[發(fā)明專利]基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110790025.6
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113569352A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海鷗;吳俊;李潤聲;戴福生;王凱;王桂蘭;王睿哲
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06N3/08;G06F113/10
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 劉洋洋

1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：

(S1)將多組工藝參數(shù)分別輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出多組預(yù)測的焊道尺寸參數(shù)；所述工藝參數(shù)包括焊機(jī)的工藝參數(shù)和激光器的工藝參數(shù)；

(S2)利用個體適應(yīng)度函數(shù)，計算步驟(S1)輸出量的個體適應(yīng)度值，再利用遺傳算子調(diào)整輸入量，產(chǎn)生具有更好適應(yīng)性的新的種群即輸入量，重復(fù)該優(yōu)化過程直至適應(yīng)度函數(shù)數(shù)值收斂，與該適應(yīng)度函數(shù)數(shù)值對應(yīng)的輸入量即為一組優(yōu)化的工藝參數(shù)；

(S3)在所述優(yōu)化的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)點附近按照預(yù)設(shè)的步長增減，獲得新的多組優(yōu)化的工藝參數(shù)；

(S4)將所述新的多組優(yōu)化的工藝參數(shù)分別輸入所述訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到新的多組預(yù)測的焊道尺寸參數(shù)；

(S5)將所述新的多組預(yù)測的焊道尺寸參數(shù)分別代入目標(biāo)函數(shù)，計算得到的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值對應(yīng)的輸入的工藝參數(shù)即為最優(yōu)工藝參數(shù)；

所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法如下：

(S1.1)采集焊機(jī)和激光器的工藝參數(shù)、焊道尺寸參數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理，分別作為輸入量和輸出量，構(gòu)成訓(xùn)練集；

(S1.2)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用所述訓(xùn)練集訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過學(xué)習(xí)使其具有輸入輸出之間的映射關(guān)系。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(S1)中，所述焊機(jī)的工藝參數(shù)包括送絲速度、焊接速度、弧長修正和脈沖修正，所述激光器的工藝參數(shù)包括激光功率、光斑大小、離焦量，所述焊道尺寸參數(shù)包括焊道的焊寬、焊高、寬高比和熔深。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、三層隱藏層和輸出層；

步驟(S1.2)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體訓(xùn)練方式如下：

(S1.2.1)前向傳播：將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，經(jīng)過三層隱藏層的非線性變換，最后到達(dá)輸出層并輸出結(jié)果；若輸出結(jié)果與期望輸出不相符，則執(zhí)行步驟(S1.2.2)進(jìn)行誤差的反向傳播；

(S1.2.2)反向傳播：利用誤差函數(shù)計算輸出結(jié)果與期望輸出之間的誤差，將輸出誤差通過隱藏層向輸入層逐層反傳，并將誤差分?jǐn)偨o各層所有神經(jīng)元使誤差沿梯度方向下降，以各層獲得的誤差作為調(diào)整權(quán)值和閾值的依據(jù)；

(S1.2.3)重復(fù)步驟(S1.2.1)和(S1.2.2)，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的收斂條件，確定與最小輸出誤差相對應(yīng)的權(quán)值和閾值，訓(xùn)練完成。

4.如權(quán)利要求3所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(S1.2.1)中，輸出結(jié)果的計算公式為：

z^l＝w^la^l-1+b^l,a^l＝σ(z^l)

其中，z^l表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第l層所有神經(jīng)元的輸入，w^l表示第(l-1)層神經(jīng)元連接到第l層的神經(jīng)元的權(quán)重，b^l表示第l層神經(jīng)元的偏置，a^l表示第l層的輸出，σ表示激活函數(shù)。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造尺寸預(yù)測及工藝優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(S1.2.2)中，所述誤差函數(shù)公式如下：

式中，J(θ)表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值和期望輸出之間的誤差，θ表示x⁽ⁱ⁾映射為y⁽ⁱ⁾的權(quán)重，x⁽ⁱ⁾是第i組輸入樣本，h_θ(x⁽ⁱ⁾)是第i組輸入樣本的預(yù)測值，y⁽ⁱ⁾是表示第i組樣本的期望輸出，m表示樣本組數(shù)。