基于神经网络的双层辉光离子渗金属工艺预测模型(二号黑体)

第39卷第2期2003年2月机械工程学报CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.39No.2Feb.2003基于神经网络的双层辉光离子渗金属工艺预测模型(二号黑体)*董宏林1闫颖鑫2王科俊2段广仁2(四号仿宋)(1.南京理工大学计算机科学与技术学院南京210094；（五号宋体）2.哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001)摘要（小五黑体）：将人工神经网络理论和算法应用于双层辉光离子渗金属工艺的研究，在对网络进行训练的基础上，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层表面成分和元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的数学模型，试验结果与计算结果十分吻合。（小五宋体）关键词（小五黑体）：双层辉光人工神经网络预测模型（小五宋体）中图分类号（小五黑体）：TG156（小五宋体）ResearchonANN-basedPredictionModelUsedtoDoubleGlowPlasmaSurfaceAlloyingProcessing（小三）XXX（姓大写）XxxxxxXXXXxxxxx（小四）(1.CollegeofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100081;2.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030)（五号）Abstract（小五黑体）：Thetheoryandthealgorithmoftheartificialneuralnetworkareappliedintheresearchofthetechniqueandthecomposition,thegrossmassfractionofelement,thethicknessofsurfacealloyinglayeraswellastheabsorptionrateisbuilt.Thecalculationresultsareingoodagreementwiththeexperimentalresults.（小五）Keywords（小五黑体）：DoubleglowArtificialneuralnetworkPredictionmodel0前言（四号宋体）*（五号宋体）双层辉光离子渗金属技术是我国在国内外都获得专利的一项等离子表面冶金新技术[1～4],它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化学性质的表面合金层。双层辉光离子多元共渗是一个非常复杂的问题，各种合金元素在源极表面溅射的特性、工件表面的沉积扩散，等离子体空间传输存在较大的差异。而且宏观工艺参数较多，它们之间相互作用关系复杂，以往人们都是借助于经验，很难找到反映其内在规律的数学模型。人工神经网络理论的提出与发展为研究非线性系统提供了一种强有力的工具，它已成功的应用于许多研究领域，在材料热处理学科的应用越来越受∗国家自然科学基金资助项目(7150080050)。20010705收到初稿，20020515收到修改稿（六号宋体，此处为角注，和正文分开）到重视[5,6]。首次以美国HAYEN公司生产的HastelloyC—2000镍基耐蚀合金为源极，进行Ni-Cr-Mo-Cu多元共渗工艺研究。利用人工神经网络技术，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层合金成分及合金元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的预测模型。1试验方法和试验方案（四号宋体）1.1试验方法渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉中进行，源极材料为HastelloyC—2000合金，尺寸为130mm×50mm×4mm，工件材料为20钢，尺寸为80mm×25mm×3mm。采用脉冲放电模式：源极采用直流电源，工件采用脉冲电源。源极材料HastelloyC—2000的质量分数：wNi=59%，wMo=16%，wCr=23%，wCu=1.6%，wC＜0.01%。月2003年2月徐江等：基于神经网络的双层辉光离子渗金属工艺预测模型的研究671.2试验方案（五号黑体）为了选定正交试验各个工艺参数的取值范围，先结合以往试验研究的经验，然后又进行了20余炉的摸索性试验，确定了正交工艺参数。正交试验按照L16(45)正交表进行试验。指标项目为渗层表面合金元素成分及总质量分数、渗层厚度和吸收率。因素水平表如表1所示。表1因素水平表（小五宋体）水平因素（六号宋体）1234源极电压U／V10501000950900工件电压U／V275250350300气压p／Pa35304540极间距d／mm15202522.52数学模型在网络学习部分，采用三层BP神经网络来完成函数的映射。误差逆传播神经网络是一种具有三层或三层以上的阶层型神经网络，如图所示为一个三层前馈神经网络：它包括输入层、隐含层(中间层)、输出层；输入层有i个节点，隐含层有j个节点，输出层有t个节点。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一单元与上层的每一单元都实现权连接，而每层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元激活值从输入层经各中间层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。这以后，按减小希望输出与实际输出之间误差的方向，从输出层经各中间层逐层修正各连接权值，最后回到输入层。图1典型BP网络示意图（小五宋体）算法步骤：(1)设置初始权系w(0)为较小的随机非零值。(2)给定输入/输出样本对，计算网络的输出：设第p组样本输入、输出分别为up=(u1p,u2p,…,unp)dp=(d1p,d2p,…,dnp)p=1,2,…,L节点i在第p组样本输入时，输出为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡==∑jjpijipipΙtwftxfy)()]([(1)式中IjP——在第p组样本输入时，节点i的第j个输入f是激励函数，采用Sigmoid型，即xexf+=11)((2)可由输入层经隐层至输出层，求得网络输出层节点的输入。(3)计算网络的目标函数J设Ep为在第p组样本输入时网络的目标函数，取L2范数，则[])(21)(21)(21)(2223tetydtydtEkkpkkpkpppp∑∑=−=−=(3)式中ykp(t)——在第p组样本输入时，经t次权值调整网络的输出，k是输出层第k个节点网络的总目标函数为)()(tEtJpP∑=(4)作为对网络学习状况的评价。判别：若J≤ε(5)式中ε——预先确定的，ε≥0则算法结束，否则，至步骤(4)。(4)反向传播计算由输出层，依据J按“梯度下降法”反向计算，逐层调整权值。−=∂∂−=+)()()()()1(twtwtJηtwtwijijijij)()()()(twtwtwtEηijijpijpΛ+=∂∂∑(6)式中η——步长或称为学习率，本文中n取1000000，η取0.93计算结果与比较为检验程序的可靠性与实用性，对双层辉光离子多元共渗工艺参数：源极电压、工件电压、极间距、气压对渗层表面的合金元素总质量分数、渗层月2003年2月徐江等：基于神经网络的双层辉光离子渗金属工艺预测模型的研究68厚度、各合金元素质量分数、吸收率(工件增重/源网络训练准确可靠，同时又具有一定的推广能力，在正交试验16组数据中选择13组作为训练样本，余下的3组以及正交优化工艺作为检测样本。经过1000000次训练的试验数据与计算结果的比较见表2、表3。表2预测渗层表面的成分质量分数w/%编号NiCrMoCu549.88114.69511.3651.605预测值51.73416.96211.2111.6611250.51416.69114.0710.912预测值51.17117.50913.0480.4151650.29019.1646.4801.308预测值50.82618.1047.81301.3331757.16819.65514.7321.353预测值59.89120.10712.1631.403从表2、表3可以看出训练样本和检测样本的网络实际输出值与期望值都很接近，说明应用神经网络描述双层辉光离子渗金属工艺参数与渗层的表面合金成分和合金总质量分数、渗层厚度、吸收率之间的映射模型是十分有效的。表3人工神经网络训练与预测值吸收率s∕%渗层厚度δ∕μm元素总质量分数w∕%试验编号源极电压U∕V工件电压U∕V极间距d∕mm气压p∕Pa试验值预测值试验值预测值试验值预测值1111170.90070.58734.534.57987.49687.4372122261.20060.87136.536.38089.79689.2373133333.33032.84719.019.24584.89584.5084144444.65044.40121.020.87177.57977.3215*212348.10047.75325.524.95077.54676.79617*121179.34080.92038.038.45992.90892.210注：*为检测样本值，试验编号17为正交优化工艺（六号宋体）4结论(1)。。。。。(2)。。。。。。。(3)。。。。。。(4)。。。。。。。参考文献（五号黑体）[1]IMLACHJ,BLAIRBJ,ALLAIREP.Measuredandpredictedforceandstiffnesscharacteristicofindustrialmagneticbearings[J].Trans.ASMEJ.Tribol.,1991,113：784-788.[2]ANTILAM,LANTTOE,ARKKIOA.Determinationofforceandlinearizedparametersofradialactivemagneticbearingsbyfiniteelementtechnique[J].IEEETrans.onMagn.1998,34(3)：684-694.[3]MIZUNOT,ARAKIK,BLEULERH.Stabilityanalysisofself-sensingmagneticbearingcontrollers[J].IEEETrans.Contr.Syst.Technol.,1996,4：572-579.[4]DAVIDC,MEEKEREH,MYOUNGYUDN.Anaugmentanaugmentedcurrentsmodelformagneticbearingsforceandlinearizedparametersofradialactivemagneticincludingeddycurrents,fringing,andleakage[J].IEEETrans.onMagn.,1996,32(4)：3219-3227.[5]CHANTH,CHENSL.Exactlinearizationofavoltage-controlled3-poleactivemagneticbearingsystem[J].IEEETrans.Contr.Syst.Technol.,2002,10(4)：618-625.[6]朱祖超.超低比转速高速离心泵的理论研究及工程实现[J].机械工程学报，2000，36（4）：30-33.ZHUZuchao.Theoreticalstudyandengineeringimplementationofsuper-low-specific-speedhighspeedcentrifugalpumps[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2000，36（4）：30-33.非英文的参考文献采用非英文、英文双语形式作者简介(六号黑体)：徐江(通信作者)，男，1973年出生，博士研究生，主要研究方向为表面改性方面的研究。（六号）E-mail(六号):：[e-mail]，男，1960年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为表面改性方面的研究。（六号）E