Ứng dụng phương pháp trí tuệ nhân tạo và phân tích taguchi để xác định chế độ cắ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC KIÊN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRÍ TUỆ NHÂN TẠO VÀ PHÂN TÍCH TAGUCHI ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tốt nghiệp, tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Cơ khí, Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo trong suốt khoá học. Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS. Trần Văn Địch và PGS.

TS Vũ Toàn Thắng đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ tác giả trong suốt khoá học. 2 MỞ ĐẦU Cơ sở để lựa chọn đề tài Ngày nay, gia công đạt độ chính xác cao là quá trình công nghệ phổ biến và xu thế phát triển tất yếu trong kỹ thuật gia công cơ khí. Tìm hiểu qui luật phân bố ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng gia công là phương pháp cơ bản để điều khiển quá trình công nghệ.

Mặt khác, ứng dụng kỹ thuật điều khiển số (NC) là xu hướng phát triển mạnh mẽ trong công nghiệp từ thiết bị đến qui trình công nghệ với các ưu thế về độ chính xác và khả năng linh hoạt [1], [2]. Tính linh hoạt của thiết bị trong hệ thống công nghệ tỷ lệ thuận với chi phí và giá thành, do vậy sử dụng hiệu quả thiết bị là điều kiện cần thiết với mọi quá trình công nghệ. Kỹ thuật gia công cơ khí trên các máy điều khiển số (CNC) đang được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển lớn mạnh tại Việt Nam cũng như các nước trên thế giới. Ngành công nghệ gia công, chế tạo thiết bị có những bước phát triển vượt bậc với những máy CNC có khả năng gia công đạt độ chính xác rất cao đáp ứng nhu cầu gia tăng độ chính xác.

Với một hệ thống công nghệ nhất định, năng suất hay chất lượng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào chế độ cắt được cài đặt [2], [7], vì vậy điều khiển các thông số chế độ cắt là phương pháp cơ bản và hiệu quả để kiểm soát chất lượng gia công cũng như nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Do đó cài đặt chế độ cắt hợp lý hay tối ưu là điều kiện cần cho quá trình gia công cơ khí [3], [5]. Thực tế trong một môi trường gia công luôn tồn tại các yếu tố không điều khiển được (yếu tố nhiễu) làm giảm chất lượng gia công. Quá trình cài đặt các thông số công nghệ không phải lúc nào cũng cài đặt chính xác như mong muốn hay quá trình thu nhận các thông tin trong và sau khi gia công cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu làm những thông tin có được gần với giá trị thực ở một mức độ tin cậy nhất định [4], [16], [17].

Mặt khác mô hình cơ bản và phổ biến hiện nay đang sử dụng xác định các thông số công nghệ hợp lý càng bị hạn chế bởi nhu cầu gia tăng độ chính xác và sử dụng hiệu quả thiết bị [20], [21], [22]. Do vậy cần thiết phải có một phương pháp tiếp cận dự đoán mối quan hệ thực nghiệm mới, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố vào và nhiễu đến kết quả đầu ra cũng như giải bài toán tối ưu cho độ chính xác cao hơn và tiến dần đến kỹ thuật điều khiển chất lượng trực tuyến trong tương lai. Ngày nay, ứng dụng phát triển khoa học máy tính, con người đã tiếp cận và mô phỏng quá trình thu nhận và xử lý thông tin trong bộ não của mình và tìm hiểu các cơ chế tối ưu trong tự nhiên. Khoa học trí tuệ nhân tạo là một ngành nghiên cứu để tiếp cận khả năng tư duy và học của bộ não [8], [9], [10], [11], [15], [27].

Ứng dụng khoa học trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực điều khiển tối ưu là xu hướng và tất yếu trong tương lai. Từ những phân tích trên làm tiền đề cho tác giả nghiên cứu và chọn lĩnh vực tối ưu quá trình công nghệ gia công cơ khí làm đề tài luận án. Bài toán tối ưu trong gia công không phải là bài toán mới nhưng cần tìm ra một phương pháp tiếp cận mới để giải quyết lớp các bài toán tối ưu trong công nghệ gia công cơ khí là cần thiết, thực tiễn và tất yếu để giải quyết yêu cầu công nghệ ngày càng chính xác và khắt khe trong tương lai. 3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích - Nghiên cứu phương pháp tiếp cận mới làm tăng khả năng dự đoán chất lượng gia công - Tăng độ chính xác khi xác định chế độ cắt tối ưu cho gia công trên máy phay CNC trên cơ sở nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

- Xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt với năng suất và chất lượng bề mặt, tính toán chế độ cắt tối ưu cho gia công một số thép hợp kim. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu quá trình gia công trên máy phay CNC - Gia công một số vật liệu cứng - Ứng dụng mạng mờ nơ ron và giải thuật trí tuệ bầy đàn (trí tuệ nhân tạo tính toán) - Phương pháp số để tối ưu hóa - Phương pháp Taguchi xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt Phạm vi nghiên cứu Tìm phương pháp dự đoán mối quan hệ thực nghiệm và tính toán chế độ cắt hợp lý, tối ưu để đạt năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công trên máy phay CNC. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chung là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Làm phong phú thêm lý thuyết trong qui hoạch thực nghiệm và xử lý dữ liệu thực nghiệm, quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ trong điều kiện tại Việt Nam - Đưa trí tuệ nhân tạo vào kỹ thuật điều khiển thông số công nghệ gia công cơ khí - Đưa phương pháp Taguchi vào trong thiết kế thực nghiệm và tính toán mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt. 4 Những đóng góp mới - Ứng dụng giải pháp trí tuệ nhân tạo và phân tích Taguchi thiết lập mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt với chất lượng bề mặt, năng suất gia công, lực cắt, độ mòn dụng cụ và xác định chế độ cắt tối ưu khi phay thép SKD11 và SKD61.

- Xây dựng phần mềm BK-CTMNET dự đoán mối quan hệ thực nghiệm cho độ chính xác cao và tính toán các thông số công nghệ tối ưu phục vụ trong nghiên cứu và sản xuất. Cấu trúc luận án Luận án trình bày trong 151 trang, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, luận án gồm 4 chương: Chương 1. Tổng quan về ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt, phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy phay CNC; Chương 2. Giải pháp trí tuệ nhân tạo và ứng dụng; Chương 3.

Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy phay CNC; Chương 4. Xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm giữa chế độ cắt với các thông số công nghệ và xác định chế độ cắt tối ưu trên máy phay CNC. 5 Chương 1: TỔNG QUAN ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 1.1 Các chỉ tiêu chất lượng bề mặt khi gia công [1] Chất lượng bề mặt gia công là tập hợp các chỉ tiêu về các yếu tố hình học, tính chất cơ lý mà nó là kết quả để lại sau tương tác giữa dụng cụ cắt với bề mặt chi tiết gia công. Các thông số chất lượng bề mặt quyết định rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết máy.

Vì vậy các phương pháp gia công cũng nhằm đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng bề mặt.1 Các yếu tố hình học 1.1 Độ nhấp nhô tế vi Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ tương tác với bề mặt chi tiết gia công hình thành phoi đồng thời để lại những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công là những nhấp nhô tế vi (độ nhám). Đặc trưng cho tính chất nhấp nhô bề mặt khi gia công được đo bằng chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) và sai lệch profin trung bình cộng (Ra) của lớp bề mặt. Sai lệch profin trung bình cộng (Ra) là thông số được công nhận phổ biến nhất, được sử dụng 24 23 nhiều nhất là thông số quốc tế về độ nhám. 22 21 Độ nhấp nhô tế vi (độ nhám bề mặt) là cơ sở 20 để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong phạm vi 18 19 Mài tròn chiều dài chuẩn rất ngắn là một đặc trưng 17 16 quan trọng của chất lượng bề mặt chi tiết 15 Mài ph?ng Mài phẳng máy.

14 13 Độ nhám bề mặt ảnh hưởng rất lớn đến các 12 11 tính chất làm việc của chi tiết máy: tính chống 10 Doa Doa mòn, chống mỏi, chống ăn mòn hóa học và độ 98 Phaymặt Phay m?tđầu d?u ổn định mối ghép. Việc khống chế độ nhám 7 Phay ngoài Bào 6 bề mặt ở các mức độ nhất định có vai trò rất 5 Khoan quan trọng trong quá trình gia công, chế tạo 3 4 Ti?n Tiện sản phẩm. Các quá trình gia công bề mặt khác 2 1 nhau sẽ tạo nên độ nhám bề mặt khác nhau và giá thành sản phẩm cũng khác nhau.1 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,3 12,5 25 50 thể hiện mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và Hình 1.1 Quan hệ giữa phương giá thành của một số phương pháp gia công, pháp gia công và độ nhám bề mặt qua đồ thị thấy rằng giá thành sản phẩm sẽ 6 tăng lên nhanh chóng khi muốn giảm độ nhám bề mặt tới một giá trị nào đó theo yêu cầu. Do đó, người thiết kế cần phải quan tâm tới giá thành sản phẩm bên cạnh chất lượng bề mặt.