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两华大学硕士学位论文 高速走丝电火花线切割加工工艺的仿真 机械电子工程专业 研究生杜树浩指导老师刘勇 摘要 目前，在线切割加工时，对机床加工参数工艺效果预测及自动优化设定是 个关键问题。解决工艺参数选择难的关键是建立一个合理有效的电火花线切割 加工模型。由于加工过程的复杂性、系统的非线性和加工参数变化而引起的时 变性等，很难建立准确的数学模型。 神经网络作为一种新型的建模工具，具有自组织、自学习和良好的容错能 力，能够模拟现实系统复杂的输入、输出关系，具有很强的非线性建模能力。 结合这一特点本文提出用人工神经网络建立线切割加工过程的仿真模型，可映 射出输入加工参数与输出加工工艺效果之间的关系，为线切割加工的计算机仿 真和智能化系统研究提供了可靠依据，推动机理研究的进展。 通过对电火花线切割加工工艺规律的分析，本论文选取影响工艺效果的主 要四个因素：工件厚度、平均间隙电流、脉冲宽度、脉冲间隔作为输入参数 以构成r b f 网络的训练样本，选取加工速度、表面粗糙度两项性能指标作为 r b f 网络的目标函数。采用二次通用旋转组合设计方法设计试验次数，从而确 定试验方案。获取试验数据后，便可使用r b f 网络对新的样本库进行学习， 可获得相应的加工工艺效果预测模型。同时应用遗传算法实现加工工艺参数优 化，可得出相应条件下的加工参数优化模型。 关键词：线切割；神经网络；工艺仿真；预测：参数优化 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m a c h i n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s o nt h ee f f e c to ff o r e c a s t a n d a u t o m a t i c a l l yo p t i m i z e i sak e yi s s u e s o l v et h ed i f f i c u l t c h o i c eo fp r o c e s s 口a r a m e t e r s ，t h ek e yi st oe s t a b l i s ha r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ew e d mm o d e l ，a n d a p p l yt h i sm o d e l t oa c h i e v et h eo v e r a l le f f e c to ft h es c o p eo ft h ef o r e c a s tp r o c e s s a san e wt y p eo fn e u r a ln e t w o r km o d e l i n gt o o l s ，n e u r a ln e t w o r k i san e u r o nb y a n u m b e ro fl a r g e s c a l ec r o s s 1 i n kt h ec o m p o s i t i o no fp a r a l l e ld i s t r i b u t e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i l l gs y s t e mw i t hs e l f - o r g a n i z i n g ，s e l f - l e a r n i n g a n dg o o df a u l tt o l e r a n c e s v s t e r nc o m p l e x i t yc a nb eu s e dt os i m u l a t er e a l i s t i ci n p u ta n do u t p u tr e l a t i o n s ，h a s a s t r o n gn o n 1 i n e a rm o d e l i n gc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fa t t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k su s i n gw e d mp r o c e s ss i m u l a t i o n m o d e l b yw e d mp r o c e s sa n a l y s i so ft h el a w , i nt h i sp a p e r , t h ei m p a c to fp r o c e s s t o s e l e c tt h em a i ne f f e c to ff o u rf a c t o r s ：t h et h i c k n e s so f t h ew o r k p i e c e ，t h ea v e r a g e g a pc u r r e n t ，p u l s ew i d t h ，p u l s ei n t e r v a la st h ei n p u tp a r a m e t e r sm o r d e rt oc o n s t i t u t e as a m p l eo fr b fn e t w o r kt r a i n i n g s e l e c tt h ep r o c e s s i n gs p e e d ，s u r f a c er o u g h n e s s o ft h e 懈，0p e d - o r m 锄c ei n d i c a t o r sa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nr b f n e t w o r k u n i v e r s a l a d o p t i o no ft h es e c o n dr o t a t i o nd e s i g nn u m b e ro f t e s t sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h e p i l o tp r o g r a m r b fn e t w o r k su s e as a m p l ed a t a b a s e t ot h en e ws t u d y ，t h e c o r r e s p o n d i n gp r o c e s sw i l lb et h ee f f e c to fp r e d i c t i o nm o d e l a t t h es a m et t m e ，u s e g at oo p t i m i z ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，i tc a nb ec o n c l u d e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：w e d m ；n e u r a ln e t w o r k ；p r o c e s ss i m u l a t i o n ；p r e d i c t i o n ；p a m m e t e r o p t i m i z a t i o n i l 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 力哆年占月乡日 吖年月j 日 两华大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：棚诰 日期：螂纵踢 6 5 b(、厂b 0 吖 名期签日 师教 导指 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的提出 电火花线切割加工技术的优点和与常规切削加工的互补作用十分明显，因而 在机械制造业中得到广泛应用，但被加工材料种类和性质的多样性，使得其工 艺参数的选择变得十分复杂，严重影响电火花线切割的加工质量和生产率。 电火花线切割加工过程是一个包含多参数的复杂过程，具有随机性和不确 定性。在实际应用中，电火花线切割加工所选取的工艺参数直接决定工艺效果， 而工艺参数的选取往往取决于操作人员的经验和技术水平。由于w e d m 机理 比较复杂，影响因素较多，故仅凭操作人员的经验，主观地选择工艺参数进行 加工，往往不能充分地发挥机床的性能，从而影响加工工艺效果。针对这种情 况，国内许多电加工机床生产厂建立了针对本厂机床特点的工艺参数表，在一 定程度上解决了工艺参数选择难的问题，给用户提供了很大的方便。但实际加 工情况千变万化，而工艺参数表中的工艺参数组合是有限的，要完全通过工艺 参数表来实现工艺参数的优选是很困难的，目前较先进的高速走丝线切割机床 则配有非常庞大的数据库系统以满足各种加工要求，但是这样的数据库主要依 赖于过去无数次试加工所积累的数据以及熟练工的经验。即便如此，由于加工 条件千变万化，所建立的数据库还是不能够满足用户的需求。因此建立一个电 火花线切割加工工艺的仿真系统，实现在全局范围内加工效果的预测，进而实 现工艺参数的自动优化选取，这样不仅可以提高加工效率，而且节省大量的人 力和物力。 1 2 课题的研究方法 解决工艺参数选择难的关键是建立一个合理有效的电火花线切割加工模 型，并应用此模型实现在全局范围内加工效果的预测，进而实现工艺参数的自 动优化选取。由于加工过程的复杂性、系统的非线性和加工参数变化而引起的 时变性等，很难建立数学模型，所建立的数学模型是否能精确地代表该系统的 特征也是一个问题。 两华大学硕士学位论文 人工神经网络作为当前智能技术中研究和应用的热点之一，已被许多电火 花加工的研究人员致力于电火花加工中的应用研究。神经网络作为一种新型的 建模工具，是一种由多个神经元交互链接组成的大规模分布式并行信息处理系 统，具有自组织、自学习和良好的容错能力，能够模拟现实系统复杂的输入、 输出关系，具有很强的非线性建模能力。结合这一特点本文提出用人工神经网 络建立线切割加工过程的仿真模型，可映射出输入加工参数与输出加工工艺效 果之间的关系，为线切割加工的计算机仿真和智能化系统研究提供了可靠依 据，并能从中找出加工规律，推动机理研究的进展。 具体工作是首先在方正数控机床厂生产的d k 7 7 3 2 机床上进行试验，获取 试验数据以便建立相应的工艺数据库( 即样本库) ，然后使用r b f 网络对新的样 本库进行学习，可获得此条件下的加工工艺效果预测模型。同时应用遗传算法 对新样本库优化，可得出相应条件下的加工参数优化模型。 1 3 课题的研究工具 计算机技术的不断发展和应用，为电火花线切割加工工艺的仿真创造了条 件。在科学研究和工程应用的过程中，往往需要进行大量的数学计算，一些技 术人员尝试用b a s i c 或c 语言编制程序来减轻计算的工作量。但编程不仅需要 掌握所用语言的语法，还需要对有关算法进行深入分析，这对大多数科学工作 者来说有一定的难度。为满足用户对工程数学计算的要求，一些软件公司相继 推出了一批数学类科技应用软件，如m a t l a b 、x m a t h 、m a t h e m a t i c a 、m a p l e 等。其中，m a t h w o r k s 公司推出的m a t l a b 以其强大的功能和易用性受到越 来越多的科技工作者的欢迎，因而m a t l a b 被称为“科学便笺式 工程计算 ：五吉 7 】 旧口o m a t l a b 作为国际公认最优秀的数学应用软件，具有高性能的数值计算 能力，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方 便的、界面友好的用户环境。对要求解的问题用户只需简单地列出数学表达式， 其结果便以数值或图形的方式显示出来。借助于它们，我们可以直观、方便地 进行分析、计算及仿真工作，因此得到了各个领域专家学者的广泛关注。 m a t l a b 由主程序和功能各异的工具箱组成，神经网络工具箱是用m a t l a b 西华大学硕士学位论文 语言开发出来的许多工具箱之一，网络的设计者可以根据自己的需要去调用工 具箱中有关神经网络的设计与训练函数，对网络进行初始化、仿真和训练，并 通过变化的图形观察其动态训练过程，使自己能够从繁琐的编程中解脱出来， 集中精力去思考问题和解决问题，从而提高效率和解题质量。基于以上诸多优 点，本文选用m a t l a b 作为电火花线切割加工工艺仿真及参数优化的应用平 厶 口o 1 4 论文的主要研究内容及意义 本文在研究国内外线切割工艺建模方法和工艺仿真系统的基础上，利用人 工智能神经网络技术，建立一个电火花线切割加工工艺的仿真与参数优化模 型，实现在全局范围内加工效果的预测，进而实现工艺参数的自动优化选取。 本文的研究对于提高电火花线切割加工的智能化、加工过程的稳定性以及操作 的方便性有重要的意义，从而提高高速走丝电火花线切割的市场竞争力。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 研究分析高速走丝电火花线切割加工的基本工艺规律； 2 ) 分析国内外电火花线切割加工工艺建模方法研究现状； 3 ) 选取试验设备，设计试验方案，进而在d k 7 7 3 2 线切割机床上进行试验； 4 ) 乖l j 用人工神经网络中的径向基神经网络( r b f ) 对高速走丝电火花线切 割加工工艺过程进行建模仿真与预测，并验证仿真和预测的结果，利用 m a t l a b 开发r b f 神经网络的仿真模块； 5 ) n 用遗传优化算法进行线切割加工参数的优化，采用优化好的参数在建 立好的r b f 模型上预测，并通过试验加以验证； 6 ) 总结与展望 西华大学硕士学位论文 2 高速走丝电火花线切割加工的应用和问题 2 1 电火花加工的原理 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ，其加 工过程与传统的机械加工完全不同。电火花加工的原理是在一定介质中，基于工 具和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属， 从而达到对零件的尺寸、形状及表面质量等预定的加工要求。电腐蚀现象早在 1 9 世纪初就被人们发现并加以研究。例如，电器开关在闭合或断开时往往产生 火花放电而把接触表面烧毛、腐蚀。研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是： 火花放电时，火花通道瞬时产生大量的热，足以使任何金属局部熔化甚至汽化 而被蚀除下来，形成放电凹坑。【l 】 i f i 9 2 1e d ms c h e m a t i c 1 - a u t o m a t i cd e v i c et or e g u l a t e ；2 - p u l s ep o w e r ；3 t o o l s ； 4 - d r i v i n gf l u i d ；5 - ；w o r k p i e c e ；6 一t a b l e ；7 - f i l t e r ；8 - p u m p 图2 1电火花加工原理图 l 一自动进给调节装置；2 一脉冲电源：3 一工具；4 一工作液； 5 一工件；6 一工作台；7 一过滤器；8 一工作液泵 4 西华大学硕士学位论文 图2 1 为电火花加工原理示意图。工件5 和工具3 分别与脉冲电源2 的两 输出端相连接。自动进给调节装置l ( 此处为电动机及丝杆螺母机构) 使工具和 工件间经常保持很小的放电间隙，若脉冲电压加到两极之间，便在当时条件 下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电， 放电点处产生瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一 个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间( 即脉冲间隔) ，使工作液恢复 绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘 强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。如此连续不断的重复放电，工具 电极不断地向工件进给就可把工具的形状复制到工件上，加工出所需要的零 件，整个加工表面由无数个小凹坑组成。如图2 2 所示，其中图( a ) 表示单个脉 冲放电后的电蚀坑，图( b ) 表示多次脉冲放电后的电极表面。图2 3 为矩形波脉 冲电源的电压波形。川 t 二： o j 。：j 。：一，? j ：! o ：o 。：o ! ：j ； ( a ) s i n g l ep u l s e f i 9 2 2l o c a le n l a r g e m e n to fe d m ( a ) 单个脉冲放电痕( b ) 连续脉冲放电痕 图2 2电火花加工表面局部放大图 t i p u l s ew i d t h ；t op u l s ei n t e r v a l ；t pp u l s ec y c l e ；l l i v o l t a g e f i 9 2 3r e c t a n g u l a r - w a v ep u l s e t j 脉冲宽度；t o 脉冲间隔；t p 脉冲周期u i 脉冲峰值电压或空载电压 图2 3 矩形波脉冲电源的电压波形 西华大学硕士学位论文 电火花线切割加工( w i r ec u te d m ，简称w e d m ) 是在电火花加工基础上 于2 0 世纪5 0 年代末最早在苏联发展起来的一种新的工艺形式，电火花线切 割加工的基本原理是利用不断移动的细金属导线( 铜丝或钼丝) 作为工具电 极，其与工件之间形成脉冲性放电腐蚀工件来实现加工。 根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是高速 走丝电火花线切割机床( w e d m - - h s ) ，这类机床的电极丝作高速往复运动，一 般走丝速度为8 1 0 m s ，这是我国独创的电火花线切割加工模式，也是我国生 产和使用的主要机种；另一类是低速走丝电火花线切割机床( w e d m - - l s ) ，这 类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0 2 m s ，这是国外生产和 使用的主要机种，国内也已逐步采用和生产慢走丝机床。 a )【b ) f i 9 2 4w e d m s c h e m a t i c 1 - b a c k p l a n e ；2 w o r k p i e c e ；3 - p u l s ep o w e r ； 4 - m o l y b d e n u m ；5 - d r i v e nw h e e l ；6 - s t e n t ；7 - t u b e 图2 4电火花线切割加工原理图 1 一绝缘底板；2 一工件：3 一脉冲电源；4 一钼丝； 5 一导向轮；6 一支架；7 一储丝筒 图2 4 为高速走丝电火花线切割原理示意图。利用钼丝4 作工具电极进行 切割，储丝筒7 使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源3 供给。在电 极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的 控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工 6 西华大学硕士学位论文 件切割成形。【1 】 2 2 电火花线切割加工的特点及应用 2 2 1 特点 电火花线切割的主要特点如下： 1 ) 不必制造专门的成形工具电极，大大降低了工具电极的设计和制造费 用，缩短了生产准备时间，加工周期短，对新产品的试制很有意义； 2 ) 由于电极工具是直径较小的细丝，故脉冲宽度、平均电流等不能太大， 加工工艺参数的范围较小，属中、精正极性电火花加工，工件常接电源正极； 3 ) 由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。 由于切缝很窄，且只对工件材料进行“套料 力n - r _ ，实际金属去除量很少，材 料的利用率很高，对加工、节约贵重金属有重要意义： 4 ) 由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少， 从而对加工精度的影响比较小，特别在低速走丝线切割加工时，电极丝一次性 使用，电极丝损耗对加工精度的影响更小。 2 2 2 应用范围 数控电火花线切割加工的应用范围很广泛，随着电火花线切割机床的普 及，电火花线切割机床已经逐渐从单一的冲裁模具加工向各类模具及复杂精密 模具甚至零件加工方向转移，举例如下： 1 ) 加工模具 适用于各种形状的冲模。调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以切 割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。模具配合间隙、加工精度通常都能达 到o 0 1 o 0 2 r a m ( 快走丝机) 和0 0 0 2 - - 0 0 0 5 m m ( 慢走丝机) 的要求。此外，还可 加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等，也可加工带锥度的模具。 2 ) 难加工零件 如在精密型孔、样板及成形刀具、精密狭槽等微型零件加工中，利用机械 切削加工就很困难，而采用线切割加工则比较适宜。 3 ) 切割加工电火花成型加工用的电极 加工用的电极一般是穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极，以 西华大学硕十学位论文 及铜钨、银钨合金这类的电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加 工微细复杂形状的电极。 4 ) 新产品试制的零件加工制作 新产品试制时，一些关键件往往需要用模具制造，但加工模具周期长且成 本高，采用线切i l i i i 可以直接切制零件，从而缩短新产品的试制周期。 5 ) 贵重金属下料 由于线切割) r o t 用的电极丝尺寸小于切削刀具尺寸，( 最细的电极丝尺寸 可达o 0 2 m m ) ，用它切割贵重金属，可节约很多切缝消耗。 3 】 2 3 高速走丝电火花线切割加工的基本工艺规律 2 3 1 主要的工艺指标 1 ) 切割速度 在保持一定的表面粗糙度的前提下，单位时间内电极丝中心线在工件上切 过的面积总和称为切割速度，单位为m m ：r n i n 。最高切割速度是指在不计切割 方向和表面粗糙度等条件下，所能达到的切割速度。通常高速走丝线切割速度 为4 0 8 0 m m ：m i n ，它与) r o t 电流大小有关，为比较不同输出电流脉冲电源的 切割效果，将每安培电流的切割速度称为切割效率，一般切割效率为 2 0 m m 2 ( m i n a ) 。 2 ) 表面粗糙度 和电火花加工表面粗糙度一样，我国和欧洲常用轮廓算术平均偏差r 。( 1 a m ) 来表示，而日本常用r m a x ( 岬) 来表示。高速走丝线切割一般的表面粗糙度为 r 。2 5 5 1 , t m ，最佳也只有r 。ll a m 左右。低速走丝线切割一般可达r a l 2 5 t , t m ， 最佳可达r a o 2 1 a m 。 3 ) 加工精度 加工精度是指所加工工件的尺寸精度、形状精度( 如直线度、平面度、圆 度等) 和位置精度( 如平行度、垂直度、倾斜度等) 的总称。高速走丝线切割的可 控加工精度在o 0 1 o 0 2m m 左右，低速走丝线切割可达o 0 0 2 - 0 0 0 5 m m 左 右。【2 】 2 3 2 基本工艺规律 西华大学硕七学位论文 1 ) 电参数对工艺指标的影响 脉冲宽度t 0 i i 通常t o n 加大时加工速度提高而表面粗糙度变差。一般t 0 i i = 2 6 0 峪，在分 组脉冲及光整加工时，t o f l 可小至0 5 p s 以下。 脉冲间隔t o f t o f r 减小时平均电流增大，切割速度加快，t o f r 不能过小，以免引起电弧和 断丝。一般取b n = ( 4 - - - 8 ) t o n 。在刚切人或大厚度加工时，应取较大的哳值。 开路电压u 叩 该值会引起放电峰值电流和电加工间隙的改变。u 提高，n - r 间隙增大， 排屑变易，提高了切割速度和加工稳定性，但易造成电极丝振动，通常u 的 提高还会使丝损加大。 放电峰值电流i m 这是决定单脉冲能量的主要因素之一。i m 增大时，切割速度提高，表面粗 糙度变差，电极丝损耗比加大甚至断丝。一般i m 4 0 a ，平均电流小于5 a 。 放电波形 在相同的工艺条件下，高频分组脉冲常常能获得较好的加工效果。电流波 形的前沿上升比较缓慢时，电极丝损耗较小。不过当脉宽很窄时，必须要有陡 的前沿才能进行有效的加工。【3 】 1 2 ) 非电参数对工艺指标的影响 电极丝及其移动速度对工艺指标的影响 对于高速走丝线切割，广泛采用0 0 0 6 - - 0 2 0i n l n 的钼丝，因它耐损耗、 抗拉强度高、丝质不易变脆且较少断丝。提高电极丝的张力可减轻丝振的影响， 从而提高精度和切割速度。丝张力的波动对加工稳定性影响很大，产生波动的 原因是：电极丝在卷丝筒上缠绕松紧不均：正反运动时张力不一样；工作一段 时间后电极丝伸长、张力下降。采用恒张力装置可以在一定程度上改善丝张力 的波动。电极丝的直径决定了切缝宽度和允许的峰值电流。最高切割速度一般 都是用较粗的丝实现的。在切割小模数齿轮等复杂零件时，采用细丝才能获得 精细的形状和很小的圆角半径。随着走丝速度的提高，在一定范围内，加工速 度也提高。提高走丝速度有利于电极丝把工作液带入较大厚度的工件放电间隙 9 西华大学硕+ 学位论文 中，有利于电蚀产物的排除和放电加工的稳定。但走丝速度过高，将加大机械 振动，降低精度和切割速度，表面粗糙度也将恶化，并易造成断丝，一般走丝 速度以小于l o m s 为宜。i l j 工件厚度及材料对工艺指标的影响 工件材料薄，工作液容易进入并充满放电间隙，对排屑和消电离有利，加 工稳定性好。但工件太薄，电极丝易产生抖动，对加工精度和表面粗糙度不利。 工件厚，工作液难于进入和充满放电间隙，加工稳定性差，但电极丝不易抖动， 因此精度较高，表面粗糙度值较小。切割速度( 指单位时问内切割的面积，单 位为i l l m 2 m i n ) 起先随厚度的增加而增加，达到某一最大值( 一般为2 0 - - l o o m m ) 后开始下降，这是因为厚度过大时，排屑条件变差。 工件材料不同，其熔点、汽化点、热导率等都不一样，因而加工效果也不 同。例如采用乳化液加工时： i 加工铜、铝、淬火钢时，加工过程稳定，切割速度高； i i 加工不锈钢、磁钢、未淬火高碳钢时，稳定性较差，切割速度较低，表 面质量不太好；。 i 加工硬质合金时，切割速度较低，表面粗糙度值小。 预置进给速度对工艺指标的影响 预置进给速度( 指进给速度的调节) 对切割速度、加工精度和表面质量的影 响很大。因此应调节预置进给速度紧密跟踪工件蚀除速度，保持加工间隙恒定 在最佳值上。这样可使有效放电状态的比例大，而开路和短路的比例少，使切 割速度达到给定加工条件下的最大值，相应的加工精度和表面质量也好。如果 预置进给速度调得太快，超过工件可能的蚀除速度，会出现频繁的短路现象， 切割速度反而低( 欲速则不达) ，表面粗糙度也差，上下端面切缝呈焦黄色，甚 至可能断丝；反之，进给速度调得太慢，大大落后于工件的蚀除速度，极间将 偏于开路，有时会时而开路时而短路，上下端面切缝发焦黄色。这两种情况都 大大影响工艺指标。因此，应按电压表、电流表调节进给旋钮，使表针稳定不 动，此时进给速度均匀、平稳，这是线切割加工速度和表面粗糙度均比较好的 最佳状态。 此外，机械部分精度( 如导轨、轴承、导轮磨损、传动误差) 和工作液( 种类、 1 0 西华大学硕七学位论文 浓度及其脏污程度) 都会对加工效果产生相当的影响。当导轮、轴承偏摆，工 作液上下冲水不均匀时，使加工表面产生凹凸相间的条纹，恶化工艺指标。【2 】 2 4 国内外对电火花线切割工艺建模方法的研究现状 2 4 1 传统工艺建模方法 传统加工参数建模主要分为基于物理模型的数学建模和基于试验结果的 传统回归分析方法建模。由于电加工本身过程的短暂性和复杂性，涉及到电动 力、电磁力、热动力以及流体力学等综合学科。直接通过试验观察和理论研究 提出w e d m 加工过程的物理模型是非常困难的，虽然有的学者也从各自的角 度提出了不同的模型，但是大多与实际相去甚远，只能起到一个定性的作用。 从国际上来看，目前这方面的研究己经处于停滞状态。基于试验结果的传统回 归建模国外根据文献已经提出了下述方法： 1 ) 在正交试验的基础上，采用多元线性方程建立工艺参数与工艺效果之 间的模型，例如美国n e b r a s c a l i n c o l n 大学的k pr a j u r k a r 教授等人在试验数 据的基础上，采用多元线性方程建立低速走丝线切割切割速度和表面粗糙度的 模型。 2 ) 在针对模型设计试验的基础上，采用多项式回归模型建立工艺参数与， 工艺效果之间的模型；例如新加坡的t a s p e d d i n g 等人尝试用多元二次方程建 立工艺模型，对低速走丝线切割切割速度和表面粗糙度及表面形貌都取得了较 满意的效果。【1 4 】 国内的工艺建模也正处于发展阶段。目前应用比较多的是多元回归分析。 例如北京的夏祥源在d k 7 7 3 2 高速走丝线切割机床上进行了2 3 全因素试验，并 在此基础上进行了多元线性回归建模；广西的邓详明在d k 7 7 2 0 a 机床上利用 改进的混合位级正交表进行试验，并应用逐步回归分析，得到了多元线性回归 的结果。 线切割的优化参数就是满足一定的表面粗糙度和加工精度时，获得最大切 割速度。因此线切割优化参数问题是一个多目标优化问题。根据每个目标的重 要程度，对其相应的模型函数分别赋予个加权系数，从而构成统一的目标函 数，这样线切割参数优化问题可以转化为一个单目标优化函数求解。目前常用 西华大学硕士学位论文 的算法有f r a n k w o l f 算法、快速下降法和模拟退火法等。 2 4 2 基于人工神经网络的工艺建模方法 人工神经网络在许多领域中获得的成功以及它在电火花! j n - r 中的应用都 表明它是一种有效的工具。例如台湾的y s t a m g 进行了线切害- i j ( w e d m ) 的仿 真研究，用来优化切割参数。建立了加工参数与工艺目标之间b p 模型，它的 结构是8 1 4 2 型，输入层为放电时间、脉冲间隔、峰值电流、空载电压、伺服 电压、电容设置、进给速度；输出层为加工速度和表面粗糙度；模型建立以后 采用全局优化的模拟退火算法选择优化参数。仿真计算并与试验数据比较，其 切割速度模型预测误差和粗糙度预测误差仅为1 2 和6 9 。浙江大学的周继 烈、倪益华等在研究相平面非线性规划的基础上，对电火花加工的控制过程进 行合理分解，提出用人机系统的观点，研究以人机智能结合的方式来实现电火 花加工过程模糊控制的优化设计方案。设计了二种预测神经网络和模糊神经网 络协调作用的电火花加工模糊神经网络新型控制器，研究了控制器的离线训练 数据和在线训练数据的获取方式、离线学习和在线学习算法。贵州的罗蓬在 d k 7 7 1 6 高速走丝线切割机床上进行试验并且建立了4 1 2 3 层的b p 工艺模型， 其输入层为脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、工件厚度，输出层为切割速度、 表面粗糙度。模型建立以后预测和试验数据比较，其切割速度和表面粗糙度的 预测误差分别为8 6 和1 2 5 。叫 1 2 西华大学硕士学位论文 3 神经网络技术及遗传优化算法 3 1 人工神经网络模型概述 3 1 1 生物神经元 神经元模型是基于生物神经元的特点提出的。人脑由大量的生物神经元组 成，数量级为1 0 1 2 ，神经元之间互相有连接，从而构成一个庞大而复杂的神经 元网络。神经元是大脑处理信息的基本单元，结构如图3 1 所示。神经元主要 由三部分组成：细胞体、树突和突触。【6 】 f i 9 3 1b i o l o g i c a ln e u r o n s 图3 1 生物神经元 细胞核、细胞质和细胞膜组成细胞体。细胞体的作用是接收和处理信息。 树突是细胞体向外延伸的纤维体，它是神经元接收其他神经元信息的通道。神 经元的信息输出通道是轴突，轴突末端也有许多向外延伸的树枝状纤维体，称 为神经末梢，它是神经元信息的输出端，用于输出神经元的动作脉冲。突触是 轴突的末端，是生物神经元之间的连接接口，一个生物神经元通过其轴突的神 经末梢，经突触与另一个生物神经元的树突连接，以实现信息的传递。 3 1 2 人工神经元模型 神经网络的基本单元称为神经元，它是对生物神经元的简化与 模拟。神经元的特性在某种程度上决定了神经网络的总体特性。大量简单神经 元的相互连结即构成了神经网络。如图3 2 所示一个典型的人工神经元模型主 西华大学硕士学位论文 要由五部分组成：【4 】 输 入 信 号 连接权 f i 9 3 2a r t i f i c i a ln e u r o nm o d e l 图3 2 人工神经元模型 输出_ 1 ) 输入 x 1 ，x 2 ，工。代表神经元的p 个输入信号。相当于生物神经元的树突， 为人工神经元的输入信息。 2 ) 连接权 连接权对应与生物神经元的突触，各个人工神经元的连接强度由连接权的 权值表示，权值为正表示激活，为负表示抑制。网络权值是可调的，正是基于 神经网络权值的动态调节，神经元乃至神经网络才得以表现出某种行为特性。 3 ) 求和单元 求和单元用于求取各输入信号的加权和，这是神经元对输入信号处理的第 一个过程。 4 ) 激活函数 在图3 2 中，烈) 表示神经元的激活函数，起非线性映射作用，并将人工 神经元输出幅度限制在一定范围内，一般限制在( o ，1 ) 或( - 1 ，1 ) 之间。激活 函数也称传递函数。表3 1 给出了几种典型的神经元传递函数形式及描述。 5 ) 输出 输入信号经神经元加权求和及激活函数的作用后，便得到输出信号儿。 1 4 两华大学硕十学位论文 以上作用可分别用数学式表达出来，即 5 】 = _ ， = 1 v k2n e t k2 一最， 儿= 烈u ) 表3 1 几种典型的神经元传递函数形式 t a b 3 1t y p i c a lt r a n s f e rf u n c t i o no f n e u r o n s 传递函致名称 函数表达式函数曲线m a l l a b 函数 i ! 阈值函数 ，= ：喜： 一一广n o 一“u h a r d l i m l 4 。h ar d l i r a ( a ) 线性函致 ( = ) - - - - = 芝io 日 曲 广1 j 一= 。四 + l ：。 对数s i g n x ，i d 函数 ，= l ( 】+ c 1 一一用 0 一”u i o g s i g j 口2 -, g s i g n ) q - i 正切s i g n m i d 函数 7 一团 ( x ) = m t g x ) 。 o 一- i t a m i g l 4 2 t r a i s i n ) 3 1 3 神经网络的结构与分类 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 是由大量人工神经元经广 泛互连而组成的，它可用来模拟脑神经系统的结构和功能。人工神经网络可以 看成是以人工神经元为节点，用有向加权弧连接起来的有向图。在此有向图中， 人工神经元就是对生物神经元的模拟，而有向加权弧则是轴突一突触一树突对 的模拟。有向弧的权值表示相互连接的两个人工神经元间相互作用的强弱。人 西华大学硕十学位论文 工神经网络根据连接方式主要分为两类。 1 ) 前馈型网络 前馈神经网络是整个神经网络体系中最常见的一种网络，其网络中各个神 经元接收前一级的输入，并输出到下 一级，网络中没有反馈，如图3 3 所 示。节点分为两类，即输入单元和计 算单元，每一计算单元可有任意个输 入，但只有一个输出。通常前馈网络 可分为不同的层第f 层的输入只与第 f 一1 层输出相连，输入和输出节点与 外界相连，而其他中间层称为隐含 层，它们是一种强有力的学习系统， 其结构简单而易于编程。 2 ) 反馈型网络( f e e d b a c kn n s ) 输 入 节 点 隐舍层 计算单元 f i 9 3 3f e e d f o r w a r dn e t w o r k 图3 3 前馈网络 输 出 节 点 反馈神经网络又称递归网络或回归网络。在反馈网络中，输入信号决定反 馈系统的初始状态，然后系统经过一系列状态转移后，逐渐收敛于平衡状态。 这样的平衡状态就是反馈网络经计算后输出的结果，由此可见，稳定性是反馈 网络中最重要的问题之一。反馈神经网络中所有节点都是计算单元，同时也可 接收输入，并向外界输出，可画成一个无向图，如图3 4 ( a ) 所示，其中每个连 接弧都是双向的，也可画成如图3 4 m ) 所示的形式。h 输出 ( a ) ( b ) f i 9 3 4s i n g l e l a y e rf u l l yc o n n e c t e df e e d b a c kn e t w o r k 图3 4 单层全连接反馈网络 1 6 西华大学硕士学位论文 3 1 4 神经网络的工作过程及学习方式 神经网络的工作过程主要分为两个阶段：第一阶段是学习期，此时各计算 单元状态不变，各连接权上的权值可通过学习来修改；第二阶段是工作期，此 时各连接权固定，计算单元变化，以达到某种稳定状态。 神经网络的学习也称为训练，是指通过神经网络所在环境的刺激作用调整 神经网络的参数( 权值和阈值) ，使神经网络以一种新的方式对外部环境做出反 应的一个过程。能够从环境中学习和在学习中提高自身性能是神经网络的最有 意义的性质。根据学习过程的组织方式不同，学习方式分两类：有监督学习和 无监督学习。 描述环埯 f i 9 3 5s u p e r v i s e dl e a r n i n g 图3 5 有监督学习框图 有 应 f i 9 3 6u n s u p e r v i s e dl e a r n i n g 图3 6 无监督学习框图 1 ) 有监督学习( 有教师学习) 对于有监督学习，如图3 5 所示，网络训练往往要基于一定数量的训练样 本。训练样本通常由输入矢量和目标矢量组成。在学习和训练过程中，网络根 据实际输出与期望输出的比较，进行连接权值和阈值的调节。通常将期望输出 称为教师信号，它是评价学习的标准。最典型的有监督学习算法是b p 算法。 2 ) 无监督学习( 无教师学习) 无监督学习时不存在外部教师，学习系统完全按照环境所提供数据的某些 统计规律来调节自身参数或结构( 这是一种自组织过程) ，以表示外部输入的某 种固有特性( 如聚类，或某种统计上的分布特征) ，如图3 6 所示。在无监督学 习当中，仅仅根据网络的输入调整网络的权值和阈值，它没有目标输出。此时， 网络的学习评价标准隐含于其内部。【4 】 西华大学硕十学位论文 3 1 5 神经网络的学习规则 对应于不同的神经网络结构和模型，在网络学习过程中，有不同的学习规 则，通些学习规则来调整神经元之间的连接权值，实现神经网络的学习。 1 ) h e b b 规则 它是d o n a l lh e b b 根据生理学中的条件反射机理，于1 9 4 9 年提出的神经元 连接强度变化的规则。其内容为：如果两个神经元同时兴奋( 即同时被激活) ， 则它们之间的突触连接加强，否则被减弱。常用于自联想网络，如h o p f i e l d 网 络。 2 ) d e l t a 规则 该规则根据输出节点的外部反馈来改变权系数。方法上它和梯度下降法等 效，按局部改善最大的方向一步步进行优化，从而最终找到全局优化值。感知 器学习就采用这种纠错学习规则，例如b p 算法。用于统计性算法的模拟退火 算法也属于该学习规则。 3 ) 相近学习规则 这个规则根据神经元之间的输出决定权值的调整，如果两个神经元的输出 比较相似，则连接它们的权值调整大，反之调整小。这种规则多用于竞争型神 经网络的学习中。在a r t 和s o f m 等组织竞争型网络中就采用了这种学习规 则。【6 】 3 2 径向基神经网络 1 9 8 5 年，p o w e l l 提出了多变量插值的径向基函数( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ， r b f ) 方法。1 9 8 8 年，b r o o m h e a d 和l o w e 首先将r b f 应用于神经网络设计， 从而构成了r b f 神经网络。这类网络的学习等价于在多维空间中寻找训练数 据的最佳拟合平面，径向基函数网络的每个隐层神经元传递函数都构成了拟合 平面的一个基函数，网络也由此而得名。径向基函数网络是一种局部逼近的神 经网络，即对于输入空间的某一个局部区域只存在少数的神经元用于决定网络 的输出，已证明它能以任意精度逼近任一连续函数。当有很多的训练向量时， 这种网络很有效果。1 4 3 2 1 径向基函数网络的结构 西华大学硕十学位论文 r b f 网络由两层组成，其结构如图3 7 所示。输入层节点只是传递输入信 号到隐含层，隐含层节点( 也称r b f 节点) 由像高斯核函数那样的辐射状作 用函数构成，