基于机器学习几何公差类型及自动生成方法研究

田波

摘要：随着我国对于精密机械装配的需求量增大，提高对控制误差的要求，几何公差方法可以更细致的实现对误差的控制，因而广受欢迎，本文基于机器学习提出辅助公差规范方法，提升公差精准度及计算效率。

关键词：机器学习;几何公差;自动生成

前言：

零件在生产制造过程中无法达到零误差，为了有效地控制其在合适的范围内，企业检测部门需要对零件进行误差对比，其目的是为了确保所生产的产品是合格的，其次是所允许的误差范围可以将其称为公差，目前不同精准度的产品对于公差数值和类型需求存在明显的差异。尤其是像航天机械加工来说对于零件公差要求较高，这也是因为该行业制作成本较大，若是未能在设计阶段计算出公差，将会影响到机械产品的装配能力以及装配质量，甚至还会带来额外的成本以及使用寿命等。目前所提到的公差类型有两种即尺寸公差和几何公差，前者主要是指最大限度内尺寸最小极限的尺寸差距，也是零件加工中所被允许变动的范围量;后者则是在集合公差符号标注下的公差数值，不同几何公差符号标注公差，不同几何公差符号有所差异，这就需要技术人员可以在允许的范围内进行公差调整。

一、机器学习几何公差关键技术分析

在遵循公差规范的前提下需要对零件进行框架搭建，其具体包括公差类型选择、公差原则确定、公差规范标记等，其中基准框架是整个规范中关键部分，是确定几何公差类型以及原则的基础。

人工智能可以实现深度学习和机器学习，其中本课题所应用的机器学习是利用统计学方法，构建统计学模型用于拟合数据，与深度学习相比，所涉及到的数据类型比较少，基于扎实的数学理论，更容易根据自身的需要搭建模型，所训练出的模型适合于公差规范应用场景。同时机器学习也可以恶习分为无监督学习和监督学习，无监督学习需要在学习期间构建相对主观的价值体系，其目的是用于对数据的筛选和分析，如聚类分析;后者的监督学习则是包含人为设置要素在内的训练集，如决策树、支持向量等，如图所示。

二、几何公差数据集的构建

（一）影响几何公差选取因素

在DRF坐标系中，需要先确定集合要素公差的具体的位置，通常为了满足零件装配要求，需要提出更高要求的公差要求，其目的是提升最终零件可以装配成成品。充分考虑到零件装配成本、生产商制造能力、检测能力等，在本课题研究中提出四类即定位特征、空间特征、基准特征以及生产特征。

（二）机器学习模型构建

本課题CAT系统包括提取零件几何要素信息，用于制定特征向量，并将其作为整个寻两次训练集;其次就是基于训练集，搭建机器学习模型以及训练模型，具体实施步骤如下：

1.在SolidWorks中构建3D模型的约束关系;

2.将装配件拆分为若干个零件，并对每个零件进行特征表面的信息的提取;

3.拆分零件确定具体每个零件的规范要素以及装配顺序，构建DRF;

4.了解零件间装配关系，确定规范基准，以及规范要素与基准在空间视角下的关系;

5.分析检测成本以及加工精准度;

6.将所分析出的数据信息放入到CSV中，搭建数据库

在机器学习模型中训练集效果较好，若是将新的数据信息重新放入到模型中会表现较差，使得模型出现应用效果不佳的现象，这一现象被称为过拟合，在本文中为了避免过拟合问题的出现，从数据、模型以及训练三个方面提出改进措施，具体内容为：

1.机器学习模型是基于训练数据，若是在模型应用中所使用的数据数量比较小很容易出现过拟合，为此在特征数据的选其中减少训练集中特征数量，降低训练集的数，实现对数据集的简化，进而有助于改善过拟合现象。

2.简化机器学习模型，由于模型太过于复杂也会出现过拟合现象，因而在SVM算法中使用简单的核函数进行映射，同样在RF算法和KNN算法分别减少训练数以及k值。

3.为防止过拟合现象的出现，采用交叉验证方法，将现有的数据集评分为K组，采用K-1组训练模型，并对剩余组进行模型预测，并计算出预测误差，求取误差平均数值，获取交叉验证误差。

（三）案例分析

以二级齿轮减速器作为案例分析对象，减速器作为常见的机械配件之一，其广泛用于各类传送装置中，为了降低本次研究的复杂性，进选择其中驱动轴间的传动机构，对其他零件不做详细讨论。

基于零件装配关系从三维CAD软件中获取二级齿轮减速传动轴之间的专配关系，如图5所示。

机器学习是无法直接处理语义信息，为此需要将其转换为数字信息进行处理，当前进行转换的方法有很多在本文中采用到了One-hot编码，以此来加速数据计算。

结束语：

几何公差的存在是为了更好的控制产品误差，为了提升误差精准率，采用计算机辅助的方式，在本文中提出基于计算机几何公差按规范设计流程，采用数据驱动理念将公差规范结果作为数据，通过筛选和分析将其放入到数据集中，实现对模型算法的训练，从理论和实践的角度讨论影响几何公差的罂粟，并以为二级齿轮减速机为例讨论具体实现过程，验证本文方法的有效性。

参考文献：

[1]田立群.几何公差定义理论意义和检测妥协性的关系研究[J].机械工程师，2018（08）：157-159+163.

[2]刘伟东，涂玉婷，刘海明.几何公差状态向量模型及其分析与综合技术[J].华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（05）：78-83+89.