【正文】 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）實驗設(shè)計（DOE）技術(shù)在激光加工工藝摘 要DOE（Design of Experiment）實驗設(shè)計，一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；實驗設(shè)計主要對實驗進(jìn)行合理安排，以較小的實驗規(guī)模（實驗次數(shù)）、較短的實驗周期和較低的實驗成本，得理想的實驗結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。參數(shù)優(yōu)化是達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的一種方法，通過將設(shè)計目標(biāo)參數(shù)化，采用優(yōu)化方法，不斷的調(diào)整設(shè)計變量，使得設(shè)計結(jié)果不斷接近參數(shù)化的目標(biāo)值。 　　模型參數(shù)優(yōu)化是通過極小化目標(biāo)函數(shù)使得模型輸出和實際觀測數(shù)據(jù)之間達(dá)到最佳的擬合程度，由于環(huán)境模型本身的復(fù)雜性，常規(guī)優(yōu)化算法難以達(dá)到參數(shù)空間上的全局最優(yōu)。近年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算效率的快速提高，直接優(yōu)化方法得到了進(jìn)一步開發(fā)與廣泛應(yīng)用。針對激光加工質(zhì)量的問題，對激光加工各種參數(shù)進(jìn)行了分析。以激光加工質(zhì)量優(yōu)化為目標(biāo)，運(yùn)用實驗設(shè)計分析方法，利用hyperstudy中的實驗設(shè)計（DOE）模塊對激光加工中各種工藝參數(shù)進(jìn)行了分析與計算，獲得經(jīng)過實際試驗驗證的一組最佳激光加工工藝參數(shù)。關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計，參數(shù)優(yōu)化，激光加工AbstractThe DOE （Design of Experiment） experimental design, an arrangement of experiments and analysis of experimental data, mathematical statistical methods。 test designed primarily to test to make reasonable arrangements with a smaller pilot scale （number of trials）, a shorter test cycles and lowertest costs, and satisfactory results, and draw scientific conclusions. Parameter optimization is a way to meet the design objectives through the design of target parameters, optimization methods, and constantly adjust the design variables, making the design results to constantly close to the parameters of the target. Parameter optimization is to achieve the best goodness of fit between model output and observational data by minimizing the objective function, due to the plexity of the environment of the model itself, the conventional optimization algorithms is difficult to achieve the global optimum in the parameter recent years, with the rapid increase in puting efficiency, the direct optimization method to get the further development and wide application. The issue of the quality of laser processing, laser processing parameters were analyzed. Optimization of laser processing quality, the use of experimental design analysis methods, the use of the hyperstudy the experimental design （DOE） modules of various process parameters in laser processing, analysis and calculation, after verification of the actual test a set of best laser processing process parameters.Keywords: experimental design, parameter optimization, laser processing.目 錄 第1章 緒 論 1 實驗設(shè)計簡述 1 課題的來源 1 3 本章小結(jié) 3第2章 HYPERWORKS軟件介紹及HYPERSTUDY優(yōu)化簡介 4 HYPERWORKS軟件介紹 4 參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)知識 5 HYPERSTUDY軟件的相關(guān)知識 5 HYPERSTUDY的簡單介紹 5 HYPERSTUDY中DOE研究 6 HYPERSTUDY中優(yōu)化研究 7 本章小結(jié) 8第3章 實驗數(shù)據(jù)的收集與整理 9 激光加工簡述 9 9 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 9 工藝參數(shù)的收集與整理 11： 12： 15 本章小結(jié) 16第4章 激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化 17 17 以第二組實驗為例建立分析模型 17 第二組實驗的實驗設(shè)計（DOE）分析和近似 21 進(jìn)行優(yōu)化研究 23 DOE分析結(jié)果及最優(yōu)參數(shù)選擇 25 26 各組的軟件分析圖和分析結(jié)果 26 最終分析結(jié)果 30 本章小結(jié) 31第5章 總結(jié)與展望 32 課題的總結(jié) 32 課題的展望 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄 A 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 35附錄 B 科技文獻(xiàn)翻譯 38附錄 C 開題報告 58附錄 D 安徽建筑工業(yè)學(xué)院2010屆畢業(yè)設(shè)計（論文）選題審批表 65第1章 緒 論 實驗設(shè)計簡述DOE（Design of Experiment）實驗設(shè)計，一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法；實驗設(shè)計主要對實驗進(jìn)行合理安排，以較小的實驗規(guī)模（實驗次數(shù)）、較短的實驗周期和較低的實驗成本，得理想的實驗結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。實驗設(shè)計源于1920年代研究育種的科學(xué)家Dr. Fisher的研究, Dr. Fisher是大家一致公認(rèn)的此方法策略的創(chuàng)始者, 但后續(xù)努力集其大成, 而使DOE在工業(yè)界得以普及且發(fā)揚(yáng)光大者, 則非Dr. Taguchi （田口玄一博士） 莫屬。實驗設(shè)計作為質(zhì)量管理領(lǐng)域相對復(fù)雜、高級的統(tǒng)計方法應(yīng)用，開始在國內(nèi)被逐漸接受，推廣。其實實驗設(shè)計對于我國學(xué)術(shù)界來說并不陌生。比如均勻設(shè)計，均勻設(shè)計是中國統(tǒng)計學(xué)家方開泰教授和中科院院士王元首創(chuàng)，是處理多因素多水平實驗設(shè)計的卓有成效的實驗技術(shù)，可用較少的實驗次數(shù)，完成復(fù)雜的科研課題開發(fā)和研究。 國內(nèi)一些大學(xué)的數(shù)學(xué)系和統(tǒng)計系近年來已經(jīng)逐漸開始開設(shè)專門的試驗設(shè)計課程，比如清華大學(xué)，電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校。 國內(nèi)一些行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)，比如中石化，華為科技，中石油，寶鋼等企業(yè)，也開始在質(zhì)量管理和產(chǎn)品研發(fā)、工藝改進(jìn)等領(lǐng)域采用DOE方法。 課題的來源 作為20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進(jìn)國家的高度重視。激光加工是國外激光應(yīng)用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)1997~1998年的最新激光市場評述和預(yù)測，比1996年增長14%，醫(yī)療應(yīng)用4億美元。1998年總收入預(yù)計增長19%。其中占第一位的材料加工預(yù)計超過10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應(yīng)用。 　　激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中，CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣，分別占到70%和20%，表面處理則不到10%。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接、標(biāo)記（50%）和切割（15%）為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了70~80%。我國激光加工中以切割為主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，~2kW范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是進(jìn)行激光處理汽車發(fā)動機(jī)的汽缸套。這項技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。 　在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速、靈活地加工特點(diǎn)。如在汽車樣機(jī)和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機(jī)，不僅節(jié)省了樣板及工裝設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；激光束在高硬度材料和復(fù)雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在汽車工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，激光加工技術(shù)和計算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合，派生出激光快速成形技術(shù)。該項技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且還可以直接由金屬粉末熔融，制造出金屬模具。 　　80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和標(biāo)記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認(rèn)為YAG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。隨著YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。YAG激光器已開始擠進(jìn)kw級CO2激光器切割市場。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等。YAG激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應(yīng)用。 　　目前，國外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高達(dá)30~50kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復(fù)頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。對激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化，將極大地改善激光加工的性能。對于應(yīng)用越來越廣泛的激光加工技術(shù)，其參數(shù)的優(yōu)化也可以改善各個行業(yè)的效率與業(yè)績，對于生產(chǎn)與生活有著十分重要的意義。 根據(jù)現(xiàn)有的實驗設(shè)計（DOE）研究資料，本文將運(yùn)用hyperstudy軟件，尋求一種合適的實驗設(shè)計分析方法，針對激光實驗加工中得到的大量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸門別類，對各種不同的激光加工工藝參數(shù)的優(yōu)化，在最終得到最優(yōu)的激光加工工藝參數(shù)。研究方法如下： ，收集激光加工工藝參數(shù)參數(shù)，整理實驗參數(shù)。 ，學(xué)習(xí)實驗設(shè)計分析方法，了解實驗設(shè)計的方法與應(yīng)用。，嘗試?yán)胔yperstudy中實驗設(shè)計（DOE）模塊對各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，了解優(yōu)化的過程與結(jié)果，得出優(yōu)化方法。4．定義分析，建立模型，建立響應(yīng)。，得出優(yōu)化結(jié)果，收到最優(yōu)加工參數(shù)。 本章小結(jié)本章主要介紹實驗設(shè)計的發(fā)展情況，主要包括國外和國內(nèi)的發(fā)展情況以及對于激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究情況進(jìn)而引出課題，確定課題研究的思路和方法。第2章 HYPERWORKS軟件介紹及HYPERSTUDY優(yōu)化簡介 HYPERWORKS軟件介紹HyperWorks 構(gòu)建于設(shè)計優(yōu)化、性能數(shù)據(jù)管理和流程自動化的基礎(chǔ)理念之上，HyperWorks是一個企業(yè)級的仿真解決方案，用于加快企業(yè)設(shè)計開發(fā)和決策過程。作為業(yè)界最全面的開放構(gòu)架的CAE解決方案，HypeWorks包括第一流的建模、分析、可視化和數(shù)據(jù)管理解決方案，能夠用于線性、非線性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流固耦合和多剛體動力學(xué)等多個方面。 在汽車領(lǐng)域，其研究對象已涵蓋了車身、動力和底盤三大系統(tǒng)，研究內(nèi)容包含了結(jié)構(gòu)分析、工藝分析、動力學(xué)分析、內(nèi)外流場分析和安全分析等多個方面。僅對于車身結(jié)構(gòu)分析而言，應(yīng)用CAE技術(shù)已經(jīng)能得到包括剛度、強(qiáng)度、模態(tài)以及疲勞壽命等參數(shù)。HyperWorks包括以下模塊：Altair HyperMesh高性能、開放式有限單元前后處理器，讓您在一個高度交互和可視化的環(huán)境下驗證及分析多種設(shè)計情況。Altair MotionView通用多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真及工程數(shù)據(jù)前后處理器，它在一個直觀的用戶界面中結(jié)合了交互式三維動畫和強(qiáng)大無比的曲線圖繪制功能。Altair HyperGraph強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制工具，具有多種流行的工程文件格式接口、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖表繪制功能、以及先進(jìn)的定制能力和高質(zhì)量的報告生成器。 　　Altair HyperForm集成HyperMesh強(qiáng)大的功能和金屬成型單步求解器，是一個使用逆向逼近方法的金屬板材成型仿真有限元軟件。 　　Altair HyperOpt使用各種分析軟件進(jìn)行參數(shù)研究和模型調(diào)整的非線性優(yōu)化工具。Altair OptiStruct世界領(lǐng)先的基于有限元的優(yōu)化工具，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行概念設(shè)計。Altair OptiStruct/FEA基本線性靜態(tài)、特征值分析模塊。創(chuàng)新、靈活、合理的許可證無論是單機(jī)版還是網(wǎng)絡(luò)版，HyperWorks 許可單位（HWUs）都是平行的，所以不管你運(yùn)行多少個HyperWorks模塊，只有需要HWUs最多的模塊才占用HWUs數(shù)。 參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)知識參數(shù)優(yōu)化是達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的一種方法，通過將設(shè)計目標(biāo)參數(shù)化，采用優(yōu)化方法，不斷的調(diào)整設(shè)計變量，使得設(shè)計結(jié)果不斷接近參數(shù)化的目標(biāo)值。 　　模型參數(shù)優(yōu)化是通過極小化目標(biāo)函數(shù)使得模型輸出和實際觀測數(shù)據(jù)之間達(dá)到最佳的擬合程度，由于環(huán)境模型本身的復(fù)雜性，常規(guī)優(yōu)化算法難以達(dá)到參數(shù)空間上的全局最優(yōu)。近年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算效率的快速提高，直接優(yōu)化方法得到了進(jìn)一步開發(fā)與廣泛應(yīng)用。 　　優(yōu)化模型參數(shù)，以滿足設(shè)