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基于CSO-LSSVM模型的选择性激光烧结成型工艺参数优化

蒋成雷 李健 肖亚宁 郭艳玲 王扬威

蒋成雷, 李健, 肖亚宁, 郭艳玲, 王扬威. 基于CSO-LSSVM模型的选择性激光烧结成型工艺参数优化[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 147-155. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.021
引用本文: 蒋成雷, 李健, 肖亚宁, 郭艳玲, 王扬威. 基于CSO-LSSVM模型的选择性激光烧结成型工艺参数优化[J]. 制造技术与机床, 2024, (3): 147-155. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.021
JIANG Chenglei, LI Jian, XIAO Yaning, GUO Yanling, WANG Yangwei. Optimization of selective laser sintering molding processing parameters based on CSO-LSSVM model[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 147-155. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.021
Citation: JIANG Chenglei, LI Jian, XIAO Yaning, GUO Yanling, WANG Yangwei. Optimization of selective laser sintering molding processing parameters based on CSO-LSSVM model[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (3): 147-155. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.021

基于CSO-LSSVM模型的选择性激光烧结成型工艺参数优化

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.03.021
基金项目: 国家自然科学基金项目(52075090);黑龙江省重点研发项目(GA21A403)
详细信息
    作者简介:

    蒋成雷,男,1999年生,硕士研究生,研究方向为增材制造。E-mail:jcl@nefu.edu.cn

    通讯作者:

    李健,男,1985年生,博士,教授,研究方向为增材制造、软体机器人技术、机电一体化技术。E-mail:lijian499@163.com

  • 中图分类号: TH140.7,TP273

Optimization of selective laser sintering molding processing parameters based on CSO-LSSVM model

  • 摘要: 成型收缩是影响选择性激光烧结技术(selective laser sintering,SLS)制件精度的关键因素,而工艺参数对材料烧结情况和收缩变形程度有着明显影响,因此选择合理的参数组合对减小精度误差和改善成型性能质量有着重要意义。为降低SLS成型件工艺参数优化试验成本,文章开发了一种名为CSO-LSSVM成型精度预测模型用于工艺参数的预测。该模型的设计思路是:首先,通过Sine映射、非线性切换因子和针孔成像反向学习等3种改进策略全方面协调增强了蛇优化器(snake optimizer,SO)的收敛精度和寻优速度,接着,将改进后的蛇优化器(chaotic multi-strategy enhanced snake optimizer,CSO)与最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LSSVM)结合,整定关键核函数参数,提高模型预测精度和泛化能力。为验证CSO-LSSVM模型的有效性和优越性,利用Matlab软件在真实数据集基础上将其与LSSVM、BP(back propagation)神经网络以及极限学习机(extreme learning machine,ELM)模型进行对比。结果表明:文中所提方法具有更高的预测精度,其误差评价指标均方根误差、平均绝对百分比误差和平均绝对误差分别为0.546 2、9.487 7、0.401 7。该模型可为SLS成型加工提供最优工艺参数,有效指导加工。

     

  • 图  1  测试样件尺寸参数

    图  2  不同对比算法的收敛曲线

    图  3  CSO-LSSVM预测模型收敛曲线

    图  4  LSSVM与CSO-LSSVM模型在训练集上的预测结果

    图  5  LSSVM与CSO-LSSVM模型在测试集上的预测结果

    图  6  不同模型对比结果

    表  1  正交试验因素水平

    水平 1 2 3 4 5
    激光功率P/W 8 10 12 14 16
    预热温度T/℃ 76 78 80 82 84
    扫描速度V/(mm/s) 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400
    扫描间距L/mm 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
    分层厚度D/mm 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
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    表  2  试验样本数据结果

    实验
    序号
    工艺参数 试验结果
    P/
    W
    T/
    V/
    (mm/s)
    L/
    mm
    D/
    mm
    $ {\varepsilon }_{x} $/
    (%)
    $ {\varepsilon }_{y} $/
    (%)
    $ {\varepsilon }_{{\textit{z}}} $/
    (%)
    Q
    1 8 76 1 600 0.12 0.12 1.57 8.10 3.75 4.82
    2 8 78 2 000 0.18 0.20 1.71 8.00 3.00 5.14
    3 8 80 2 400 0.14 0.18 1.49 9.95 9.00 5.01
    4 8 82 1 800 0.20 0.16 1.11 7.45 7.00 3.75
    5 8 84 2 200 0.16 0.14 1.19 6.65 4.50 3.79
    6 8 80 2 000 0.12 0.16 1.44 6.40 5.50 4.48
    7 8 82 2 200 0.14 0.18 1.86 13.30 9.00 6.20
    8 10 76 2 400 0.18 0.16 0.69 6.85 5.50 2.53
    9 10 78 1 800 0.14 0.14 1.25 8.10 2.75 3.94
    10 10 80 2 200 0.20 0.12 0.80 5.75 2.25 2.58
    11 10 82 1 600 0.16 0.20 1.38 8.15 3.00 4.29
    12 10 84 2 000 0.12 0.18 1.18 5.85 5.50 3.76
    13 10 80 2 000 0.12 0.16 1.19 5.50 2.50 3.61
    14 10 84 2 400 0.16 0.20 1.03 7.80 2.25 3.30
    15 12 76 2 200 0.14 0.20 1.24 7.70 3.25 3.91
    16 12 78 1 600 0.20 0.18 1.59 10.10 7.00 5.17
    17 12 80 2 000 0.16 0.16 1.43 8.75 8.00 4.73
    18 12 82 2 400 0.12 0.14 1.27 7.75 6.50 4.16
    19 12 84 1 800 0.18 0.12 1.52 5.45 3.25 4.51
    20 12 78 1 800 0.18 0.14 1.47 7.15 2.00 4.42
    21 12 82 2 200 0.16 0.18 1.30 10.45 7.25 4.46
    22 14 76 2 000 0.20 0.14 1.21 7.30 8.00 4.06
    23 14 78 2 400 0.16 0.12 0.97 7.00 0.50 3.01
    24 14 80 1 800 0.12 0.20 1.53 7.90 3.50 4.71
    25 14 82 2 200 0.18 0.18 1.11 5.70 1.75 3.37
    26 14 84 1 600 0.14 0.16 1.67 5.85 3.25 4.92
    27 14 76 1 600 0.14 0.16 1.33 7.45 1.00 4.00
    28 14 82 2 400 0.12 0.18 1.27 8.50 8.00 4.31
    29 16 76 1 800 0.16 0.18 1.34 7.20 5.00 4.24
    30 16 78 2 200 0.12 0.16 1.15 5.45 2.00 3.48
    31 16 80 1 600 0.18 0.14 1.03 5.50 0.75 3.08
    32 16 82 2 000 0.14 0.12 0.63 5.20 0.50 1.99
    33 16 84 2 400 0.20 0.20 1.21 6.20 2.75 3.70
    34 16 78 1 800 0.20 0.16 1.23 7.35 5.00 3.95
    35 16 84 2 000 0.16 0.12 1.27 6.45 0.50 3.77
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    表  3  不同对比算法在部分基准测试函数上的优化结果

    函数(最优值) 评价指标 SO WOA HHO SCA RSO TSA CSO
    F1(0) Avg 3.13×10−94 1.38×10−73 2.44×10−97 1.37×10+01 1.92×10−260 1.94×10−194 1.46×10−273
    Std 1.03×10−93 4.86×10−73 1.09×10−96 3.96×10+01 0.00×10+00 0.00×10+00 0.00×10+00
    F3(0) Avg 7.32×10−57 4.35×10+04 1.17×10−75 8.75×10+03 5.56×10−272 1.10×10−181 9.22×10−317
    Std 2.30×10−56 1.45×10+04 6.40×10−75 4.79×10+03 0.00×10+00 0.00×10+00 0.00×10+00
    F5(0) Avg 2.68×10+01 2.79×10+01 1.29×10−02 9.43×10+04 2.89×10+01 2.86×10+01 4.04×10−12
    Std 2.70×10+01 5.15×10−01 2.41×10−02 2.96×10+05 1.69×10−01 3.42×10−01 2.21×10−11
    F9(0) Avg 1.73×10+00 1.89×10−15 0.00×10+00 4.06×10+01 0.00×10+00 1.13×10+01 0.00×10+00
    Std 6.14×10+00 1.04×10−14 0.00×10+00 3.81×10+01 0.00×10+00 2.99×10+01 0.00×10+00
    F10(0) Avg 1.79×10−01 4.68×10−15 8.88×10−16 1.39×10+01 1.01×10−15 4.56×10−15 8.88×10−16
    Std 6.83×10−01 2.63×10−15 0.00×10+00 8.92×10+00 6.49×10−16 6.49×10−16 0.00×10+00
    F13(0) Avg 3.93×10−01 6.10×10−01 9.31×10−05 3.53×10+05 2.92×10+00 2.58×10+00 2.97×10−17
    Std 6.49×10−01 2.76×10−01 1.04×10−04 1.24×10+06 2.12×10−01 2.98×10−01 1.61×10−16
    F15(0.0003) Avg 4.40×10−04 5.89×10−04 4.07×10−04 1.12×10−03 1.76×10−03 1.04×10−02 3.21×10−04
    Std 1.38×10−04 3.10×10−04 2.62×10−04 3.65×10−04 3.54×10−03 2.11×10−02 7.56×10−05
    F21(-10.1532) Avg −10.138 5 −8.357 8 −5.519 2 −2.628 6 −0.607 7 −7.246 1 −10.152 2
    Std 5.90×10−02 2.43×10+00 1.42×10+00 1.95×10+00 2.67×10−01 1.58×10+00 5.68×10−03
    F22(−10.4028) Avg −10.402 6 −7.842 4 −5.256 3 −3.017 7 −1.336 0 −6.202 6 −10.402 9
    Std 2.03×10−03 3.02×10+00 9.53×10−01 1.81×10+00 9.19×10−01 2.43×10+00 3.71×10−06
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    表  4  不同模型在测试集的预测值与真实值对比结果

    实验
    序号
    真实值 LSSVM
    模型
    BP神经
    网络
    ELM
    模型
    CSO-LSSVM
    模型
    9 3.94 4.35 5.02 4.25 4.00
    11 4.29 4.97 4.78 5.39 4.00
    14 3.30 4.70 4.96 4.52 4.00
    16 5.17 4.44 5.68 3.55 4.00
    18 4.16 3.32 3.40 2.29 4.00
    28 4.31 3.76 3.48 3.26 4.00
    35 3.77 2.99 2.26 2.37 3.89
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    表  5  不同模型的性能评估对比结果

    类型 评价
    指标
    LSSVM
    模型
    BP神经
    网络
    ELM
    模型
    CSO-LSSVM
    模型
    测试集 RMSE 0.822 9 1.066 5 1.306 1 0.546 2
    MAPE/(%) 19.487 0 25.214 0 29.702 0 9.487 7
    MAE 0.769 7 0.976 7 1.222 4 0.401 7
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