基于灰數(shù)(GM)模型的灰色預(yù)測方法預(yù)測刀具耐用度

發(fā)布日期：2012-08-10    蘭生客服中心    瀏覽：4131

1 引言


為了準(zhǔn)確評價金屬材料的可加工性或刀具材料的切削性能，通常需要進行刀具磨損試驗，即在常用切削速度范圍內(nèi)選取不同切削速度進行切削試驗，得到一組刀具磨損v-T曲線，并根據(jù)給定的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)繪制出刀具耐用度曲線。這種基于切削試驗的刀具耐用度評價方法成本較高(尤其對于貴重材料)，費時費力，且在有些情況下難以實現(xiàn)。為此，眾多研究人員對各種刀具耐用度快速試驗方法(如端面車削試驗法、圓錐車削試驗法、不斷加速法、放射性同位素法等)進行了大量試驗研究，但這些試驗方法均存在不同的局限性。近年來也有研究者采用線性回歸法預(yù)測刀具耐用度，但要獲得較理想的預(yù)測結(jié)果，在刀具正常磨損階段至少需要選取8～10個測點且要求該階段具有較好線性。
基于灰數(shù)模型(GM模型)的預(yù)測方法自20世紀(jì)80年代初期灰色理論創(chuàng)建以來，已在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。在灰色模型的建模過程中，灰色理論可充分開發(fā)并利用少量數(shù)據(jù)中的顯信息和隱信息，根據(jù)行為特征數(shù)據(jù)找出因素本身或因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提取建模所需變量，通過建立離散數(shù)據(jù)的微分方程動態(tài)模型，了解系統(tǒng)的動態(tài)行為和發(fā)展趨勢。該方法具有以下特點：①所需信息量較少(通常只要有4個以上數(shù)據(jù)即可建模)；②不需已知原始數(shù)據(jù)分布的先驗特征，通過有限次的生成，可將無規(guī)則分布(或服從任意分布)的任意光滑離散的原始序列轉(zhuǎn)化為有序序列。③建模精度較高，可保持原系統(tǒng)特征，能較好反映系統(tǒng)實際情況。
本文采用GM模型，在易切鋼材料的切削性能試驗中，對給定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)下的刀具耐用度進行了預(yù)測，取得了令人滿意的效果。

2 刀具耐用度預(yù)測的灰色建模方法


由單變量一階微分方程構(gòu)成的GM(1，1)灰色模型是灰色理論中較常用的預(yù)測模型。基于該模型的刀具耐用度預(yù)測建模方法如下：首先按通常的刀具磨損試驗方法進行切削試驗，每切削一段時間即觀測一次刀具后刀面磨損值VB，當(dāng)?shù)毒哌M入正常磨損階段后，即可根據(jù)記錄數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)對刀具耐用度進行預(yù)測。設(shè)觀測的原始序列為







X(0)= (1)

式中，X(VBi)為切削時間，VBi為與該時刻對應(yīng)的刀具后刀面磨損值。
基于灰色理論的預(yù)測通常要求原始數(shù)據(jù)是等時空距的，但在本文涉及問題中，切削時間與刀具后刀面磨損值的關(guān)系數(shù)據(jù)在一般情況下難以滿足這一要求。因此還需將后刀面磨損值VB變換為從1開始、以1遞增、帶有一位整數(shù)的序列，變換公式為






















Pi= VBi-VB1 c+1(i=1，2，…，n)
 
VB2-VB1

(2)

式中，c為調(diào)整系數(shù)，可根據(jù)實際情況取值，取值范圍為0<c<2。
利用插值法計算出小于Pi且最接近Pi正整數(shù)點處的切削時間。設(shè)ip為小于Pi且最接近Pi的正整數(shù)，求ip點處切削時間的內(nèi)插公式為






















X(0)(ip)=X(0)(Pi-1)+ iP-Pi-1 [X(0)(Pi)-X(0)(Pi-1)]
 
Pi-Pi-1

(3)

為弱化原序列的隨機性，將無規(guī)序列變?yōu)橛幸?guī)序列，通常需對其數(shù)列進行一次累加數(shù)據(jù)處理，對X(0)(ip)作一次累加處理的表達式為
















X(1)(ip)= ip∑:k=1 X(0)(k)(ip=1，2，…，n)

(4)

對X(0)(Pi)作一次累加處理的表達式為







X(1)(Pi)=X(1)(ip)+(Pii-ip)X(0)(Pi) (5)

經(jīng)過以上處理后，一般可使粗糙的原始數(shù)據(jù)離散數(shù)列變?yōu)楣饣碾x散數(shù)列。在滿足光滑性條件后，即可建立基本預(yù)測模型GM(1，1)，其表達式為


























^X (1)(t+1)=[X(0)(P1)- u ]e-at+ u
   
a a

(6)

式中，a、u為待辯識參數(shù)，可根據(jù)最小二乘法通過矩陣運算求得(表達式略)。
對建立的GM(1，1)預(yù)測模型進行精度檢驗和評估，如模型精度不符合要求，可利用殘差序列建立GM(1，1)模型對原模型進行修正，以提高其精度。GM(1，1)模型滿足精度要求時，其還原數(shù)據(jù)與預(yù)測值計算公式為















^X (0)(t+1)=[u-aX(0)(P1)]e-at(t=2，3，…，n)

(7)

預(yù)測切削時間時，取t=n+1，與之對應(yīng)的Pn+1=Pn+1，由式(7)即可求出Pn+1值。由式(2)求出的VBn+1值即為與預(yù)測切削時間^ X(0)(t+1)對應(yīng)的后刀面磨損量。
需要說明，為進一步提高預(yù)測精度，本文采用了等維灰數(shù)遞補GM(1，1)模型，即首先采用已知數(shù)列建立一個GM(1，1)模型，按前述方法求出一個預(yù)測值，然后將該預(yù)測值補入已知數(shù)列中，為使序列等維，需同時去除一個最舊的數(shù)據(jù)；然后在此基礎(chǔ)上再建立GM(1，1)模型，求出下一個預(yù)測值，并將其補入數(shù)列中，同時去除一個最舊的數(shù)據(jù)……，以此類推，通過預(yù)測灰數(shù)的新陳代謝，逐個預(yù)測，依次遞補，直至預(yù)測值達到給定的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止。

3 預(yù)測實例與效果分析


利用上述灰色預(yù)測方法對切削兩種牌號(Y15、Y15b)易切鋼的刀具耐用度進行預(yù)測。為便于對比，通過四組切削試驗獲得了切削全程的刀具磨損曲線。切削試驗條件為：第一組：干切削Y15，ap=1mm，f=0.2mm/r，v=70m/min；第二組：干切削Y15b，ap=1mm，f=0.2mm/r，v=70m/min；第三組：干切削Y15，ap=1mm，f=0.2mm/r，v=50m/min；干切削Y15b，ap=1mm，f=0.2mm/r，v=50m/min。刀片材料均為W18Cr4V，硬度HRC64.5～65.3，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.3mm。








































































表 試驗數(shù)據(jù)原始序列
第一組 VB值 0.064 0.08 0.097 0.12
切削時間t 4.3 5.7 7.6 10.7
第二組 VB值 0.04 0.065 0.087 0.1
切削時間t 4 8.5 12.5 16
第三組 VB值 0.105 0.12 0.142 0.153
切削時間t 24 34 50 63
第四組 VB值 0.042 0.062 0.086 0.11
切削時間t 14.6 26 42.3 60


在刀具進入正常磨損階段后，僅取4個數(shù)據(jù)作為原始序列進行預(yù)測，直至達到給定的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止。試驗數(shù)據(jù)的原始序列見右表。
刀具磨損實測曲線與刀具磨損預(yù)測曲線。
對比曲線可知：第一、第三組試驗(切削Y15易切鋼)的刀具耐用度預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確。第一組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=2.42min(絕對值，下同)，相對誤差e'=8.5%；第三組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=5.27min，相對誤差e'=2.9%。第二、第四組試驗(切削Y15b易切鋼)的刀具耐用度預(yù)測誤差較大。第二組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=14.98min，相對誤差e'=29.25%；第四組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=36min，相對誤差e'=18%。從實測曲線看，第二、第四組試驗給定的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)明顯偏大，刀具磨損量達到該值前已進入急劇磨損階段。對于磨損曲線的這種變化，僅根據(jù)有限的已知數(shù)據(jù)顯然很難預(yù)測。對一個系統(tǒng)進行預(yù)測時，隨著時空的推移，一些不確定的擾動因素將進入系統(tǒng)而對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此預(yù)測模型不可能一直處于理想狀態(tài)。雖然采用等維灰數(shù)遞補等方法可進一步提高預(yù)測精度，但預(yù)測的未來時刻越遠，預(yù)測值灰區(qū)間就越大(當(dāng)曲線發(fā)生急劇變化時尤其如此)。由圖1可見，將刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在VB=0.26mm左右較為合理，此時第二組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=9.2min，相對誤差e'=19.87%；第四組試驗的刀具耐用度預(yù)測誤差e=2.23min，相對誤差e'=1.22%。雖然第二組預(yù)測值誤差稍大，但仍在可接受范圍內(nèi)，按照目前的預(yù)測精度級別劃分，仍屬好的預(yù)測。
由以上預(yù)測實例結(jié)果可知，在允許誤差范圍內(nèi)，采用灰色模型預(yù)測刀具耐用度效果不錯。與完全基于切削試驗的預(yù)測方法相比，可節(jié)省切削時間1～2倍，同時可節(jié)省大量切削試驗材料，因此在工程上具有實際應(yīng)用價值。

4 結(jié)論



  1. 用灰色模型預(yù)測刀具耐用度的預(yù)測精度較高，可較真實地反映刀具磨損實際情況及發(fā)展趨勢，與常規(guī)預(yù)測方法相比，可縮短試驗時間、節(jié)約試驗材料、提高試驗效率，在工程上具有實用價值。

  2. 采用灰色模型預(yù)測刀具耐用度時，只需在刀具進入正常磨損階段時提取4～5個測點數(shù)據(jù)即可，原始數(shù)據(jù)需求量少，建模簡便易行。

  3. 當(dāng)預(yù)測的刀具磨損曲線在正常磨損階段范圍內(nèi)時，預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確，預(yù)測值相對誤差(絕對值)最大不超過20%，屬于好的預(yù)測。


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