基于極限學(xué)習機的工件厚度辨識研究

黃廣煒，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

基于極限學(xué)習機的工件厚度辨識研究

黃廣煒，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

電火花線切割加工變厚度工件時，會出現(xiàn)加工效率低和易斷絲的現(xiàn)象。為了降低厚度變化對加工產(chǎn)生的影響，提出了基于極限學(xué)習機的工件厚度辨識方法。該方法利用加工階梯狀工件過程中采集的數(shù)據(jù)，建立了基于極限學(xué)習機的厚度辨識模型。數(shù)據(jù)驗證結(jié)果表明：該模型的辨識誤差小于2 mm。

電火花線切割加工；極限學(xué)習機；工件厚度辨識

電火花線切割加工技術(shù)以其精度高、速度快和可加工復(fù)雜零件等特點，被廣泛應(yīng)用于模具、航空航天及醫(yī)療器械領(lǐng)域[1]。電火花線切割加工過程中，路徑上的工件厚度往往會發(fā)生變化，而大部分情況下線切割加工都是選擇固定的加工參數(shù)進行加工，當工件厚度發(fā)生變化時，若加工參數(shù)不隨之調(diào)整，便會帶來一系列問題。例如：當加工路徑上的工件厚度由高變低時，加工速度增加，但電極絲的熱密度也會增加，易出現(xiàn)放電集中現(xiàn)象而產(chǎn)生斷絲；當工件厚度由低變高時，會導(dǎo)致加工速度變慢，使生產(chǎn)效率降低。因此，對于變厚度工件的線切割加工過程，及時地根據(jù)厚度變化選擇合適的加工參數(shù)，對提高加工穩(wěn)定性具有重要的作用。

針對電火花線切割加工變厚度工件的問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。Portillo等[2]用回饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控電火花線切割加工變厚度工件情況下的退化行為，將一個放電脈沖的峰值電流、點火延時時間及放電能量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入變量，建立模型，并最終達到降低斷絲率、提高加工效率的目的。廖運炫等[3]提出了使用灰色預(yù)測策略增益自調(diào)整模糊控制算法，將一個采樣周期中的非正常放電比例作為控制變量，可降低加工中工件厚度突然變化時的非正常放電比例，從而實現(xiàn)加工的穩(wěn)定。宗福來[4]在線切割伺服進給控制系統(tǒng)中引入了自校正控制理論，將加工過程中采集的電火花放電狀態(tài)的空載率和短路率作為輸入信息，實施對伺服進給的自校正控制，實現(xiàn)了對伺服進給的寬范圍快速調(diào)節(jié)，在變厚度工件加工中取得了穩(wěn)定、高效的加工效果。豆尚成[5]提出了利用支持向量機建立工件厚度辨識模型，其預(yù)測誤差在2 mm以內(nèi)，隨后又基于最小二乘支持向量機提出了在線修正的工件厚度辨識模型，擴大了系統(tǒng)適用范圍，同時提高了預(yù)測精度，使厚度識別誤差保持在1.5 mm以內(nèi)。在工業(yè)界，線切割機床制造廠商也在不斷研發(fā)變厚度線切割技術(shù)，如阿奇夏米爾研制的電火花線切割機床，可針對工件形狀特征優(yōu)化脈沖電源放電能量，使工件各加工部分的能量釋放接近一致，避免了放電能量過于集中而導(dǎo)致的斷絲，同時保持了較高的切割速度和精度。

1 極限學(xué)習機

極限學(xué)習機（extreme learning machine，ELM）是一種求解單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[6]。相比于其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其是單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SLFN），ELM在保證學(xué)習精度的前提下，比傳統(tǒng)的學(xué)習算法速度更快。

一個典型的單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)見圖1，由輸入層、隱含層和輸出層組成。其中，輸入層與隱含層、隱含層與輸出層神經(jīng)元之間全連接。

圖1 單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

設(shè)具有N個樣本的訓(xùn)練集（xi，yi），其中輸入節(jié)點， 真 實 值yi＝。隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)為g（x），對于一個具有L個隱含層神經(jīng)元的單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)的輸出為：

式中：H為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層輸出矩陣，具體表達式為：

當訓(xùn)練樣本個數(shù)較大時，采用小于樣本數(shù)的隱含層神經(jīng)元個數(shù)，以降低運算量，減少訓(xùn)練時間。SLFN的訓(xùn)練誤差逼近一個任意的ε＞0，即：

在激活函數(shù)無限可微的條件下，ELM算法中SLFN可隨機地確定輸入權(quán)重w和隱層節(jié)點閾值b，且在訓(xùn)練過程中保持不變，不需進行調(diào)整。而隱含層和輸出層之間的輸出權(quán)重可通過求解方程組的最小二乘解獲得：

2 實驗設(shè)計

實驗在BM400C-C精密型“中走絲”電火花線切割機床上進行。開發(fā)了基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)，以替代原智能型BMXP編控系統(tǒng)；保留了機床原有的脈沖電源、沖液系統(tǒng)、運絲系統(tǒng)等；設(shè)計了放電檢測電路，用于區(qū)分加工過程中的正?；鸹ǚ烹?、開路和短路三種狀態(tài)。機床可調(diào)節(jié)的加工參數(shù)包括脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、進給速度、沖液壓力及運絲速度，調(diào)節(jié)范圍見表1。

表1 機床加工參數(shù)調(diào)節(jié)范圍

建立一個厚度預(yù)測模型，很重要的一點就是確定模型的輸入變量，在本實驗中即為那些對加工過程的有效放電頻率、加工速度有明顯影響的參數(shù)。為了保證工件在加工后的表面質(zhì)量一致性，需保持單個脈沖放電能量恒定。在此條件下，實驗參數(shù)中的脈沖寬度和峰值電流要保持相同，不能在線調(diào)節(jié)，不能作為模型的輸入。本文通過如下實驗確定了對有效放電頻率和加工速度有顯著影響的參數(shù)：加工固定厚度為20 mm的工件，只調(diào)節(jié)除峰值電流、脈沖寬度之外的某一項參數(shù)，并保持其他參數(shù)不變，得到的實驗結(jié)果見圖2～圖5。

圖2 脈沖間隔對放電頻率和加工速度的影響

圖3 進給速度對放電頻率和加工速度的影響

從上述實驗可看出，對加工過程有明顯影響的參數(shù)還有脈沖間隔和進給速度。在加工過程中，利用放電檢測電路采集單位時間△t內(nèi)的有效放電次數(shù)△Ν，同時通過坐標值計算單位時間內(nèi)的位移，進而得到加工速度。因此，選擇脈沖間隔和進給速度作為實驗的可調(diào)參數(shù)變量，從而可把放電頻率、加工速度、進給速度及脈沖間隔這四個特征量作為模型的輸入，建立基于極限學(xué)習機的厚度預(yù)測模型。

圖4 運絲速度對放電頻率和加工速度的影響

3 加工實驗

用電火花線切割機床加工一個階梯狀工件（圖6），電極絲為直徑0.2 mm的鉬絲，工件材料為模具鋼，階梯高度分別為10、20、30 mm。加工過程中，按圖7所示調(diào)節(jié)不同的參數(shù)組合。對有效放電頻率和加工速度進行采集，采集數(shù)據(jù)的時間周期為100 ms。如圖8所示，去除數(shù)據(jù)中的不穩(wěn)定加工部分，有效放電頻率和加工速度隨著加工參數(shù)而變化；且可看出，原始數(shù)據(jù)中包含了很多高頻成分，可通過設(shè)計低通濾波器對原始波形進行濾波處理。

圖6 階梯形工件

圖7 參數(shù)調(diào)節(jié)

圖8 階梯工件加工過程中的數(shù)據(jù)采集

在用極限學(xué)習機訓(xùn)練數(shù)據(jù)前，需對其做歸一化處理，以防止較大項數(shù)據(jù)變化掩蓋較小項數(shù)據(jù)變化，歸一化范圍取[0，1]之間。將數(shù)據(jù)歸一化處理后，送入極限學(xué)習機訓(xùn)練，同時將訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為模型測試集。由于極限學(xué)習機中隱層神經(jīng)元的數(shù)量對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合精度有較大影響，因此通過調(diào)節(jié)不同的隱層神經(jīng)元個數(shù)訓(xùn)練厚度辨識模型，以神經(jīng)元個數(shù)為100和400舉例說明，所得結(jié)果見圖9、圖10?？煽闯?，當神經(jīng)元個數(shù)為100時，厚度辨識模型的預(yù)測誤差在3 mm以內(nèi)；當神經(jīng)元個數(shù)為400時，厚度辨識模型的預(yù)測誤差減小到2 mm以內(nèi)。

圖9 神經(jīng)元個數(shù)為100時的厚度辨識模型訓(xùn)練結(jié)果

圖10 神經(jīng)元個數(shù)為400時的厚度辨識模型訓(xùn)練結(jié)果

為了檢驗?zāi)Ｐ偷姆夯裕紫仍O(shè)計了如下實驗：以不同的參數(shù)組合加工厚度為15 mm的工件，采集加工中的數(shù)據(jù)，去掉其中不穩(wěn)定加工部分的數(shù)據(jù)，將其加入訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)樣本集合之中，設(shè)置神經(jīng)元個數(shù)為400，重新訓(xùn)練得到新的高度的厚度辨識模型。然后，用固定參數(shù)切割一個梯形工件，該工件的上底為10 mm，下底為20 mm，高為30 mm，切割方式見圖11。

圖11 梯形工件

加工參數(shù)保持在脈間第四檔、進給速度第二檔。采集加工時的有效放電頻率和加工速度，以新的工件厚度辨識模型測試加工梯形工件時采集的數(shù)據(jù)，得到的辨識厚度輸出及誤差見圖12?？煽闯?，利用訓(xùn)練好的極限學(xué)習機的工件厚度辨識模型在測試梯形工件時的辨識誤差也在2 mm以內(nèi)，說明基于極限學(xué)習機的工件厚度辨識模型具有良好的泛化性。

圖12 梯形工件辨識

4 結(jié)束語

本文通過加工階梯狀的工件，利用加工時采集到的信息建立了基于極限學(xué)習機的厚度辨識模型，并最終得到工件厚度辨識誤差在2 mm以內(nèi)的結(jié)果，還通過使用加工梯形狀工件采集的數(shù)據(jù)測試得到模型的辨識誤差也在2 mm以內(nèi)。測試結(jié)果表明，極限學(xué)習機厚度辨識模型具有訓(xùn)練速度快、預(yù)測精度高、泛化性能強的特點，可用于實際加工中在線辨識工件厚度、指導(dǎo)加工參數(shù)的選取等方面。

[1] 趙萬生.特種加工技術(shù) [M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] PORTILLO E，MARCOS M，CABANES I，et al.Recurrent ANN for monitoring degraded behaviours in a range of workpiece thicknesses[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence，2009，22（8）：1270-1283.

[3] LEE W M，LIAO Y S.Adaptive control of the WEDM process using a self-tuning fuzzy logic algorithm with grey prediction [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，34（5-6）：527-537.

[4] 宗福來.電火花線切割變厚度加工自適應(yīng)控制技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] 豆尚成.變厚度電火花線切割加工過程控制系統(tǒng)[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[6] HUANG Guangbin，ZHU Qinyu，SIEW C K.Extreme learning machine: theory and applications [J].Neurocomputing，2006，70（1-3）：489-501.

信息·動態(tài)

中國機床工具工業(yè)協(xié)會特種加工機床分會召開2017年常務(wù)理事會會議

2017年6月10日，中國機床工具工業(yè)協(xié)會特種加工機床分會在蘇州召開了2017年常務(wù)理事會會議。特種加工機床分會常務(wù)理事單位負責人和秘書處工作人員參加會議，吳國興理事長主持會議。

會議討論并研究了以下事項，并達成了共識：①根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會的安排，分會承擔了《中國機床工具工業(yè)發(fā)展史》（特種加工機床部分）的編寫工作。會議討論并確定了特種加工機床發(fā)展史的總體編寫方案及時間進度安排。②討論了9家申請入會單位提交的材料，決定吸收蘇州亞馬森機床有限公司、佛山市宏石激光技術(shù)有限公司等6家單位入會。③今年繼續(xù)在行業(yè)內(nèi)開展電加工機床“達標認定”活動。④討論并研究了秘書處提出的理事會換屆初步方案，并擬于今年11月下旬召開換屆大會。⑤各單位負責人交流了今年上半年生產(chǎn)經(jīng)營情況，總體市場形勢較去年同期有所好轉(zhuǎn)。建議協(xié)會組織業(yè)內(nèi)企業(yè)，對附配件形成集中統(tǒng)一采購，以降低成本、提高話語權(quán)。

（特種加工機床分會秘書處）

Study on Online Estimation of Workpiece Height Based on Extreme Learning Machine

HUANG Guangwei，ZHAO Wansheng
（ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai 200240，China ）

Wire breakage and low machining efficiency are the two major issues when machining workpiece with a variable height.In order to reduce the influence of thickness change on the machining process，an approach to estimate workpiece height based on extreme learning machine is raised.Workpiece height estimation model is built by using the data collected from the machining process.The value of estimation errors at most parts of the workpiece is less than 2 mm.

WEDM；extreme learning machine；workpiece height estimation

TG661

A

1009－279X（2017）04－0005-05

2017-03-29

黃廣煒，男，1991年生，碩士研究生。