机械设计制造及其自动化毕业论文3

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1、安徽建筑工业学院毕业设计（论文）安徽建筑工业学院毕 业 设 计（论 文）系 别： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 08机械（2）班 姓 名： 朱 洪 学 号： 08210010234 课题名称：实验设计（DOE）技术在激光加工工艺 参数优化中的应用 指导老师： 陈 雪 辉 2012年 5月 9日摘 要DOE（Design of Experiment）实验设计，一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法；实验设计主要对实验进行合理安排，以较小的实验规模（实验次数）、较短的实验周期和较低的实验成本，得理想的实验结果以及得出科学的结论。参数优化是达到设计目标的一种方法，

2、通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，使得设计结果不断接近参数化的目标值。 模型参数优化是通过极小化目标函数使得模型输出和实际观测数据之间达到最佳的拟合程度，由于环境模型本身的复杂性，常规优化算法难以达到参数空间上的全局最优。近年来，随着计算机运算效率的快速提高，直接优化方法得到了进一步开发与广泛应用。针对激光加工质量的问题，对激光加工各种参数进行了分析。以激光加工质量优化为目标，运用实验设计分析方法，利用hyperstudy中的实验设计（DOE）模块对激光加工中各种工艺参数进行了分析与计算，获得经过实际试验验证的一组最佳激光加工工艺参数。关键词：实验设计，参数优化，激光加工

3、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 lowe

4、rtest 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 parame

5、ters 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 complexity of the environment of the model itself, the conventional optimization algorithms is difficult to achieve the globa

6、l optimum in the parameter space.In recent years, with the rapid increase in computing 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 proces

7、sing 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

8、: experimental design, parameter optimization, laser processing.目录第1章 绪 论11.1 实验设计简述11.2 课题的来源11.3本课题的研究思路与研究方法31.4 本章小结3第2章 HYPERWORKS软件介绍及HYPERSTUDY优化简介42.1 HYPERWORKS软件介绍42.2 参数优化的相关知识52.3 HYPERSTUDY软件的相关知识52.3.1 HYPERSTUDY的简单介绍52.3.2 HYPERSTUDY中DOE研究62.3.3 HYPERSTUDY中优化研究72.4 本章小结8第3章 实验数据的收集与整理

9、93.1 激光加工简述93.1.1技术简述93.1.2 现状及国内外发展趋势93.2 工艺参数的收集与整理113.2.1各组实验数据处理图形如下：123.2.2实验变量和结果：153.3 本章小结16第4章 激光加工工艺参数的优化174.1创建Excel电子表格174.2 以第二组实验为例建立分析模型174.3 第二组实验的实验设计（DOE）分析和近似214.4 进行优化研究234.5 DOE分析结果及最优参数选择254.6其余各组的优化方案和结果264.6.1 各组的软件分析图和分析结果264.6.2 最终分析结果304.7 本章小结31第5章 总结与展望325.1 课题的总结325.2 课

10、题的展望32致谢33参考文献34附录 A 毕业设计任务书35附录 B 科技文献翻译38附录 C 开题报告58附录 D 安徽建筑工业学院2010届毕业设计（论文）选题审批表65第1章 绪 论1.1 实验设计简述DOE（Design of Experiment）实验设计，一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法；实验设计主要对实验进行合理安排，以较小的实验规模（实验次数）、较短的实验周期和较低的实验成本，得理想的实验结果以及得出科学的结论。实验设计源于1920年代研究育种的科学家Dr. Fisher的研究, Dr. Fisher是大家一致公认的此方法策略的创始者, 但后续努力集其大成, 而使DOE

11、在工业界得以普及且发扬光大者, 则非Dr. Taguchi （田口玄一博士） 莫属。实验设计作为质量管理领域相对复杂、高级的统计方法应用，开始在国内被逐渐接受，推广。其实实验设计对于我国学术界来说并不陌生。比如均匀设计，均匀设计是中国统计学家方开泰教授和中科院院士王元首创，是处理多因素多水平实验设计的卓有成效的实验技术，可用较少的实验次数，完成复杂的科研课题开发和研究。 国内一些大学的数学系和统计系近年来已经逐渐开始开设专门的试验设计课程，比如清华大学，电子科技大学、复旦大学等高校。 国内一些行业领先的企业，比如中石化，华为科技，中石油，宝钢等企业，也开始在质量管理和产品研发、工艺改进等领域采

12、用DOE方法。1.2 课题的来源 作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据19971998年的最新激光市场评述和预测，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14%，其中材料加工为8.29亿美元，医疗应用4亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19%，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加

13、工预计超过10亿美元，医用激光器是国外第二大应用。 激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70%和20%，表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50%）和切割（15%）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080%。我国激光加工中以切割为主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW2kW范围内，而以热处理为主的约占15%，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。 在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅

14、节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。 80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来

15、越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。 目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输

16、出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。对激光加工工艺参数的优化，将极大地改善激光加工的性能。对于应用越来越广泛的激光加工技术，其参数的优化也可以改善各个行业的效率与业绩，对于生产与生活有着十分重要的意义。1.3本课题的研究思路与研究方法 根据现有的实验设计（DOE）研究资料，本文将运用hyperstudy软件，寻求一种合适的实验设计分析方法，针对激光实验加工中得到的大量试验数据进行归门别类，对各种不同的激光加工工艺参数的优化，在最终得到最优的激光加工工艺参数。

17、研究方法如下： 1.研究激光加工工艺，收集激光加工工艺参数参数，整理实验参数。 2.研究实验设计知识，学习实验设计分析方法，了解实验设计的方法与应用。3.研究hyperstudy软件优化过程，尝试利用hyperstudy中实验设计（DOE）模块对各种参数进行优化，了解优化的过程与结果，得出优化方法。4定义分析，建立模型，建立响应。5.输入实验参数，得出优化结果，收到最优加工参数。1.4 本章小结本章主要介绍实验设计的发展情况，主要包括国外和国内的发展情况以及对于激光加工工艺参数优化的研究情况进而引出课题，确定课题研究的思路和方法。第2章 HYPERWORKS软件介绍及HYPERSTUDY优化简

18、介2.1 HYPERWORKS软件介绍HyperWorks 构建于设计优化、性能数据管理和流程自动化的基础理念之上，HyperWorks是一个企业级的仿真解决方案，用于加快企业设计开发和决策过程。作为业界最全面的开放构架的CAE解决方案，HypeWorks包括第一流的建模、分析、可视化和数据管理解决方案，能够用于线性、非线性、结构优化、流固耦合和多刚体动力学等多个方面。 在汽车领域，其研究对象已涵盖了车身、动力和底盘三大系统，研究内容包含了结构分析、工艺分析、动力学分析、内外流场分析和安全分析等多个方面。仅对于车身结构分析而言，应用CAE技术已经能得到包括刚度、强度、模态以及疲劳寿命等参数。H

19、yperWorks包括以下模块：Altair HyperMesh高性能、开放式有限单元前后处理器，让您在一个高度交互和可视化的环境下验证及分析多种设计情况。Altair MotionView通用多体系统动力学仿真及工程数据前后处理器，它在一个直观的用户界面中结合了交互式三维动画和强大无比的曲线图绘制功能。Altair HyperGraph强大的数据分析和图表绘制工具，具有多种流行的工程文件格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能、以及先进的定制能力和高质量的报告生成器。 Altair HyperForm集成HyperMesh强大的功能和金属成型单步求解器，是一个使用逆向逼近方法的金属板材成型仿真

20、有限元软件。 Altair HyperOpt使用各种分析软件进行参数研究和模型调整的非线性优化工具。Altair OptiStruct世界领先的基于有限元的优化工具，使用拓扑优化方法进行概念设计。Altair OptiStruct/FEA基本线性静态、特征值分析模块。创新、灵活、合理的许可证无论是单机版还是网络版，HyperWorks 许可单位（HWUs）都是平行的，所以不管你运行多少个HyperWorks模块，只有需要HWUs最多的模块才占用HWUs数。2.2 参数优化的相关知识参数优化是达到设计目标的一种方法，通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，使得设计结果不断接近参数

21、化的目标值。 模型参数优化是通过极小化目标函数使得模型输出和实际观测数据之间达到最佳的拟合程度，由于环境模型本身的复杂性，常规优化算法难以达到参数空间上的全局最优。近年来，随着计算机运算效率的快速提高，直接优化方法得到了进一步开发与广泛应用。 优化模型参数，以满足设计要求的过程包括以下任务： 1. 指定设计要求 2. 参数化设计目标 3. 指定优化选项 4. 运行优化2.3 HYPERSTUDY软件的相关知识2.3.1 HYPERSTUDY的简单介绍HyperStudy是一个HyperWorks软件包中的一款主要产品。它主要用于CAE环境下DOE （试验设计），优化，以及随机分析研究。Hype

22、rStudy的前身是Altair公司HyperWorks系列产品中的StudyWizard。HyperStudy具有导向式结构易于学习。适用于研究不同变化条件下设计变量的特性，包括非线形特性。还能应用在合并不同类型分析的跨学科领域中。模型易于参数化。除了传统意义上定义输入资料为设计变量，有限元的形状也能够被参数化。HyperStudy具有良好的集成性，可以从HyperMesh, HyperForm, 和MotionView 软件直接启动同时获取设计参量等。HyperMorph 可用于是形状参数的生成。同时可与多种外部求解器合并使用，进行线性和非线性的DOE、优化和随机分析。外部求解器类型Aba

23、qus Ansys XY data Dads LS-Dyna Adams Pam-Crash Nastran Excel data Madymo Altair OptiStruct Simpack Altair HyperForm Radioss Altair MotionSolve HyperMesh result file 2.3.2 HYPERSTUDY中DOE研究DOE又称实验设计，目的在于进行实验设计以减少实验次数，并且保证获得充分的信息，从而简化数据处理，节省人力物力和时间。正确合理的实验设计，可使实验结果的可靠性显著提高。实验设计还可以为寻求参数的优化数值和选择最佳工艺方案指明方

24、向。实验研究的目标在于研究参数变化对于模型特性的影响，确定哪一种因素对于特定响应最具有影响。确定输入变量为何值时使得响应接近期望值，或者输出响应的变化性非常小，以及非控制变量的效应最小化。试验设计能够定义一系列测试用于有目的识别或观察参数变化对输出响应变化。在这种研究中，设计变量的影响和相互作用也作为研究对象，模型重复计算按照设定的一系列的组合参数。响应被描述为的参数代数表达式函数，即称为响应面，也就是建立一个近似模型被用做实际问题精确求解的替代模型。模型的响应面一经产生，这些响应面就被作为整个精确求解方法的代理表达式。新的设计变量的组合不再用于原来的求解过程中，而是被插入响应面方程以快速估算

25、模型的响应，不需要实际运算整个分析。实验研究类型 MJwCAEworksFull factorial全参数法 Fractional factorial部分参数法 Box-Behnken法 Plackett-Burman法 Central composite designs中心复合法 Latin HyperCube拉丁超立方体法 用户自定义型 设计变量连续型（Continuous） 离散型（Discrete ） 字符串型（String）后处理主要效果（Main effects） 变异数分析（Analysis of Variance （ANOVA） 敏感度指数（Sensitivity index）

26、 回归函数（Polynomial regressions ） 残差分析（Residuals） 诊断信息（Diagnostics） 控制因子交互作用（Controlled factor interactions） 非控制因子交互作用（Uncontrolled factor interactions） 控制因子与非控制因子交互作用（Controlled - uncontrolled factor interactions） Excel 表评定分析（MS Excel spreadsheet for trade-off studies） 2.3.3 HYPERSTUDY中优化研究 优化研究用于寻找参数

27、的最佳设定以满足一定数目约束下的特定目标最大化（最小化或趋近设定值）。利用HyperStudy的向导系统定义设计参数，从求解的模型结果中提取数据来定义作为响应，再把响应分别定义为约束和目标进行优化研究。利用其提供的优化引擎，将求解器或响应面方程纳入优化计算循环，不断调整在求解模型文件中设定的参数值，再求解，之后比较每一次的响应计算结果，从而完成优化循环。它可与多种外部求解器合并使用用于线性和非线性的优化分析，如耐撞性设计、多体动力系统模拟、金属成形模拟、计算流体动力学（CFD），以及多学科性问题。算法响应面算法（HyperOpt） 可行方向法 用户自定义算法设计变量连续型（Continuous

28、） 离散型（Discrete） 跨学科综合研究模型（Multiple models for multi-disciplinary studies） 后处理XY曲线绘制目标函数 设计约束条件 设计变量 绘制设计变量2.4 本章小结 本章主要介绍了HYPERWORKS/HYPERSTUDY相关方面的知识，同时讲述了有关参数优化以及如何利用HYPERSTUDY中实验设计（DOE）模块来进行参数优化。第3章 实验数据的收集与整理3.1 激光加工简述3.1.1技术简述激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术

29、是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：1激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。3.1.2 现状及国内外发展趋势作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据19971998年的最新激光市场评述和

30、预测，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14，其中材料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预计超过10亿美元，医用激光器是国外第二大应用。激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70和20，表面处理则不到10。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50）和切割（15）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080。我国激光加工中以切割为主的占10，其中98以上的CO2激光器，功率在1.5kW2kW范围内，而以热处理为主的约占15，大多数是进行激

31、光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和

32、计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等

33、行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为：新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6，1997年翻了一倍达12，1998

34、年已增加到19；加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90以上。存在的主要问题：科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；激光加工系统的核心部件激光

35、器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。激光加工设备的可靠性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。3.2 工艺参数的收集与整理表3-1实验不变参数加工长度加工图形加工速度V波形脉宽激光功率If加清水，射流压力0.1MPa21cm直线4mm/s41.0ms100A415mm直线42.5ms150A35HZ5点4mm/s41.5ms20HZ6点4mm/s4300A20HZ7点

36、4mm/s42.3ms300A815cm直线42.0ms250A加915mm直线1.5mm/s42.0ms26Hz加1015cm直线42.0ms250A1115mm直线1.5mm/s42.0ms26Hz3.2.1各组实验数据处理图形如下：图3-1 f与宽度的拟合曲线（注：红线均为拟合后的曲线，黑线为原数据曲线）图3-2 速度与宽度的拟合曲线图3-3 激光功率与宽度拟合曲线图3-4 脉宽与半径拟合曲线图3-5 f与半径的拟合曲线图3-6 f与宽度的拟合曲线图3-7 激光功率与宽度的拟合曲线图3-8 f与宽度的拟合曲线图3-9 激光功率与宽度拟合曲线3.2.2实验变量和结果：表3-2 实验变量F（

37、HZ）F（HZ）21107152215727232073924257411253074132635761527407717284578192950792121055F（HZ）加工速度V（mm/s）8115411.08220421.58325432.08430442.58535453.08640463.5激光功率I（A）激光功率I（A）911505115092170521759319053200942105422595230552509625056275F（HZ）5730010120583251022259350103245103751042651140010528脉宽（ms）10630610.

38、5激光功率I（A）620.8111150631.1112170641.4113190651.7114210662.0115230672.3116250表3-3 实验结果样品编号宽度（mm）半径（mm）样品编号宽度（mm）半径（mm）2-10.2607710.2275220.2753720.1458230.2657730.0828240.242740.267250.179750.3366260.3207760.2338270.354770.3603280.4313780.3661290.3337790.32032100.3065810.594410.2993820.523420.425830.5

39、997430.3973840.7187440.5323850.674450.593860.7427460.5973910.9207510.1177920.858520.0846930.9293530.1313940.7563540.1177950.7983550.1049960.4708560.28611010.477570.10731020.557580.34241030.45590.27611040.56035100.11421050.76475110.13341060.5603610.14691110.5857620.14761120.5993630.19621130.6093640.2

40、9061140.6187650.35711150.675660.23771160.70167037113.3 本章小结本章主要简述了激光加工技术以及这项技术的现状和发展，收集了激光加工的9个样品共66组加工参数，并且分门别类的对这些数据进行了进一步的整理。第4章 激光加工工艺参数的优化 在前面的一章中，我们共做了九个样品的加工实验。对于这九组实验，分别以参数变量和结果为设计变量和响应建立Execl电子表格来进行参数优化。4.1创建Excel电子表格以第二组实验为例，首先建立一个Excel电子表格。表格共3列，第一列是实验的编号，第二列是设计变量（即参数变量），第三列是响应（即实验结果）。然后依

41、此类推，对其余八组实验分别创建Excel电子表格。图4-1 Excel电子表格4.2 以第二组实验为例建立分析模型1创建一个hyperstudy可以评估的输入矩阵具体步骤如下：（1） 在Excel中打开的电子表格。（2） 检查Excel表格中的信息，找到设计变量与响应分别对应的列。（3） 将Excel表格保存为后缀是“.txt”的文本文档格式。2 进入hyperstudy界面，完成第一步研究设置的操作 Hyperstudy软件的流程树中共有五个大的部分，其中第一步的研究设置共有七个小的步骤：创建研究、创建模型、创建设计变量、做名义运行、创建响应、连接设计变量、敏感性。在这个优化中，我将其分为三

42、个步骤来做，具体步骤如下： 1）创建模型和定义设计变量：（1）由开始菜单栏中直接打开hyperstudy软件。图4-2 hyperstudy软件操作界面（2）单击Add Study按钮，选择New，弹出一个小窗口，单击OK按钮，创建了一个Study_1，在Study directory下选择了工作目录（C:excel2）。图4-3 创建研究对话框（3）单击Next按钮，进入到创建模型界面。（4）单击Add model，从组合框中选择模型类型HyperStudy，单击OK按钮，Model_1被添加到列表中。图4-4 创建模型对话框（7）单击Next按钮，进入创建设计变量界面。（8）单击Add D

43、esign Variable按钮，单击OK按钮，创建并定义设计变量DesVar_1进行研究。图4-5 创建变量对话框（9）单击Next按钮，进入到做名义运行界面。2）创建响应（1）单击Next按钮，进入到创建响应界面。（2）单击Add Response按钮，点击Apply两次，点击Cancel创建两个响应Response_1和Response_2。图4-6 响应创建界面（3）先左击然后再右击Response_1，把Response_1改为index，这个响应将作为计数器来使用。并在Response expression field中输入congvert（getenv（STUDY_RUN_NUM

44、BER：）-1。（4）双击Response_2，会出现一个HyperStudy - Response ExpressionBuilder窗口，在Vectors中单击Add按钮，创建了一个Vector 1。图4-7 创建向量对话框（5）在Vector resource file中选择前面保存的“.txt”文件，在Vector file type中选择Reference file，并对其进行定义。图4-8 向量定义模块（6）点击Apply，编辑响应表达式,输入v_1r_1。点击评估响应表达式盒，表达式v_1r_1应该改变到0.02607。图4-9 评估响应表达式盒（7）单击OK按钮。3）关于敏感性

45、（1）单击Next按钮，进入敏感性界面，单击Continue to按钮，选择DOE Study。4.3 第二组实验的实验设计（DOE）分析和近似 Hyperstudy软件流程树中第二和第三部分分别是实验设计（DOE）和近似。这两块分为两大步骤来做，具体步骤如下： 1）在电子表格中输入试验设计与结果 （1）单击Add DOE Study，单击OK按钮，创建DOE分析时，Controlled factors中的DOE Class选择Run Matrix，并相应选择先前得到的.txt文件。图4-10 DOE研究建立对话框 （2）单击Next进入控制变量界面，检查设计变量。 （3）单击Next进入相互

46、约束界面，在这个界面中，不需要编辑。（4）单击Next进入控制分配界面，这里是连接运行矩阵中设计变量的列。在界面右边，使用下拉菜单，将Col 0变为None、dv_1分配到第二个矩阵列（Col 1）。单击Apply。图4-11 控制分配模块 （5）点击Next三次进入提取反应界面。单击 Extract 。图4-12 提取反应模块2）创建一个近似。（1）在流程树中点击Create approximation前面的空白框，进入创建近似界面。单击Add，在Approximation Type中选择Moving Least Squares，选中Add to all，单击OK按钮。图4-13 创建近似对

47、话框（2）单击Next进入导入矩阵界面。单击Import Matrix，单击OK按钮。图4-14 导入矩阵对话框（3）在流程树中选择Build Approximation，进入构建近似界面，将Order修改到2，单击Build，然后进入剩余误差界面验证这一改进。图4-15 构建近似模块4.4 进行优化研究Hyperstudy流程树中第四个部分是优化研究，其具体步骤如下：（1）树中选择Create optimization study前面的空白框，进入到创建优化研究界面。图4-16 流程树中创建优化部分（2）单击Add Optimization，然后单击OK按钮，一个新的优化研究optimiza

48、tion_1将被创建在界面左边的optimization框中。图4-17 创建优化研究对话框（3）在界面右边的Optimization Engine下拉菜单中选择（ARSM） - Adaptive Response Surface Method。图4-18 优化选项选择菜单（4）单击Next进入定义设计变量界面，这里可以查看设计变量，并对其各个选项进行修改。（5）单击Next进入约束条件界面。（6）单击Add constraint。（7）单击OK按钮。（8）在Aply Constraint On下拉菜单中选择Response_2，在Bound Type下拉菜单中选择=，在Evaluate Fr

49、om下拉菜单中选择MLSM_1。（9）单击Next进入目标界面，单击Add objective，单击OK按钮。图4-19 建立目标对话框（10）在objective下拉菜单中选择Minimize，单击Launch Optimization，得出优化结果并对其进行检查。图4-20 优化目标图图4-21 优化列表4.5 DOE分析结果及最优参数选择图4-22 DOE分析数据表图4-22 拟合曲线图图4-23 第二组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，第五组参数对结果影响结果最佳即25（二号样品的第五组参数）情况最满足要求，故二号样品的最优设计参数为f=30HZ。4.6其余各组的优化

50、方案和结果重复4.2到4.4，注意其中的差别，对其余八组实验分别进行优化处理，得出各组的优化处理结果，并总结得出最优的激光加工工艺参数。4.6.1 各组的软件分析图和分析结果1.第四组实验：图4-24 第四组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，42（四号样品的第二组参数）情况最满足要求，故四号样品的最优设计参数为加工速度V=1.5mm/s。2.第五组实验：图4-25 第五组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，57（五号样品的第七组参数）情况最满足要求，故五号样品的最优设计参数为激光功率I=300A。3.第六组实验：图4-26 第六组实验用二乘回归法进行的近似分析

51、图从DOE分析结果看，61（六号样品的第一组参数）情况最满足要求，故六号样品的最优设计参数为脉宽：0.5ms。4.第七组实验：图4-27 第七组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，72（七号样品的第二组参数）情况最满足要求，故七号样品的最优设计参数为f=7HZ。5.第八组实验：图4-28 第八组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，82（八号样品的第二组参数）情况最满足要求，故八号样品的最优设计参数为激光功率f=22HZ。6.第九组实验：图4-29 第九组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，96（九号样品的第六组参数）情况最满足要求，故九号样品的最

52、优设计参数为激光功率I=250A。7.第十组实验：图4-30 第十组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，103（十号样品的第三组参数）情况最满足要求，故十号样品的最优设计参数为f=22HZ。8：第十一组实验：图4-31 第十一组实验用二乘回归法进行的近似分析图从DOE分析结果看，111（十一号样品的第一组参数）情况最满足要求，故十一号样品的最优设计参数为激光功率I=150A。4.6.2 最终分析结果 进过各组实验试验参数及结果优化分析后，从各组结果看，最符合要求的即最优的激光加工工艺参数为： （1）第二、四、八、九、十、十一组实验优化结果综合分析得：加工图形为直线，加工速度V=

53、1.5mm/s，波形：4，脉宽：1.0ms，激光功率I=250A，f=30HZ，加清水、射流压力0.1MPa ； （2）第五、六、七组实验优化结果综合分析得：加工图形为点，加工速度V=4mm/s,波形：4，脉宽：0.5ms，激光功率：I=150A，f=7HZ。4.7 本章小结 本章应用hyperstudy软件中实验设计（DOE）模块对前面得到的试验参数进行优化处理，得出了最优的激光加工工艺参数，并对此结果进行了分析与研究。第5章 总结与展望5.1 课题的总结 激光加工技术是现代工业中应用非常广泛的一项加工技术，激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接

54、、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工技术中有着许多工艺参数，这些工艺参数对于激光加工的结果有着十分重要的影响。因此，本文提出了一种针对激光实验加工中得到的大量试验数据进行归门别类，借助HyperWorks/Hypersyudy中的实验设计（DOE）模块进行各种不同的激光加工工艺参数的优化，在最终得到最优的激光加工工艺参数。本文主要进行了以下研究工作： 1、对实验设计（DOE）和激光加工的理论知识进行了分析总结，研

55、究了激光加工参数对激光加工结果的影响，并利用实验设计的方法，研究根据激光加工结果得出最有激光加工参数。 2、研究HyperWorks/Hypersyudy软件理论知识、基本原理和功能，学会利用Hypersyudy软件中实验设计（DOE）模块来进行优化研究的各个具体步骤。 3、进行激光加工实验，收集在各种不同激光加工参数条件下的激光加工实验结果，并对收集到的各项数据进行归类和整理。 4、将收集的激光加工参数与结果制作成Excel表格，利用hyperstudy软件中实验设计（DOE）模块对其进行优化处理，得出最优的激光加工工艺参数。5.2 课题的展望得出的优化结果是在近似处理后得到的，而测量的参数

56、组较少，其结果并不十分准确，与实际激光加工有一定差距。要得到更准确的优化结果，需要更多的实验，以便得到对激光加工加工工艺参数对激光加工最真是的影响结果，从而得出最优的工艺参数。致谢在此，首先要感谢我尊敬的指导老师陈雪辉老师，本文是在陈老师的悉心指导下完成的。在毕业设计期间，陈老师给予了我很大的帮助和教导。从论文的选定到实验研究，从资料收集到方案确定，陈雪辉老师都给了我大量的中肯的建议和意见，我的每步工作都凝聚了陈老师的辛勤汗水。正是由于陈老师的悉心指导，我的毕业设计得以顺利完成。在此表达我对陈雪辉老师的感激之情。我还要感谢在四年大学学习生涯中，传授我知识的每一位老师，是你们教会了我很多知识和做

57、人的道理，正是你们的言传身教，在一定意义上帮助我顺利完成了本次毕业设计。再次向全体老师表示衷心的谢意！互换性与技术测量是陈老师教授的第一门课程。陈雪辉老师的严谨的治学态度和忘我的工作精神以及高尚的师德给我留下了深深的影响，这将激励我更好地完成今后的学习和工作。同时，我还得感谢在我的大学四年求学中，传授给我知识的老师们，正是你们无私的传道授业解惑精神，使我有了良好的专业知识，从而也使我的毕业设计得以顺利完成。我还要感谢在我的毕业设计过程中，帮助我的同学以及室友们，正是通过问题的交流探讨，使我遇到的困惑得到明朗。以及室友们共同营造的毕业设计的积极氛围，在一定程度上也使得我的毕业设计顺利完成。最后，

58、谨向百忙之中审阅论文和参加答辩的每一位老师表示由衷的谢意！ 朱洪66参考文献1 闵亚能. 实验设计（DOE）应用指南. 北京:机械工业出版社，20102 张润楚，郑海涛，兰燕，艾明要. 试验设计与分析及参数优化. 北京：中国统计出版社，2006.3 王伯平. 试验设计与分析.北京: 中国农业出版社,2004.4 周建忠，刘慧霞.激光工艺制造指标，激光工艺制造规范.化学工业出版社，20105 张胜兰. 基于Hyperworks的结构优化设计技术 .20086 李楚琳.张胜兰.冯樱 Hyperworks分析应用实例 .2008 7 刘莹，王强，李小兵.准分子激光加工工艺参数优化.2011 8 Yijun Liu. Introduction to the Finite Element Method. CAE Research Laboratory Mechanical Engineering Department University of Cincinnati，2003.59 胡于进，王璋奇.有限元分析及应用，清华大学