機(jī)械器件激光微加工過程拋光參數(shù)優(yōu)化建模分析

王 霞

（鄭州西亞斯學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，新鄭 451150）

0 引言

隨著相關(guān)領(lǐng)域?qū)χ圃旒夹g(shù)要求的日益提升，機(jī)械零部件的質(zhì)量要求也逐漸向高精度和高品質(zhì)的方向發(fā)展[1]。在機(jī)械制造領(lǐng)域中，若零件成型后的表面粗糙度高或存在較多的凹凸，就難以滿足高使役性的要求[2]。因此，零件表面光滑處理成為高性能機(jī)械零件制造技術(shù)鏈中的重要環(huán)節(jié)之一。

文獻(xiàn)[3]中首先分析了機(jī)械零件加工過程中的固有階梯效應(yīng)、球化效應(yīng)及其成型后表面的高粗糙度特征，然后根據(jù)零件表面粗糙度、表層殘余應(yīng)力及其廓形精度等指標(biāo)，綜合電化學(xué)、激光處理和磨料流三種處理模式，完成對零件表面的光滑處理。文獻(xiàn)[4]中針對圓柱體小零件，設(shè)計(jì)了一種高效自動打磨拋光處理方法。其在實(shí)現(xiàn)對零件的徑向圓周加工后，在翻轉(zhuǎn)臺設(shè)備上完成對零件的軸向自動加工。在加工過程中，根據(jù)工藝需求設(shè)置多個處理工位，通過添加柔順可調(diào)節(jié)裝置來控制加工參數(shù)，以此來保障光滑處理效果。

然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用上述傳統(tǒng)方法后，零件表面存在凹凸不平的現(xiàn)象，且加工效率也有待提升。主要是因?yàn)樵诩庸ぶ?，缺少智能化程度高，?zhǔn)確性強(qiáng)的約束條件控制加工過程，人工痕跡明顯。為此，本文基于圖像處理中紋理特征挖掘結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)械零件微加工中表面光滑處理方法。

1 表面光滑處理方法設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械零件表面紋理特征挖掘

為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)械零件表面紋理特征的分析，并為后續(xù)的光滑處理提供特征依據(jù)，本研究在挖掘機(jī)械零件表面紋理特征的基礎(chǔ)上，對特征數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理。

圖像本身的質(zhì)量直接影響特征挖掘的效果，為提高圖像特征的真實(shí)性，通常使用圖像、合成等手段構(gòu)建360°三維立體場景。但是該方法由于處理步驟較為復(fù)雜，會消耗大量的時間。為此，本研究利用分形理論，通過鄰近搜索的方式提取機(jī)械零件表面圖像紋理特征邊緣信息，具體的提取步驟如下：

步驟一：根據(jù)相關(guān)性融合規(guī)則得到機(jī)械零件表面圖像紋理分量值如式(1)所示：

式(1)中，ti和tj分別表示機(jī)械零件表面圖像的聯(lián)合共享稀疏分配點(diǎn)(i，j)處的紋理分量，dis(ti，tj)表示兩個紋理特征標(biāo)記特征點(diǎn)之間的歐式距離，σ表示圖像的空間信息增加分量。

步驟二：將機(jī)械零件表面圖像劃分為多個子區(qū)域，其中，dmax和dmin分別表示圖像子塊區(qū)域中的最大邊長與最小邊長。以子區(qū)域?yàn)橹行模瑒澐粥徑阉鞣秶缡?2)所示：

式(2)中，n表示機(jī)械零件表面圖像子區(qū)域數(shù)量，(x，y)表示子區(qū)域的空間坐標(biāo)。

步驟三：任意選定一個子區(qū)域ak，搜索其最佳匹配父區(qū)域Ak，將搜索空間設(shè)定在2d×2d范圍內(nèi)。

步驟四：在鄰近搜索過程中，提取相鄰兩個子區(qū)域中相似的紋理輪廓點(diǎn)，并利用局部信息熵融合過程對得到的輪廓點(diǎn)實(shí)施融合處理，從而得到機(jī)械零件表面圖像紋理的活動輪廓，再結(jié)合式(1)中所得的紋理分量值，得到圖像的紋理特征量挖掘結(jié)果如式(3)所示：

1.2 優(yōu)化機(jī)械零件表面光滑處理參數(shù)

結(jié)合上述挖掘的機(jī)械零件表面紋理特征，將磨頭無斷續(xù)給進(jìn)速度、磨頭壓強(qiáng)、磨頭轉(zhuǎn)速以及打磨頻率作為光滑處理參數(shù)。

1）磨頭無斷續(xù)給進(jìn)速度。在傳動速度允許范圍內(nèi)設(shè)置進(jìn)給速度，將其控制在最大無斷續(xù)給進(jìn)速度vmax和最小無斷續(xù)給進(jìn)速度vmin之內(nèi)。

2）磨頭壓強(qiáng)。磨頭壓強(qiáng)在正常拋光過程中的調(diào)整通常具有靈活性和頻繁性[5]。光滑打磨壓強(qiáng)通常分為兩種，第一種為負(fù)壓，第二種為正壓，光滑打磨設(shè)備的工作壓強(qiáng)就是負(fù)壓和正壓的差值。

3）磨頭轉(zhuǎn)速。在最大角速度θmax和最小角速度θmin之內(nèi)設(shè)置磨頭角速度。轉(zhuǎn)速的計(jì)算過程如式(4)所示：

式(4)中，λ表示磨頭振幅，P表示打磨設(shè)備電機(jī)功率。

4）打磨頻率。打磨設(shè)備的擺動頻率也就是擺動次數(shù)的倒數(shù)，在拋光參數(shù)優(yōu)化過程中，將設(shè)備擺動頻率設(shè)置在0.2≤g≤0.2之間。

在優(yōu)化機(jī)械零件表面光滑處理參數(shù)時，需要符合機(jī)械零件的加工要求設(shè)置參數(shù)約束條件。為此，本研究利用主成分分析法分析不同參數(shù)對光滑處理效果的影響。在表面光滑處理過程中，紋理特征去除率越高，材料的粗糙度越低，即表面光滑處理效果越好。假設(shè)η表示主成分分析系數(shù)，其取值范圍為(0，1]，計(jì)算過程如式(5)所示：

式(5)中，Xk表示分辨系數(shù)，為第k個參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重，C0表示初始化的表面光滑處理參數(shù)參考序列，Ci表示比較序列。基于主成分分析過程，將磨頭無斷續(xù)給進(jìn)速度、磨頭壓強(qiáng)、磨頭轉(zhuǎn)速以及打磨頻率4項(xiàng)參數(shù)作為分析對象，分析不同參數(shù)對光滑處理效果的累計(jì)貢獻(xiàn)率，過程如式(6)所示：

式(6)中，μk表示不同參數(shù)對零件表面光滑程度影響的特征值，η表示光滑處理特征對應(yīng)的原始序列與其變化序列間的相關(guān)系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率計(jì)算不同光滑處理參數(shù)的主成分貢獻(xiàn)率，過程如式(7)所示：

主成分貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果即為不同光滑處理參數(shù)相對于紋理特征的約束條件。

在此基礎(chǔ)上，以不同光滑處理參數(shù)的主成分貢獻(xiàn)率為約束條件，將機(jī)械零件表面不規(guī)則凹凸的最小高度方差作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建如下參數(shù)優(yōu)化模型：

式(8)中，D(k)表示機(jī)械零件表面不規(guī)則凹凸的最小高度方差，zn表示參數(shù)k的下限約束，in表示參數(shù)k的上限約束。

1.3 機(jī)械零件表面光滑處理

結(jié)合上述機(jī)械零件表面光滑處理參數(shù)優(yōu)化過程，采用種群進(jìn)化方法對參數(shù)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

將不同光滑處理參數(shù)k視為空間中的種群，ki表示種群中存在的第i個個體。假設(shè)B(ki)表示第i個個體在尋優(yōu)過程中存在的數(shù)值最優(yōu)解，其形式如式(9)所示：

式(9)中，g(ki)表示第i個個體在尋優(yōu)過程中的適應(yīng)值，t表示迭代次數(shù)。

在最優(yōu)解處，以機(jī)械零件縱截面分布均勻性和橫截面分布均勻性為目標(biāo)，通過鄰域變異的方式對全局極值進(jìn)行更新，形成機(jī)械零件表面光滑處理的遞階結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 機(jī)械零件表面光滑處理遞階結(jié)構(gòu)

上述通過種群進(jìn)化+鄰域搜索過程，為光滑處理過程中的磨頭無斷續(xù)給進(jìn)速度、磨頭壓強(qiáng)、磨頭轉(zhuǎn)速以及打磨頻率4項(xiàng)參數(shù)提供了最優(yōu)打磨狀態(tài)，從而得到了最優(yōu)的機(jī)械零件光滑處理結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于紋理特征挖掘的機(jī)械零件表面光滑處理方法的整體有效性，設(shè)計(jì)如下測試過程。

實(shí)驗(yàn)測試共分為兩部分，一是基礎(chǔ)測試，利用本文方法對微小機(jī)械零件表面的凹凸不平、磨損等進(jìn)行光滑處理，對本文方法的有效性展開基礎(chǔ)性的檢驗(yàn)。二是對比測試，以零件表面的粗糙度和不規(guī)則凹凸高度為測試項(xiàng)，將本文方法與文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[4]作對比。

1）基礎(chǔ)測試

首先利用本文方法對微小機(jī)械零件實(shí)施光滑處理，待處理的零件如圖2所示。

圖2 待處理的微小機(jī)械零件

圖2中，待處理的微小機(jī)械零件表面的粗糙度較高，零件1表面凹凸不平且有微小磨損，零件2表面存在嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象。采用本文方法對兩個零件進(jìn)行光滑打磨，打磨后的效果如圖3所示。

圖3 本文方法處理后的微小機(jī)械零件

觀察圖3可以看出，經(jīng)本文方法處理后，零件1表面的凹凸不平和微小磨損情況得到了解決，零件2表面毛刺消失且粗糙度有所降低，表面變得光滑。上述結(jié)果初步證明了本文方法的有效性。

2）對比測試

為進(jìn)一步突出本文方法的應(yīng)用效果，將文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法作為對比，針對不同磨頭無斷續(xù)給進(jìn)速度下的零件粗糙度、機(jī)械零件表面凹凸程度為指標(biāo)，對比不同方法的實(shí)際應(yīng)用性能。首先對比在磨頭壓強(qiáng)和磨頭轉(zhuǎn)速變化的情況下，機(jī)械零件表面的粗糙度，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 應(yīng)用不同方法后零件表面的粗糙度對比

分析圖4(a)可知，在磨頭壓強(qiáng)不斷增加的情況下，應(yīng)用本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法后，機(jī)械零件表面的粗糙度整體形成降低的趨勢。但在磨頭壓強(qiáng)相同時，應(yīng)用本文方法后機(jī)械零件表面的粗糙度遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法。

分析圖4(b)可知，在磨頭轉(zhuǎn)速由5600rad/s增加至6400rad/s的過程中，應(yīng)用本文方法后機(jī)械零件表面的粗糙度不斷下降。當(dāng)磨頭轉(zhuǎn)速為6000rad/s時，應(yīng)用文獻(xiàn)[3]方法后機(jī)械零件的粗糙度不再發(fā)生變化；當(dāng)磨頭轉(zhuǎn)速為6200rad/s時，應(yīng)用文獻(xiàn)[4]方法后機(jī)械零件表面的粗糙度不再發(fā)生變化。

通過上述測試可知，當(dāng)磨頭壓強(qiáng)和磨頭轉(zhuǎn)速不同時，本文方法均可有效的降低機(jī)械零件表面的粗糙度，表明本文方法的光滑處理效果更好。這是因?yàn)楸疚姆椒ɡ弥鞒煞址治龇ǚ治隽硕囗?xiàng)chuli參數(shù)對零件表面打磨質(zhì)量的影響，選取其中影響較大的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了優(yōu)化效果，進(jìn)而減小了機(jī)械零件的粗糙度。

在此基礎(chǔ)上，將機(jī)械零件表面不規(guī)則凹凸高度作為指標(biāo)，測試本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的光滑處理效果，測試結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)械零件表面不規(guī)則凹凸高度測試結(jié)果

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用本文方法處理后的機(jī)械零件表面凹凸高度浮動在-0.3nm～0.5nm以內(nèi)，表明本文方法處理后的機(jī)械零件表面較為光滑。而應(yīng)用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法處理后的機(jī)械零件表面凹凸高度變化較大，說明采用以上兩種方法對機(jī)械零件表面處理后，零件表仍存在面凹凸不平的情況。

通過上述測試結(jié)果可知，本文方法處理后的機(jī)械零件表面較為平滑，表明本文方法的光滑處理質(zhì)量更好。

3 結(jié)語

機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展程度可通過光化處理技術(shù)水平進(jìn)行衡量，其在民用設(shè)備、航空航天、集成電路和軍事等領(lǐng)域中，該技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。為此，本研究提出了基于紋理分析的機(jī)械零件微加工中表面光滑處理方法，有效降低了機(jī)械零件表面的粗糙度，解決了表面凹凸不平的問題。