基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械局部修復(fù)用激光熔覆工藝的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于加工參 數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電站、化工等行業(yè)，離心式壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)的局部表面修復(fù)可以選擇的 再制造方法之一是激光熔覆。激光熔覆過程中，激光功率、掃描速度、送粉氣壓、送粉速度、 送粉電壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)，與最終得到的描述熔覆層形貌的熔覆高度、熔覆寬度、基 體熔深等定量特征有關(guān)。在修復(fù)高附加值部件時(shí)，為了確定相適宜的激光功率、掃描速度、 送粉氣壓、送粉速度、送粉電壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以獲得理想的熔覆高度、熔覆寬度、基體熔深等， 真實(shí)實(shí)驗(yàn)的方法，成本較高、工作量更大。為了解決加工參數(shù)和熔覆層表面尺寸的預(yù)測(cè)模型 建模問題，兩種方法為代表：得到顯式數(shù)學(xué)模型的回歸方法；得到隱式數(shù)學(xué)模型的神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)方法。顯式數(shù)學(xué)模型更直觀。
[0003] 在文獻(xiàn)1(《中國(guó)重型裝備》2012年第1期第39~40頁(yè)，下稱文獻(xiàn)1)中由張炳 發(fā)、洪蕾提出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于回歸方法的顯式數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合 時(shí)的最大相對(duì)誤差為11. 94%。在該雜志同期的第35~38頁(yè)（下稱文獻(xiàn)2)中由徐艷龍、 洪蕾提出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于回歸方法的顯式數(shù)學(xué)模型1、顯式數(shù)學(xué)模型2。數(shù)學(xué)模型1對(duì) 45鋼激光熔覆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合時(shí)的最大相對(duì)誤差為7%。數(shù)學(xué)模型2對(duì)鑄鐵激光熔覆的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合時(shí)的最大相對(duì)誤差為9.4%。
[0004] 顯然，進(jìn)一步提高熔覆后工件表面形貌尺寸與加工參數(shù)關(guān)系間關(guān)聯(lián)的顯式數(shù)學(xué)模 型的擬合精度很有必要。如果能發(fā)現(xiàn)對(duì)參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度更高、還具有推廣 意義的顯式數(shù)學(xué)模型，則其意義更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的是現(xiàn)有熔覆后工件表面形貌尺寸與加工參數(shù)關(guān)系間關(guān)聯(lián)的顯式 數(shù)學(xué)模型的擬合精度不高的技術(shù)問題。從而提供一種可以方便地、精確地找到激光熔覆層 表面尺寸與加工工藝參量的較高精度的關(guān)系式實(shí)現(xiàn)基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺 寸的方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，步驟如下：
[0008] (1)確定與激光熔覆層表面尺寸相關(guān)的加工工藝參量，實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析各參量的數(shù) 值，并確定各參量的范圍，至少有8個(gè)樣本；
[0009] (2)將各參量?jī)蓛山Y(jié)合分別消除質(zhì)量量綱、時(shí)間量綱和長(zhǎng)度量綱以得到至少10個(gè) 構(gòu)造參量,構(gòu)造參量加上原有的至少3個(gè)參量構(gòu)成至少13個(gè)解釋參量；
[0010] (3)選擇1至4個(gè)解釋參量相結(jié)合設(shè)計(jì)至少42種不同的方案；
[0011] (4)將各方案分別對(duì)所有樣本進(jìn)行非線性回歸，得到各方案的判定系數(shù)和最大相 對(duì)誤差；
[0012] (5)選擇判定系數(shù)最大且最大相對(duì)誤差最小對(duì)應(yīng)的方案為最佳方案；
[0013] (6)利用步驟（5)選擇的最佳方案中的解釋變量，對(duì)所有樣本采用交叉檢驗(yàn)的方 法建立回歸關(guān)聯(lián)式；
[0014] (7)將與回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的所有樣本回代至該回歸關(guān)聯(lián)式，得到各樣本的預(yù)計(jì)值， 進(jìn)而得到各樣本的相對(duì)誤差，選擇相對(duì)誤差中的最大值作為該回歸關(guān)聯(lián)式的最大相對(duì)誤 差；
[0015] (8)選擇步驟（7)得到的最大相對(duì)誤差中的最小值對(duì)應(yīng)的回歸關(guān)聯(lián)式作為最優(yōu)回 歸關(guān)聯(lián)式。
[0016] 所述與激光熔覆層表面尺寸相關(guān)的加工工藝參量包括激光功率、掃描速度、送粉 氣壓、送粉速度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速中的一種或幾種。
[0017] 所述激光熔覆層表面尺寸包括熔覆高度、熔覆寬度和基體熔深中的一種或幾種。
[0018] 所述非線性回歸基于最小二乘法。
[0019] 相對(duì)誤差為（預(yù)計(jì)值-實(shí)際值）/實(shí)際值的絕對(duì)值*100%。
[0020] 所述交叉檢驗(yàn)的方法為：從樣本中選擇一個(gè)樣本作為檢驗(yàn)樣本，其余樣本均為建 模樣本；建模樣本利用最小二乘法進(jìn)行非線性回歸得到回歸關(guān)聯(lián)式；將該檢驗(yàn)樣本放回， 選擇另一個(gè)樣本作為檢驗(yàn)樣本；循環(huán)上述過程。
[0021] 本發(fā)明克服了激光熔覆層表面尺寸與加工參數(shù)關(guān)系間關(guān)聯(lián)式的確定中現(xiàn)有方 法的局限性。采用本發(fā)明所得到的顯式數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的最大相對(duì)誤差為 4. 3922%，對(duì)沒有參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)最大相對(duì)誤差為2. 6275%。本發(fā)明設(shè)計(jì)了至 少13個(gè)解釋變量，1至4個(gè)解釋變量相互結(jié)合構(gòu)造了至少42種方案，每種方案進(jìn)行了至 少8個(gè)不同的檢驗(yàn)。擬合熔覆高度、熔覆寬度、熔覆深度時(shí)，分別進(jìn)行不同方案下對(duì)應(yīng)的回 歸關(guān)聯(lián)，選擇出各自的最佳方案。根據(jù)本發(fā)明最佳方案所得到的數(shù)學(xué)模型不僅對(duì)參與建模 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度更高，還對(duì)沒有參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高精度預(yù)測(cè)，從而得到的預(yù)測(cè) 模型更具有推廣意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1為實(shí)施例1的熔覆高度的回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的圖形。
[0023] 圖2為實(shí)施例1的熔覆寬度的回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的圖形。
[0024] 圖3為實(shí)施例2的45鋼的熔覆高度的回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的圖形。
[0025] 圖4為實(shí)施例2的鑄鐵的熔覆高度的回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 實(shí)施例1 : 一種基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，激光熔覆過程中， 與激光熔覆層表面尺寸熔覆高度H、熔覆寬度W相關(guān)的加工工藝參量為激光功率P、掃描速 度V s和送粉速度V p熔覆高度H、熔覆寬度W、激光功率P、掃描速度Vs和送粉速度^的數(shù) 據(jù),如表1所示，18組數(shù)據(jù)構(gòu)成18個(gè)樣本。
[0027] 表 1
[0028]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在于步驟如下： (1) 確定與激光熔覆層表面尺寸相關(guān)的加工工藝參量，實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析各參量的數(shù)值，并 確定各參量的范圍，至少有8個(gè)樣本； (2) 將各參量?jī)蓛山Y(jié)合分別消除質(zhì)量量綱、時(shí)間量綱和長(zhǎng)度量綱以得到至少10個(gè)構(gòu)造 參量；構(gòu)造參量加上原有的至少3個(gè)參量構(gòu)成至少13個(gè)解釋參量； (3) 選擇1至4個(gè)解釋參量相結(jié)合設(shè)計(jì)至少42種不同的方案； (4) 將各方案分別對(duì)所有樣本進(jìn)行非線性回歸，得到各方案的判定系數(shù)和最大相對(duì)誤 差； (5) 選擇判定系數(shù)最大且最大相對(duì)誤差最小對(duì)應(yīng)的方案為最佳方案； (6) 利用步驟（5)選擇的最佳方案中的解釋變量，對(duì)所有樣本采用交叉檢驗(yàn)的方法建 立回歸關(guān)聯(lián)式； (7) 將與回歸關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的所有樣本回代至該回歸關(guān)聯(lián)式，得到各樣本的預(yù)計(jì)值，進(jìn)而 得到各樣本的相對(duì)誤差，選擇相對(duì)誤差中的最大值作為該回歸關(guān)聯(lián)式的最大相對(duì)誤差； (8) 選擇步驟（7)得到的最大相對(duì)誤差中的最小值對(duì)應(yīng)的回歸關(guān)聯(lián)式作為最優(yōu)回歸關(guān) 聯(lián)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在 于：所述與激光熔覆層表面尺寸相關(guān)的加工工藝參量包括激光功率、掃描速度、送粉氣壓、 送粉速度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速中的一種或幾種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在 于：所述激光熔覆層表面尺寸包括熔覆高度、熔覆寬度和基體熔深中的一種或幾種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在 于：所述非線性回歸基于最小二乘法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在 于：相對(duì)誤差為（預(yù)計(jì)值-實(shí)際值）/實(shí)際值的絕對(duì)值*100%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，其特征在 于：所述交叉檢驗(yàn)的方法為：從樣本中選擇一個(gè)樣本作為檢驗(yàn)樣本，其余樣本均為建模樣 本；對(duì)建模樣本利用最小二乘法進(jìn)行非線性回歸得到回歸關(guān)聯(lián)式；將該檢驗(yàn)樣本放回，選 擇另一個(gè)樣本作為檢驗(yàn)樣本；循環(huán)上述過程。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于加工參數(shù)預(yù)測(cè)激光熔覆層表面尺寸的方法，步驟如下：（1）確定參量；（2）構(gòu)成至少13個(gè)解釋參量；（3）設(shè)計(jì)至少42種不同的方案；（4）將各方案分別對(duì)所有樣本進(jìn)行非線性回歸；（5）選擇最佳方案；（6）建立回歸關(guān)聯(lián)式；（7）得到回歸關(guān)聯(lián)式的最大相對(duì)誤差；（8）選擇最優(yōu)回歸關(guān)聯(lián)式。本發(fā)明克服了激光熔覆層表面尺寸與加工參數(shù)關(guān)系間關(guān)聯(lián)式的確定中現(xiàn)有方法的局限性。采用本發(fā)明所得到的顯式數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的最大相對(duì)誤差為4.3922%，對(duì)沒有參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)最大相對(duì)誤差為2.6275%。本發(fā)明最佳方案所得到的數(shù)學(xué)模型不僅對(duì)參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合精度更高，還對(duì)沒有參與建模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高精度預(yù)測(cè)，從而得到的預(yù)測(cè)模型更具有推廣意義。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104656437
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410724617
【發(fā)明人】劉超鋒, 吳學(xué)紅, 陳宇慧, 董華東, 樊江磊, 劉亞莉, 龔毅
【申請(qǐng)人】鄭州輕工業(yè)學(xué)院
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2014年12月3日