基于BP网络的非圆截面切削力补偿情况的研究

刘杰辉，李肖妍，武杰

(河北工程大学机电学院，河北邯郸 056038)

基于BP网络的非圆截面切削力补偿情况的研究

刘杰辉，李肖妍，武杰

(河北工程大学机电学院，河北邯郸 056038)

非圆截面车削加工过程中，切削力的补偿情况辨识是非常重要的。通过对非圆截面零件加工过程中切削力的测量及记录，采用BP网络模型，通过对切削力的分析和计算机系统对切削力数据进行的相关处理进而确定该过程中动态切削力的补偿情况，为切削力补偿情况辨识提供方法与依据。

非圆截面;切削力;BP网络模型;补偿

在现代机械设备生产中，非圆截面零件的地位越来越重要。机械加工过程中为了达到零件所需的各种性能要求，需要视零件的具体情况对其进行补偿。在非圆车削加工中零件受切削力影响较大，因而研究动态切削力的补偿问题是至关重要的。如何正确识别切削力是否需要补偿、具体补偿到什么程度是切削力补偿研究的关键问题。

1 车削中切削力的分析

切削力是一个三维空间力Fτ，其可以分解为互相垂直的3个分力Fx，Fy和Fz。各分力的作用如图1所示，主切削力Fz，垂直于基面，与主运动v方向一致，亦可称为切向分力;切深抗力Fy，即为在基面内，作用于工件直径方向上，亦可称为径向分力;进给抗力Fx，即为在基面内，与刀具进给方向平行，亦可称为轴向分力。

切向力Fz是总切削力在主运动方向上的正投影，在3个分力中占主导位置，其大小约占总切削力的95%～99%。它是车削工程中消耗功率最多的分力，也是重要零件的刚度和强度以及机床动力校核和设计的主要依据;轴向力Fx是总切削力在进给方向上的正投影，其大小约占总切削力的1%～5%，是设计和验算机床以及其他进给机构不可或缺的参数;径向力Fy是总切削力在垂直工作平面上的分力，它作用于工件刚性较差的方向上，在加工工程中容易产生振动，使零件变形，从而影响加工精度。

图1 切削力的分析

2 BP网络模型的提出

人工神经网络根据其模型建立的原理，可以分为数学模型和认知模型。数学模型主要是在神经元生理特性的基础上，通过抽象用数学表达式进行描述，而认知模型主要是根据神经系统信息处理的过程建立的。切削力补偿情况就是一种对切削力的认知，因而可以据随机抽样的切削力样本数据来构建切削力补偿情况认知模型。

采用BP网络模型，对非圆截面零件加工过程中补偿情况进行识别，输入层节点数目由零件加工过程中所受的切削力的3个垂直分力Fz，Fx，Fy决定，输出层节点由补偿情况 (如不需补偿，待补偿等)决定。

通过数值化作离散与插值得到三条测力曲线，主要补偿情况是不需补偿、待补偿、需补偿。图2是反传神经网络 (BP网络)模型的结构，输入层节点数目为3，输出层节点数目也为3。表1为学习测量样

本集。

图2 反传神经网络

表1 学习测量样本集

(1)适当选取特征参数，选取了切向力、轴向力、径向力等测力曲线作为特征参数，以离散化形式给出。

(2)数据预处理。输入层数据采用归一化原则，归一化用关系式

其中，m是样本的特征值，n是样本数

该模型中最大值取17.9，最小值取10.0，变换后见表2。

表2 数据处理变换表

这是模式识别问题，所以输出层神经元数据不需要进行变换。

(3)能量函数的选取，选取平方型误差函数

(4)权值修正，采用梯度下降法和动量修改法。

(5)鉴于该样本数较小，故隐层数取1，单元数同样取1。

(6)据经验，取η=0.9，α=0.7，为了加快其收敛速度，在网络运行过程中对α、η进行了一些改变。

由样本集的识别见表3。

从表中可以看出样本集1每种补偿情况只有一个样本，因而该模型的预测是可行的。补偿程度可以视具体情况而定。

表3 样本识别表

3 结束语

(1)运用BP网络，通过参数的适当选取及计算机对非圆截面零件加工过程中的切削力补偿情况进行了预测并与期望值比较，可以看出预测值与期望值是近似的，说该模型可以为切削力的认知提供方法。

(2)机械零件在加工过程中，随机抽样一组工件进行实验加工，分别对每个工件的切削力进行记录，通过计算取平均值代入以上模型，可以确定该批零件是否需要补偿。

［1］刘杰辉，潘尚峰，袁建军.数控非圆车削系统切削力干扰的补偿与仿真［J］.现代制造工程，2004(9):19－21.

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［3］邓中亮.非圆零件车削加工技术［M］.北京:人民邮电出版社，1998.

［4］彭放，杨瑞琰，罗文强，等.数学建模方法［M］.科学出版社，2007.

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［6］邓中亮，王先逵.异形零件的几种车削加工方法［M］.机械制造，1994(1):14－16.

Study on Non-circular Cutting Force Compensation Based on BP Network

LIU Jiehui，LI Xiaoyan，WU Jie
(Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China)

In the non-circular section cutting processing process，the identification of cutting force compensation cases is very important.Through measuring and recording of the cutting force in the process of non-circular cross-section parts processing，by using BP network model，and through the analysis of the cutting force and the related data processing of cutting force by the computer system，the compensation of the dynamic cutting force in the process was determined.It provides a basis and method for identification of cutting force compensation cases.

Non-circular cross section;Cutting force;BP network model;Compensate

TH111

A

1001－3881(2014)9－099－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.027

2013－04－24

河北省自然科学基金资助项目 (E2011402044)

刘杰辉 (1968—)，副教授，主要从事直线伺服机构的设计和控制方面的研究。E－mail:liujiehui@sohu.com。