)建模型對話框（7）單擊next按鈕，進入創(chuàng)建設計變量界面。（8）單擊add design variable按鈕，單擊ok按鈕，創(chuàng)建并定義設計變量desvar_1進行研究。圖4-5 創(chuàng)建變量對話框（9）單擊next按鈕，進入到做名義運行界面。2）創(chuàng)建響應（1）單擊next按鈕，進入到創(chuàng)建響應界面。（2）單擊add response按鈕，點擊apply兩次，點擊cancel創(chuàng)建兩個響應response_1和response_2。圖4-6 響應創(chuàng)建界面（3）先左擊然后再右擊response_1，把response_1改為index，這個響應將作為計數(shù)器來使用。并在response expression field中輸入congvert（getenv（study_run_number：）-1。（4）雙擊response_2，會出現(xiàn)一個hyperstudy - response expressionbuilder窗口，在vectors中單擊add按鈕，創(chuàng)建了一個vector 1。圖4-7 創(chuàng)建向量對話框（5）在vector resource file中選擇前面保存的“.txt”文件，在vector file type中選擇reference file，并對其進行定義。圖4-8 向量定義模塊（6）點擊apply，編輯響應表達式,輸入v_1r_1。點擊評估響應表達式盒，表達式v_1r_1應該改變到0.02607。圖4-9 評估響應表達式盒（7）單擊ok按鈕。3）關(guān)于敏感性（1）單擊next按鈕，進入敏感性界面，單擊continue to按鈕，選擇doe study。4.3 第二組實驗的實驗設計（doe）分析和近似 hyperstudy軟件流程樹中第二和第三部分分別是實驗設計（doe）和近似。這兩塊分為兩大步驟來做，具體步驟如下： 1）在電子表格中輸入試驗設計與結(jié)果 （1）單擊add doe study，單擊ok按鈕，創(chuàng)建doe分析時，controlled factors中的doe class選擇run matrix，并相應選擇先前得到的.txt文件。圖4-10 doe研究建立對話框 （2）單擊next進入控制變量界面，檢查設計變量。 （3）單擊next進入相互約束界面，在這個界面中，不需要編輯。（4）單擊next進入控制分配界面，這里是連接運行矩陣中設計變量的列。在界面右邊，使用下拉菜單，將col 0變?yōu)閚one、dv_1分配到第二個矩陣列（col 1）。單擊apply。圖4-11 控制分配模塊 （5）點擊next三次進入提取反應界面。單擊 extract 。圖4-12 提取反應模塊2）創(chuàng)建一個近似。（1）在流程樹中點擊create approximation前面的空白框，進入創(chuàng)建近似界面。單擊add，在approximation type中選擇moving least squares，選中add to all，單擊ok按鈕。圖4-13 創(chuàng)建近似對話框（2）單擊next進入導入矩陣界面。單擊import matrix，單擊ok按鈕。圖4-14 導入矩陣對話框（3）在流程樹中選擇build approximation，進入構(gòu)建近似界面，將order修改到2，單擊build，然后進入剩余誤差界面驗證這一改進。圖4-15 構(gòu)建近似模塊4.4 進行優(yōu)化研究hyperstudy流程樹中第四個部分是優(yōu)化研究，其具體步驟如下：（1）樹中選擇create optimization study前面的空白框，進入到創(chuàng)建優(yōu)化研究界面。圖4-16 流程樹中創(chuàng)建優(yōu)化部分（2）單擊add optimization，然后單擊ok按鈕，一個新的優(yōu)化研究optimization_1將被創(chuàng)建在界面左邊的optimization框中。圖4-17 創(chuàng)建優(yōu)化研究對話框（3）在界面右邊的optimization engine下拉菜單中選擇（arsm） - adaptive response surface method。圖4-18 優(yōu)化選項選擇菜單（4）單擊next進入定義設計變量界面，這里可以查看設計變量，并對其各個選項進行修改。（5）單擊next進入約束條件界面。（6）單擊add constraint。（7）單擊ok按鈕。（8）在aply constraint on下拉菜單中選擇response_2，在bound type下拉菜單中選擇=，在evaluate from下拉菜單中選擇mlsm_1。（9）單擊next進入目標界面，單擊add objective，單擊ok按鈕。圖4-19 建立目標對話框（10）在objective下拉菜單中選擇minimize，單擊launch optimization，得出優(yōu)化結(jié)果并對其進行檢查。圖4-20 優(yōu)化目標圖圖4-21 優(yōu)化列表4.5 doe分析結(jié)果及最優(yōu)參數(shù)選擇圖4-22 doe分析數(shù)據(jù)表圖4-22 擬合曲線圖圖4-23 第二組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，第五組參數(shù)對結(jié)果影響結(jié)果最佳即25（二號樣品的第五組參數(shù)）情況最滿足要求，故二號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為f=30hz。4.6其余各組的優(yōu)化方案和結(jié)果重復4.2到4.4，注意其中的差別，對其余八組實驗分別進行優(yōu)化處理，得出各組的優(yōu)化處理結(jié)果，并總結(jié)得出最優(yōu)的激光加工工藝參數(shù)。4.6.1 各組的軟件分析圖和分析結(jié)果1.第四組實驗：圖4-24 第四組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，42（四號樣品的第二組參數(shù)）情況最滿足要求，故四號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為加工速度v=1.5mm/s。2.第五組實驗：圖4-25 第五組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，57（五號樣品的第七組參數(shù)）情況最滿足要求，故五號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為激光功率i=300a。3.第六組實驗：圖4-26 第六組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，61（六號樣品的第一組參數(shù)）情況最滿足要求，故六號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為脈寬：0.5ms。4.第七組實驗：圖4-27 第七組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，72（七號樣品的第二組參數(shù)）情況最滿足要求，故七號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為f=7hz。5.第八組實驗：圖4-28 第八組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，82（八號樣品的第二組參數(shù)）情況最滿足要求，故八號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為激光功率f=22hz。6.第九組實驗：圖4-29 第九組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，96（九號樣品的第六組參數(shù)）情況最滿足要求，故九號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為激光功率i=250a。7.第十組實驗：圖4-30 第十組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，103（十號樣品的第三組參數(shù)）情況最滿足要求，故十號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為f=22hz。8：第十一組實驗：圖4-31 第十一組實驗用二乘回歸法進行的近似分析圖從doe分析結(jié)果看，111（十一號樣品的第一組參數(shù)）情況最滿足要求，故十一號樣品的最優(yōu)設計參數(shù)為激光功率i=150a。4.6.2 最終分析結(jié)果 進過各組實驗試驗參數(shù)及結(jié)果優(yōu)化分析后，從各組結(jié)果看，最符合要求的即最優(yōu)的激光加工工藝參數(shù)為： （1）第二、四、八、九、十、十一組實驗優(yōu)化結(jié)果綜合分析得：加工圖形為直線，加工速度v=1.5mm/s，波形：4，脈寬：1.0ms，激光功率i=250a，f=30hz，加清水、射流壓力0.1mpa ； （2）第五、六、七組實驗優(yōu)化結(jié)果綜合分析得：加工圖形為點，加工速度v=4mm/s,波形：4，脈寬：0.5ms，激光功率：i=150a，f=7hz。4.7 本章小結(jié) 本章應用hyperstudy軟件中實驗設計（doe）模塊對前面得到的試驗參數(shù)進行優(yōu)化處理，得出了最優(yōu)的激光加工工藝參數(shù)，并對此結(jié)果進行了分