Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình Mạng Thần Kinh Nhân Tạo Kết Hợp Thuật Toán Di Truyền Để Xác Định Chế Độ Cắt Tối Ưu Trên Máy Phay Cnc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRẦN CÔNG LƯU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MẠNG THẦN

KINH NHÂN TẠO KẾT HỢP THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU

TRÊN MÁY PHAY CNC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. TRẦN CÔNG CHI

Hà Nội - 2021

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều

được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Trần Công Lưu

ii

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận văn, đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn

chân thành nhất tới thầy giáo: TS. Trần Công Chi, người đã trực tiếp hướng

dẫn tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu cùng cán bộ giáo viên khoa Cơ

điện và Công trình, công nhân viên chức Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp

đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;

Chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình nơi

tôi công tác, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được đi

đào tạo, tiến hành thí nghiệm, khảo nghiệm máy và ứng dụng kết quả nghiên

cứu vào sản xuất.

Qua đây, cũng xin được gửi lời cảm ơn tới toàn thể bạn bè đồng nghiệp

và gia đình. Trong quá trình tôi học tập và hoàn thành luận văn đã động viên,

giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Những nội

dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Trần Công Lưu

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................ii

MỤC LỤC.......................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU......................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ vii

DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................viii

ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1

Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................... 3

1.1. Tình hình nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi gia công phay... 3

1.1.1. Trên thế giới.................................................................................... 3

1.1.2. Tại Việt Nam ................................................................................... 8

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu ...................... 13

1.3. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................... 13

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................... 14

1.5. Nội dung nghiên cứu.......................................................................... 14

1.6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 15

Chương 2. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................. 16

2.1. Chế độ cắt và động lực học quá trình phay........................................ 16

2.1.1. Các yếu tố của chế độ cắt khi phay............................................... 17

3.1.2. Động lực học của quá trình cắt .................................................... 18

2.2. Chất lượng gia công và các thông số ảnh hưởng............................... 21

2.2.1. Chất lượng bề mặt gia công.......................................................... 21

2.2.2. Độ nhám bề mặt gia công ............................................................. 23

2.2.3. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công .......................... 24

2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công................... 25

2.3. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo và ứng dụng [7]........................... 30

2.3.1. Đặc điểm của mạng thần kinh nhân tạo ....................................... 30

iv

2.3.2. Các dạng mô hình mạng thần kinh nhân tạo................................ 35

2.3.3. Huấn luyện Mạng thần kinh nhân tạo .......................................... 40

2.3.4. Ưu điểm và nhược điểm của mô hình mạng thần kinh nhân tạo.. 44

2.4. Thuật toán di truyền và ứng dụng...................................................... 48

2.4.1. Đặc điểm và ứng dụng .................................................................. 48

2.4.2. Giải thuật di truyền so với các phương pháp truyền thống.......... 52

Chương 3.MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT

TỐI ƯU ỨNG DỤNG ANN VÀ GA.......................................................... 55

3.1. Xây dựng mô hình xác định chế độ cắt tối ưu ................................... 55

3.2. Xác định các yếu tố đầu vào và thông số đầu ra................................ 56

3.2.1. Chế độ cắt ..................................................................................... 57

3.2.2. Các thông số cố định..................................................................... 57

3.1.3. Các thông số nhiễu........................................................................ 57

3.2.4. Thông số đầu ra ............................................................................ 58

3.3. Xây dựng bảng thí nghiệm................................................................. 58

3.4. Thực nghiệm và thu thập dữ liệu ....................................................... 61

3.4.1. Máy phay CNC AGMA - A8.......................................................... 61

3.4.2. Vật liệu chi tiết gia công ............................................................... 64

3.4.3. Dụng cụ cắt ................................................................................... 65

3.4.4. Thiết bị đo và phương pháp đo ..................................................... 65

3.4.5. Mẫu thí nghiệm ............................................................................. 65

3.4.6. Tiến hành thí nghiệm và thu thập số liệu...................................... 66

3.5. Xây dựng mô hình dự báo bằng mô hình mạng thần kinh nhân tạo.. 67

3.5.1. Lựa chọn mô hình mạng thần kinh nhân tạo ................................ 67

3.5.2. Đánh giá chất lượng mô hình toán học mạng .............................. 68

3.6. Xác định chế độ cắt tối ưu dựa trên thuật toán di truyền....................... 69

Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH

XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU......................................................... 71

v

4.1. Kết quả thực nghiệm khi phay trên máy CNC................................... 71

4.2. Ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt........... 71

4.2.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt và bước tiến dao đến độ nhám bề

mặt................................................................................................................. 71

4.2.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và bước tiến dao đến độ nhám bề mặt72

4.2.3. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt72

4.3. Mô hình dự báo độ nhám bề mặt dựa trên mô hình mạng thần kinh

nhân tạo ......................................................................................................... 73

4.3.1. Thiết kế mô hình ANN................................................................... 73

4.3.2. Công cụANN trong Matlab xây dựng mô hình dự báo độ nhám bềmặt.. 75

4.3.3. Kết quả mô hình ............................................................................ 76

4.4. Xác định chế độ cắt tối ưu dựa trên thuật toán di truyền.................. 81

4.4.1. Lựa chọn hàm mục tiêu................................................................. 81

4.4.2. Kết quả tối ưu khi sử dụng thuật toán GA .................................... 84

4.5. Gia công chi tiết với các thông số tối ưu V, S, t................................ 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 88

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ........................................... 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 91

PHỤ LỤC

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

Ký hiệu Tên gọi Đơn vị

Ra

Sai lệch profin trung bình cộng (độ nhám bề

mặt)

µm

Rz Chiều cao nhấp nhô của profin theo mười điểm µm

V = Vn Vận tốc cắt m/ph

Sz Lượng chạy dao răng mm/răng

Sv Lượng chạy dao vòng mm/vòng

Sph Lượng chạy dao phút mm/ph

Z Số răng dao phay răng

ω

Góc nghiêng của lưỡi cắt dao phay trụ răng

xoắn

độ

 Góc giữa hai răng kề nhau radian

P Phản lực cắt của dao kN

Pz, Px, Py

Hệ thống lực cắt của dao theo hướng tiếp tuyến,

pháp tuyến và theo chiều trục của dao.

kN

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Bảng trực giao OA25(53) ............................................................... 59

Bảng 3.2. Giá trị cho phép của thông số công nghệ khi gia công................... 60

Bảng 3.3. Các chế độ cắt thí nghiệm cắt bổ sung ........................................... 60

Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật máy phay CNC mã hiệu AGMA - A8.............. 62

Bảng 3.5. Thành phần và cơ tính của thép C45 .............................................. 64

Bảng 4.1. Kết quả MSE và R trong quá trình huấn luyện với số lớp từ 1-1577

Bảng 4.2. Kết quả các thông số đánh giá hiệu quả mô hình........................... 80

Bảng 4.3. Giá trị cắt thực tế so với giá trị tối ưu hóa...................................... 86

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Máy phay CNC mã hiệu SV-50 của hãng Mori seiki....................... 6

Hình 1.2. Trung tâm gia công CNC mã hiệu GMU-500 .................................. 7

với bộ điều khiển Heidenhain ........................................................................... 7

Hình 2.1. Các dạng dao phay thông dụng....................................................... 16

Hình 2.2. Quỹ đạo lưỡi cắt và vận tốc cắt khi phay bằng dao phay trụ.......... 18

Hình 2.3. Hệ thống lực cắt khi phay ............................................................... 20

Hình 2.4. Các dạng bề mặt gia công ............................................................... 22

Hình 2.5. Độ nhám bề mặt .............................................................................. 23

Hình 2.6. Ảnh hưởng thông số hình học của dụng cụ cắt đến độ nhám bề mặt26

Hình 2.7. Ảnh hưởng tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công thép........ 27

Hình 2.8. Ảnh hưởng của S đến độ nhám bề mặt khi gia công thép C........... 28

Hình 2.9. Minh họa cấu tạo của một nơ-ron sinh học..................................... 31

Hình 2.10. Mô hình một nơ-ron nhân tạo ....................................................... 32

Hình 2.11. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo có hai lớp ẩn........................... 34

Hình 2.12. Mô hình thần kinh nhân tạo đơn giản nhất ................................... 36

Hình 2.13. Mô hình mạng thần kinh truyền thẳng đa lớp............................... 37

Hình 2.14. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo bổ sung................................... 38

Hình 2.15 Mô hình Mạng thần kinh nhân tạo hồi tiếp.................................... 39

Hình 2.16. Đồ thị biểu diễn hàm truyền Heaviside......................................... 41

Hình 2.17. Đồ thị biểu diễn hàm truyền Xích ma........................................... 41

Hình 2.18. Đồ thị biểu diễn hàm Hyperbol..................................................... 42

Hình 2.19. Mô hình Mạng thần kinh nhân tạo có sử dụng thuật toán truyền

ngược............................................................................................................. 44

Hình 2.20. Sơ đồ thuật toán phương pháp GA ............................................... 49

Hình 2.21. Điểm tối ưu toàn cục..................................................................... 50

ix

Hình 3.1. Sơ đồ xác định chế độ công nghệ tối ưu bằng mô hình ANN kết

hợp thuật toán di truyền ................................................................................ 55

Hình 3.2. Sơ đồ tổng quan khi nghiên cứu quá trình phay ............................. 56

trên máy CNC bằng thực nghiệm.................................................................... 56

Hình 3.3. Máy phay CNC mã hiệu AGMA - A8............................................ 62

Hình 3.4. Máy đo độ nhám TR200 ................................................................. 65

Hình 3.5. Quá trình thí nghiệm gia công trên máy ......................................... 66

Hình 3.6. Một số mẫu gia công trên máy phay CNC...................................... 66

Hình 3.7. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo .................................................. 67

Hình 4.1. Ảnh hưởng của t và S đến độ nhám bề mặt ở V = 75,36 m/phút ... 71

Hình 4.2. Ảnh hưởng của V và S đến độ nhám bề mặt ở t = 1mm................. 72

Hình 4.3. Ảnh hưởng của V và t đến độ nhám bề mặt ở S = 0,2 mm/răng .... 73

Hình 4.4. Công cụ huấn luyện mạng ANN trong Matlab ............................... 75

Hình 4.5. Thiết lập số lớp ẩn........................................................................... 76

Hình 4.6. Chạy phân tích và lựa chọn mô hình............................................... 76

Hình 4.7. Mối tương quan giữa các giá trị huấn luyện và các giá trị dự báo

của cấu trúc mạng 3-8-1................................................................................ 78

Hình 4.8. Sơ đồ khối mô hình ANN được xây dựng ...................................... 79

Hình 4.9. So sánh giá trị thực nghiệm và giá trị dự đoán của tập dữ liệu đào

tạo (a), tập dữ liệu xác nhận (b) và tập dữ liệu kiểm tra (c).......................... 79

Hình 4.10. So sánh giá trị thực nghiệm và giá trị dự đoán của tập dữ liệu xác

nhận mô hình................................................................................................. 81

Hình 4.11. Thiết lập các thông số hàm mục tiêu và giới hạn biên cho thuật

toán GA ......................................................................................................... 84

Hình 4.12. Kết quả tối ưu khi sử dụng thuật toán GA.................................... 85