Tài liệu 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 4

64 CHƢƠNG 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 ƢU TRÊN MÁY PHAY CNC Nghiên cứu quá trình gia công phay CNC bằng thực nghiệm nhằm xây dựng các mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng đầu ra với các đại lượng đầu vào của quá trình, trên cơ sở đó xác định được bộ thông số chế độ cắt tối ưu [18], [19], [20], [21], [22], [23]. 4.1 Mô hình thí nghiệm 4.1.1 Sơ đồ thí nghiệm Quá trình phay có thể được biểu diễn bằng sơ đồ hình 4.1 Trong quá trình nghiên cứu nếu xét được ảnh hưởng của càng nhiều yếu tố đầu vào tới các đại lượng ở đầu ra thì bài toán càng toàn diện. Nhưng như vậy sẽ càng khó khăn cho 65 quá trình nghiên cứu và khó áp dụng vào thực tế, sản xuất. Chính vì vậy, dựa vào kinh nghiệm rút ra từ sản xuất để lựa chọn sơ đồ nghiên cứu với các thông số đầu vào là các thông số công nghệ điều khiển được trong quá trình gia công. Sau khi đã khẳng định được kết quả nghiên cứu là tích cực có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại vật liệu gia công trên các loại thiết bị khác nhau. Xuất phát từ suy nghĩ như trên xây dựng sơ đồ nghiên cứu quá trình phay CNC bao gồm các đại lượng đầu vào như hình 4.1 được thực hiện tại trung tâm nghiên cứu công nghệ cao BKCNC-Viện Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. 4.1.2 Các đại lượng đầu vào Các kết quả nghiên cứu ở chương 1 cho thấy các thông số công nghệ điều khiển được là các thông số có ảnh hưởng mạnh nhất tới quá trình phay, chính vì vậy chọn các thông số đó là các đại lượng đầu vào. Cơ sở để lựa chọn dải thông số chế độ cắt là xuất phát từ khảo sát thực tế tại một số công ty gia công sản xuất khuôn mẫu và một số công ty sản xuất các thiết bị cơ khí khi gia công một số loại vật liệu thép hợp kim: Công ty Quang Nam tại Mỹ Hào, Hưng Yên... với một số sổ tay tra chế độ cắt: sổ tay công nghệ Chế tạo máy [13]. Các thông số bao gồm: - Vận tốc cắt: nằm trong khoảng 100 (m/phút) ≤ V ≤ 300 (m/phút). Thông thường vận tốc cắt tăng thì độ nhấp nhô tế vi giảm và năng suất tăng nhưng sẽ làm tăng mòn dao và gây rung động tạo độ sóng bề mặt. - Lượng chạy dao răng Sz: nằm trong khoảng 0.1 (mm/răng) ≤ Sz ≤ 0.3 (mm/răng). Khi tăng lượng chạy dao sẽ làm tăng độ nhám bề mặt nhưng năng suất cắt sẽ được tăng lên. - Chiều sâu cắt t: nằm trong khoảng 0.1mm ≤ t ≤ 1.5mm. Dải chiều sâu cắt này thường được sử dụng trong gia công thô (1.5mm) hay gia công tinh. Tuy nhiên tùy thuộc vào gia công vật liệu cứng hay mềm mà chiều sâu cắt có thể chọn phù hợp nhưng nhìn chung dao động trong dải trên. 4.1.3 Các đại lượng đầu ra Đầu ra của quá trình nghiên cứu khi phay CNC bao gồm các đại lượng sau: - Năng suất gia công: Q (kg/phút) - Chất lượng bề mặt gia công - Lực cắt: F(N) - Mòn dao: hs(mm) 4.1.4 Các đại lượng cố định Các đại lượng cố định liên quan đến điều kiện công nghệ khi phay bao gồm: - Thiết bị gia công - Vật liệu gia công - Vật liệu làm dụng cụ cắt - Dung dịch trơn lạnh - Chương trình gia công… 66 4.1.5 Các đại lượng nhiễu Các đại lượng nhiễu là các đại lượng không mong muốn, xuất hiện một cách có hoặc không có quy luật ảnh hưởng tới quá trình gia công mà không điều khiển được: sự không đồng nhất về thành phần hóa học và độ cứng của vật liệu gia công, rung động xuất hiện trong quá trình cắt hay rung động từ bên ngoài tác động đến v.v…tuy nhiên có thể định lượng được sự ảnh hưởng của yếu tố nhiễu tác động đến yếu tố đầu ra bằng phương pháp phân tích Taguchi. Trên cơ sở đó để đánh giá tính sạch của bộ dữ liệu thu thập được. Nếu phần trăm ảnh hưởng của yếu tố nhiễu lớn trên kết quả ra nghĩa là điều kiện thí nghiệm không được đảm bảo và tùy vào mức độ tin cậy để quyết định thí nghiệm lại hay tiếp tục xử lý. 4.2 Điều kiện thí nghiệm 4.2.1 Máy phay CNC Quá trình phay được thực hiện trên máy phay CNC 4 trục MIKRON VCP 600 tại trung tâm nghiên cứu công nghệ cao BKCNC-Viện Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của máy phay MIKRON VCP 600 TT Đặc tính kỹ thuật Giá trị 1 Kích thước máy (rộng x dài x cao mm) 1600 x 2500 x 2650 2 Trọng lượng máy (Kg) 6100 3 Công suất (KW) 15 4 Hành trình làm việc trục X (mm) 600 5 Hành trình làm việc trục Y (mm) 450 6 Hành trình làm việc trục Z (mm) 450 7 Hệ điều khiển Heidenhain 8 Tốc độ điều khiển (vòng/phút) Vô cấp đến 12000 9 ổ chứa dao Tối đa 30 dao 10 Lượng tiến dao lớn nhất không tải (m/phút) 22 11 Lượng tiến dao lớn nhất khi làm việc (m/phút) 15 12 Lực tác động cho phép lớn nhất lên các trục X, Y, Z (N) 5000 13 Khối lượng đầu dao lớn nhất cho phép (kg) 6 14 Đường kính dao lớn nhất cho phép (mm) 90 15 Thời gian thay dao (giây) 8 16 Xuất xứ Thụy sĩ 67 4.2.2 Vật liệu tiến hành thí nghiệm 4.1.1.1. Vật liệu thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm là thép hợp kim hay sử dụng trong gia công khuôn mẫu có kí hiệu SKD11 tiêu chuẩn Nhật Bản [JIS-G4404] và SKD61 tiêu chuẩn Nhật Bản [JIS-G4404]. Thép SKD61 và SKD11 sau khi nhiệt luyện cho độ cứng cao, độ bền nén cao, độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Bên cạnh đó chúng có khả năng giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Chính vì vậy thép SKD61 và SKD11 thường được dùng trong sản xuất khuôn đùn, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực v.v…hay những chi tiết khác có yêu cầu tính chất sử dụng cao. Bảng 4.2 thành phần và cơ tính của thép SKD11 và SKD61 Ký hiệu C SKD11 1.4-1.6 Si Mn P ≤0.03 Môi trường ≤0.03 Cr Mo ≤0.6 Độ cứng Nhiệt độ 0C Môi trường Nhiệt độ 0C Môi trường 100-1050 Làm nguội bằng 150-200 Làm nguội Ủ Nhiệt độ 0C S ≤0.4 11-13 Tôi 0.8-1.2 Ram HB Độ cứng HRC Làm nguội 830-880 V 0.2-0.5 khí 255 bằng khí Làm nguội bằng 980-1030 ≥58 550-580 dầu Ký hiệu SKD61 C 0.35-0.42 Si 0.8-1.2 Mn 0.25-0.5 P ≤0.03 Ủ Nhiệt độ 0C Môi trường S ≤0.02 Cr 4.8-5.5 Tôi Độ cứng Nhiệt độ 0C Môi trường Mo 1.0-1.5 Làm nguội 0.8-1.15 Ram Nhiệt độ 0C Môi trường HB 820-870 V Độ cứng HRC 100-1040 Làm nguội bằng Làm nguội khí 230 1040-1080 Làm nguội bằng bằng khí ≥53 550-680 dầu 4.1.1.2. Mẫu tiến hành thí nghiệm Để nghiên cứu năng suất gia công, chất lượng bề mặt sử dụng phương pháp phay bằng dao phay mặt đầu để giải quyết bài toán khi gia công các bề mặt lớn và những bề mặt chi tiết dài, rộng. - Phôi được thiết kế là một hình khối hộp chữ nhật với (chiều dài)x(chiều rộng)x(chiều cao)=70x70x110. Phôi này sử dụng để gia công đo các thông số chất lượng bề mặt: Ra,Rz,Rsn, năng suất gia công Q, lực cắt F. - Phôi sử dụng để gia công kiểm tra độ mòn dao là một hình khối hộp chữ nhật với (chiều dài)x(chiều rộng)x(chiều cao)=220x70x110 68 4.2.3 Dụng cụ cắt 4.1.1.3. Thân dao Sử dụng dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng, thân dao do hãng Misibitshi sản xuất ASX445-080A06R[28] 4.1.1.4. Vật liệu dao Dao được chế tạo dưới dạng các mảnh cắt xoay, trong thực nghiệm sử dụng 2 loại mảnh cắt xoay công nghệ phủ nano. - SEMT13T3AGSN-JM VP15TF - SEMT13T3AGSN-JH VP15TF Trong đó loại JH để gia công thép SKD11 và JM gia công thép SKD61 4.2.4 Đồ gá chi tiết Sử dụng Eeto kẹp thủy lực (thiết bị đi kèm theo máy) 69 4.2.5 Các thông số cố định khác Trong quá trình thí nghiệm còn có các điều kiện công nghệ khác cũng được cố định như: - Kích thước phôi thí nghiệm không đổi (chiều dài, chiều rộng) - Nhiệt độ theo nhiệt độ phòng thí nghiệm 4.3 Các thiết bị đo Quá trình đo kiểm các mẫu thí nghiệm được tiến hành tại phòng trung tâm công nghệ cao BKCNC-Đại Học Bách Khoa Hà Nội và phòng nghiên cứu của bộ môn Cơ Khí Chính Xác và Quang Học-Đại Học Bách Khoa Hà Nội. 4.3.1 Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô bề mặt Máy đo chiều cao nhấp nhô bề mặt SJ-400 hãng Mitutoyo, Nhật Bản Bảng 4.3 Tính năng kĩ thuật của máy SJ-400 TT Đặc tính kỹ thuật Giá trị 1 Phạm vi 0 – 1000 µ (0 – 40 mils) 2 Thước đo 2 µ (0.1 mils) 3 Kích thước (dài x rộng x cao) 550 x 400 x 600 (mm) 4 Trọng lượng 60 Kg 4.3.2 Thiết bị đo mòn dao Sử dụng thiết bị kính hiển vi điện tử. Model M21 do Cộng hòa Liên Bang Nga chế tạo. Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật kính hiển vi M21 TT Đặc tính kỹ thuật Giá trị 1 Thị kính 7X ÷ 40X 2 Độ chính xác dịch ±0.001mm 3 Thước đo dịch chuyển Encoder quang Mitutoyo AT1112 4 Góc nhìn rộng Khoảng cách làm việc thoải mái 5 Thân tròn linh hoạt, dễ dàng thay đổi tiêu cự Từ trên xuống, dùng bộ đèn vòng 4 6 Nguồn sáng bóng x 6vol. 4.3.3 Thiết bị đo lực Thiết bị đo lực TeCL của Cộng Hòa Liên Bang Đức có tại trung tâm BKCNC 70 4.4 Xây dựng qui hoạch thí nghiệm 4.4.1 Xây dựng bảng thí nghiệm Trực giao Taguchi [17] Đối với phương pháp sử dụng mạng mờ nơ ron trong hồi qui hàm thực nghiệm thì số thí nghiệm càng nhiều sẽ cho dự đoán càng chính xác nên không có giới hạn nào về số lượng lớn nhất thí nghiệm. Nếu làm nhiều thí nghiệm thì sẽ làm tăng chi phí. Nhưng nếu quá ít thì sẽ không đủ dữ liệu để tìm ra mối quan hệ thực nghiệm chính xác. Do vậy qui hoạch thí nghiệm cần phải đảm bảo số thí nghiệm ít nhất nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác. Hiện nay trong thiết kế thí nghiệm thường sử dụng phương pháp qui hoạch thí nghiệm trực giao[4]. Tuy nhiên, luận án sử dụng phương pháp Taguchi trong phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến đầu ra như đã trình bày trong chương 3 vì vậy để đảm bảo tính thống nhất và hiệu quả trong luận án nên sử dụng thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi. Do vậy, số liệu cần thí nghiệm trong quá trình nội suy sử dụng phương pháp mạng mờ nơ ron ít nhất cũng phải bằng số thí nghiệm theo phương pháp Taguchi và một số thí nghiệm bổ sung nhưng phải bao trùm đều trên không gian thiết kế, số lượng thí nghiệm bổ sung bao nhiêu là tùy thuộc vào người thiết kế. Theo kinh nghiệm khi sử dụng mạng mờ nơ ron thì tổng số lượng thí nghiệm nên lấy bằng 50% đến 60% số lượng thí nghiệm đầy đủ (full factor) trong đó có chứa số bộ thí nghiệm Taguchi. Các dữ liệu cần thí nghiệm theo Taguchi được sắp xếp vào một bảng dưới dạng một ma trận trực giao gọi là bảng trực giao (Orthogonal array: OA). Bảng OA thiết kế số lượng thí nghiệm ít nhất nhưng đạt được lượng thông tin nhiều nhất. 4.4.1.1 Cách chọn bảng trực giao Các yếu tố thí nghiệm có n bậc tự do thì phải chọn bảng OA ít nhất có n cột, chỉ có như vậy thí nghiệm mới có thể thực hiện được. Nếu chọn bảng có kích thước lớn hơn thì việc tiến hành thí nghiệm vẫn có thể thực hiện nhưng khi đó số thí nghiệm sẽ lớn hơn, đòi hỏi tốn nhiều kinh phí và thời gian, với bảng có kí hiệu Ln phải thực hiện n lần thử. Bảng trực giao của S mức, được kí hiệu bởi OAN(Sm) là một ma trận cỡ N x m, trong đó các cột của ma trận này có đặc điểm là cặp trạng thái của các yếu tố điều khiển trong hai cột bất kì có xác suất xuất hiện như nhau. Các kí tự được sử dụng để biểu diễn các mức có thể là bất kì. Thông thường sử dụng các kí tự 1,2,3….để dễ biểu diễn. Trong bảng trực giao theo Taguchi, trạng thái của các cột bên trái ít thay đổi hơn so với trạng thái của các cột bên phải. Một bảng trực giao hoàn chỉnh có 2r hàng phải có 2r -1 cột. Một ma trận trực giao có n hàng thì sẽ có tối đa là n-1 cột. Bảng trực giao được xem như việc lập kế hoạch để thực hiện thí nghiệm mà ở đó mỗi cột của bảng là một yếu tố ảnh hưởng đến thí nghiệm. Các trạng thái trong mỗi cột tương ứng với các mức của các yếu tố tác động. Mỗi hàng là một cách kết hợp các mức của yếu tố ảnh hưởng. Số hàng trong bảng trực giao chính là số lần thực hiện thí nghiệm. Trong luận án đã khảo sát chế độ cắt từ một số doanh nghiệp thường gia công trên máy phay CNC và từ thực tế bản thân tác giả khi tham gia sản xuất và chuyển giao công nghệ. Do vậy dải tốc độ sẽ lấy 5 mức (level) cho mỗi yếu tố điều khiển (factor) và mỗi mức đặc trưng cho một trạng thái của yếu tố cần xét. Với 3 thông số vận tốc cắt V, lượng tiến dao S, chiều sâu cắt t, mỗi yếu tố được chia 5 mức: từ mức 1 đến mức 5. Do vậy cần chọn bảng ma trận thí nghiệm trực giao Taguchi OA25(53) nghĩa là bảng sử dụng cho qui hoạch thí 71 nghiệm với 3 yếu tố, mỗi yếu tố có 5 mức giá trị và tổng số thí nghiệm cần phải thực hiện là 25 thí nghiệm được thể hiện trong bảng dưới: Bảng 4.5 Bảng trực giao OA25(53) V S t STT 1 1 1 1 1 2 2 2 1 3 3 3 1 4 4 4 1 5 5 5 2 1 2 6 2 2 3 7 2 3 4 8 2 4 5 9 2 5 1 10 3 1 3 11 3 2 4 12 3 3 5 13 3 4 1 14 3 5 2 15 4 1 4 16 4 2 5 17 4 3 1 18 4 4 2 19 4 5 3 20 5 1 5 21 5 2 1 22 5 3 2 23 5 4 3 24 5 5 4 25 Trong bảng 4.5 với các giá trị ký hiệu 1,2,3,4,5 tương ứng với 5 mức giá trị của mỗi yếu tố. Từ thực tế sản xuất khi khảo sát 5 mức của mỗi yếu tố được tác giả sử dụng thể hiện cụ thể trong các bảng. Bảng 4.6 Giá trị cho phép của thông số công nghệ khi gia công thép SKD11 Mức V(m/phút) S(mm/răng) t(mm) Vật liệu gia Dụng cụ cắt công 1 100 0.1 0.1 SEMT13T3AGSN2 120 0.15 0.3 JH VP15TF 3 150 0.2 0.5 SKD11 4 170 0.25 0.75 5 180 0.3 1 Bảng 4.7 Giá trị cho phép của thông số công nghệ khi gia công thép SKD61 Mức V(m/phút) S(mm/răng) t(mm) Vật liệu gia Dụng cụ cắt công 1 130 0.1 0.1 SEMT13T3AGSN2 150 0.15 0.42 SKD61 JM VP15TF 3 180 0.2 0.78 72 4 215 0.25 1.14 5 250 0.3 1.5 Ngoài 25 chế độ cắt theo phương pháp thực nghiệm Taguchi tác giả còn cắt thêm 40 chế độ khác nhằm kiểm chứng phương pháp mạng mờ nơ ron khi sử dụng để dự đoán mối quan hệ giữa chế độ cắt và các yếu tố đầu ra quan tâm. 40 chế độ này được thiết lập trong bộ chế độ cắt đầy đủ (53=125 bộ) nhưng được phân dải ra toàn bộ không gian thiết kế, biến chế độ cắt được đánh số từ bộ thứ 26 trở đi và kết thúc là bộ số 65. Bảng 4.8 Các điểm thí nghiệm cắt bổ sung Chế độ cắt bổ sung Chế độ cắt bổ sung STT SKD11 SKD61 1 1 5 1 3 1 26 1 5 1 1 5 1 27 1 2 4 5 2 5 28 1 4 2 5 3 5 29 1 3 1 2 3 5 30 1 1 3 2 1 5 31 1 3 5 4 1 5 32 1 5 3 4 3 5 33 2 1 5 3 1 5 34 2 2 4 3 2 5 35 2 4 2 1 1 5 36 2 3 1 1 3 5 37 2 1 3 4 2 4 38 2 3 5 5 2 4 39 2 5 3 3 3 4 40 2 2 5 2 2 4 41 3 1 5 1 2 4 42 3 5 1 5 5 3 43 3 4 2 4 4 3 44 3 3 1 5 1 3 45 3 1 2 4 1 3 46 3 5 3 3 5 3 47 3 3 4 1 1 3 48 3 2 5 1 5 3 49 4 1 5 2 1 3 50 4 5 1 2 5 3 51 4 2 4 5 4 2 52 4 1 3 4 5 2 53 4 3 5 1 4 2 54 4 4 3 2 4 2 55 4 4 1 3 1 2 56 4 5 2 3 4 2 57 5 5 1 3 3 1 58 5 2 4 3 5 1 59 5 4 2 2 3 1 60 73 61 62 63 64 65 5 5 5 5 5 3 1 3 5 2 1 3 5 3 5 5 5 4 4 2 3 5 4 5 2 1 1 1 1 5 4.5 Quá trình tiến hành và thu thập số liệu. 4.5.1 Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với 65 chế độ cắt cho mỗi loại thép SKD11 và thép SKD61 trên 8 mẫu có kích thước (dài x rộng x cao mm) 70 x 70 x 110 mm. Mỗi chế độ cắt được cắt hai lần và mẫu được sử dụng lại nhiều lần để giảm chi phí phôi. Cắt 25 chế độ đầu cho mỗi vật liệu là cắt theo bộ Taguchi. Các bộ còn lại là bộ cắt bổ sung. Các điều kiện khác như: đồ gá, thân dao, …như nhau khi cắt 2 loại vật liệu. Quá trình cắt thí nghiệm và các kết quả đo lần lượt thực hiện trên cùng một máy, trong môi trường giống nhau và nếu có kết quả nào bất thường sẽ được loại bỏ để thực hiện lại, vì vậy các thí nghiệm là ổn định và có độ đồng nhất cao. 4.5.2 Thu thập số liệu thí nghiệm Từ các mẫu thí nghiệm của 2 loại thép khác nhau, đã thu thập được (đo) các số liệu quan trọng của mỗi chi tiết - Đo các thông số Ra, Rz trên bề mặt chi tiết. Phương chuyển động tịnh tiến của đầu đo song song với phương chạy dao trên chi tiết - Đo khối lượng kim loại được cắt đi tại mỗi chế độ cắt: cân khối lượng phôi trước khi cắt và cân khối lượng phôi sau khi cắt. - Đo lực cắt thông qua các sensor cảm biến lực trên thiết bị đo lực. - Thí nghiệm đo mòn dao: mòn dao được đo theo chỉ tiêu mòn mặt sau hs. Lượng mòn dao được đo tương ứng với cắt ở một số chế độ cắt và giữ trong một thời gian cắt liên tục. - Đo độ nhám bề mặt tại một chế độ cắt và trên mỗi chi tiết được đo ở 2 vị trí khác nhau trên 2 đường song song nhau và song song với phương chạy dao. Mỗi chế độ cắt được cắt lặp lại 2 lần và mỗi lần đo 2 lượt - Lực cắt tại một chế độ được đo 1 lần và cắt lặp lại 2 lần để lấy lực cắt 2 lần khác nhau. - Năng suất gia công được tính bằng khối lượng kim loại bóc đi trong một đơn vị thời gian, vì vậy đo khối lượng kim loại bóc đi trong thời gian gia công. Do vậy đem cân phôi trước khi cắt và sau khi cắt, lượng kim loại chênh lệch chính là khối lượng kim loại được bóc đi trong thời gia gia công với chế độ cắt đó. Thời gian gia công chính là thời gian dao đi hết quãng đường cắt phôi. Lấy khối lượng kim loại cắt được chia cho thời gia công được năng suất cắt (kg/phút) hay (gam/phút). Tại mỗi chế độ cắt lặp lại 2 lần để đo khối lượng kim loại bóc tách. 74 - Mòn dao được lấy theo tiêu chuẩn mòn mặt sau, đo chiều cao mòn mặt sau. Thực hiện cắt tại một số chế độ cắt trong một khoảng thời gian xác định, sau đó đưa lên kính hiển vi đo chiều cao mòn mặt sau. Lượng mòn dao của một chế độ cắt được đo theo quãng đường đi cắt được của dao hay thời gian gia công. Trong luận án đã chọn quãng đường đi của dao vì tính theo số lần cắt lặp lại từ đó qui ra thời gian chạy dao. Dữ liệu sau khi thu được phải kiểm tra tính đồng nhất của dữ liệu (khử sai số thô)[4]. Sau khi khử sai số thô và lấy trung bình của các lần lặp lại cho mỗi loại đầu ra đối với 2 mác thép SKD11 và SKD61 thu được kết quả thể hiện trong phụ lục 1, phụ lục 2, phụ lục 3, phụ lục 4. 4.6 Xây dựng phần mềm làm công cụ xử lý dữ liệu 4.6.1 Xây dựng phần mềm BK-CTMNET xử lý dữ liệu theo mạng mờ nơ ron Với mong muốn tạo ra một phần mềm phục vụ cho quá trình nghiên cứu trong gia công cơ khí hiện tại cũng như các nghiên cứu sau này. Phần mềm được sử dụng hướng tới các đối tượng người việt nên ngôn ngữ sử dụng, giao diện và hướng dẫn được sử dụng ngôn ngữ tiếng việt tạo thuận lợi cho quá trình sử dụng. Trên cơ sở thuật toán đã được trình bày trong chương 3, sử dụng ngôn ngữ lập trình C Sharp xây dựng phần mềm thiết lập mối quan hệ toán học giữa chế độ cắt và các thông số công nghệ đầu ra, tính toán chế độ cắt tối ưu. 4.6.1.1 Ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ lập trình được chọn là ngôn ngữ lập trình C Sharp (C), vì ngôn ngữ này thuộc họ ngôn ngữ cấp cao, dễ sử dụng và dễ dàng trong lập trình hướng đối tượng. 4.6.1.2 Xây dựng giao diện Giao diện được xây dựng dựa trên các tiêu chí: - Giao diện phải thân thiện, dễ giao tiếp với người dùng - Ngôn ngữ sử dụng là tiếng việt làm tăng khả năng giao tiếp, rễ ràng tiếp cận và học cách sử dụng cho phần mềm. Phần mềm hướng đến người sử dụng là người Việt Nam. - Các thao tác lựa chọn phải rõ ràng không gây nhầm lẫn - Nhập, xuất dữ liệu theo các file để rễ ràng quản lý Giao diện được thể hiện như hình 4.4, giao diện phần mềm BK-CTMNET gồm 7 TAB a) Dữ liệu học: Trong Tab này xử lý dữ liệu nhập vào theo file.txt, dữ liệu được chuẩn hóa trước khi đưa vào quá trình học mạng. Các thông số người dùng cần nhập vào là số bộ dữ liệu và số đầu vào, đầu ra. Dữ liệu được tải sang cửa sổ bên cạnh với dữ liệu sau khi được chuẩn hóa được tải cửa sổ chuẩn hóa dữ liệu như hình 4.4 75 b) Học mạng: Gồm các thông số cần thiết cho quá trình học mạng giao diện học mạng được thể hiện như hình 4.5: 76 - Để thuận tiện khi sử dụng thì luôn có một chế độ mặc định cho các thông số nếu người dùng chưa biết lựa chọn các giá trị cho phù hợp. Các giá trị mặc định được lấy dựa trên kinh nghiệm chạy các bộ dữ liệu đã cắt nhiều lần và rút ra. - Các thông số thiết lập mô hình mạng mờ nơ ron: chọn hàm liên thuộc, số khoảng mờ. Số khoảng mờ chính là số luật do logic mờ tạo ra. - Các hệ số học để điều chỉnh bước Gradient - Nút “Khởi tạo” để khởi tạo bộ trọng số ban đầu, tạo ra một mô hình mạng và nghiệm ban đầu. - Nút “Học” để thực hiện quá trình học mạng - Nút “Lấy TS” là để lấy trọng số mạng - Nút “Lưu bảng trọng số” để lưu lại giá trị của bảng trọng số chính là thông số mô hình toán học mạng mờ nơ ron. Giá trị được lưu vào file đuôi “.txt” như hình 4.6 Trong file lưu trữ này, số liệu tuần tự theo sau: đầu tiên là số đầu vào (ở đây là 3 đầu vào), thứ tự tiếp là số đầu ra (ở đây là 1), tiếp là số khoảng mờ (ở đây là 5), hàm liên thuộc là hàm Gauss, ma trận có các cột và hàng tương ứng là ma trận thông số mạng. Có 5 hàng tương ứng với 5 khoảng mờ. File này lưu lại bảng giá trị các hệ số trong hình 4.6 c) Đồ thị: 77 Vẽ các đồ thị cho quá trình quan sát trực quan hơn và có nhận xét phù hợp hơn bao gồm: đồ thị giá trị, đồ thị sai số trung bình, đồ thị phân tán sai số. Các đồ thị lưu lại dưới dạng đuôi (*.jpg). d) Kết quả: Bảng này đưa ra kết quả tính toán bởi mạng là Ytt và tính sai số tại mỗi chế độ cắt. dữ liệu được chia làm 2 tập là tập học và tập kiểm tra. Tập học (training set) được sử dụng để học mạng tính toán các giá trị thông số của mô hình mạng mờ nơ ron. Tập kiểm tra (testing set) được dùng để kiểm tra mô hình mạng, các bộ giá trị trong tập này hoàn toàn không đưa vào học mạng do vậy mô hình mạng nào cho sai số tập kiểm tra càng nhỏ càng tốt. - Sai số trung bình bộ học (SSTB bộ học) là tính sai số trung bình của các bộ đem vào học mạng - Sai số trung bình bộ kiểm tra (SSTB bộ kiểm tra) là tính sai số trung bình các bộ đem vào kiểm tra - Sai số trung bình tốt nhất (SSTB tốt nhất) là giá trị nhỏ nhất của tổng sai số bao gồm cả sai số bộ học và bộ kiểm tra mà một quá trình học mạng có thể đạt được - Độ phân tán sai số là giá trị độ phân tán của các sai số tính cho toàn bộ dữ liệu (cả tập học và tập kiểm tra) - Nút “Lưu kết quả” sử dụng lưu kết quả. Kết quả được xuất ra file.txt như hình 4.12 78 e) Tối ưu Sử dụng phương pháp giải thuật trí tuệ bầy đàn là đàn ong (ABC) gồm các thông số cần nhập: - Số vòng lặp: nên lấy khoảng 5000 đến 10000 vòng là thuật toán đã hội tụ được đến nghiệm tối ưu. Nến lấy lớn thời gian tìm kiếm sẽ lâu, nếu lấy nhỏ quá thì độ chính xác kém. - Số cá thể là số ong hay chính là số nghiệm ban đầu được khởi tạo để thực hiện quá trình lặp. Nên lấy số cá thể khoảng 50 đến 300. Vì lấy quá nhiều sẽ làm tăng thời gian tìm kiếm, còn quá ít sẽ lâu hội tụ và ké chính xác. - Điều kiện biên: người sử dụng vào các điều kiện giới hạn  R là điều kiện về chất lượng bề mặt như: Ra, Rz  P là điều kiện về công cho phép (KW)  hs là điều kiện mòn dao.  Điều kiện biên về tốc độ cắt: giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ cắt, nên lấy trong giới hạn của dữ liệu thực nghiệm  Điều kiện biên về lượng tiến dao răng: giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất của lượng tiến dao, nên lấy trong giới hạn của dữ liệu thực nghiệm  Điều kiện biên chiều sâu cắt: giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất của chiều sât cắt, nên lấy trong giới hạn của dữ liệu thực nghiệm. - Kết quả tối ưu bao gồm: bộ đầu ra tối ưu là 3 thông số chế độ cắt, kết quả tối ưu là năng suất cắt, độ nhám bề mặt đạt được nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện biên, công suất cắt, lượng mòn dao. - Ngoài ra để thuận lợi cho người dùng khi yêu cầu dự đoán giá trị đầu ra như độ nhám, năng suất gia công, lực cắt ở một chế độ cắt nào đó thì đưa vào dữ liệu trong ô bộ dữ liệu vào và phần mền sẽ tính toán giá trị đầu ra theo mối quan hệ thực nghiệm đã được thiết lập trong phần mền. - Ngoài ra phần mềm được lập trình mở để có thể tính toán tối ưu cho 1 hàm mục tiêu với 10 điều kiện biên không kể giới hạn của biến. 79 f) Phân tích Taguchi Dữ liệu được đưa vào cũng dưới dạng file.txt của chế độ cắt Taguchi. Các thí nghiệm được thiết kế theo bảng thí nghiệm trực giao Taguchi. - Dữ liệu nhập vào khai báo như nhập dữ liệu với mạng mờ nơ ron - Trong ô “số lần thí nghiệp lặp lại” là số lần đo của một lần thí nghiệm hay số lần do của nhiều lần thí nghiệm cho một chế độ cắt. 80 - Bảng giá trị phân tích đưa ra: số bậc tự do của mỗi thông số điều khiển độc lập (V,S,t) và bậc tự do của nhiễu. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến đầu ra theo phần trăm - Phần phân tích Taguchi được thiết kế thành một modul mở là để phục vụ cho quá trình phân tích độc lập khi người dùng muốn phân tích các loại dữ liệu khác mà không nhất thiết phải dữ liệu trong luận án này. 4.7 Xác định mối quan hệ thực nghiệm bằng mạng mờ nơ ron 4.7.1 Xác định mối quan hệ giữa chế độ cắt và các thông số đầu ra khi cắt thép SKD11 4.7.1.1 Xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt a) Quan hệ giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt Rz. Sử dụng phần mềm BK-CTMNET thiết lập mối quan hệ thực nghiệm giữa chế độ cắt và độ nhám bề mặt Rz. Với các thông số học mạng thực hiện số lần lặp 60 nghìn lần, và cấu trúc mạng 5 khoảng mờ. Hình 4.12 thể hiện giá trị kết xuất bởi mạng và giá trị thực tại các bộ dữ liệu khác nhau. Từ đồ thị nhận thấy giá trị kết xuất bởi mạng luôn bám sát giá trị đầu ra thực đo, đồ thị được vẽ bởi phần mềm. Đồ thị thấy rằng giá trị kết xuất bởi mạng luôn bám sát giá trị đo thực nghiệm. Mô hình toán học mạng với kết quả dự đoán này hoàn toàn phù hợp với mô hình thực nghiệm. Giá trị dự đoán sai lệch với sai số trung bình tb=1.4053% và độ phân tán của sai số đạt =1.721. Giá trị dự đoán và sai lệch tại các điểm được tính trong bảng 4.14 dưới. 81 Giá trị sai số trung bình của 65 bộ dữ liệu sau mỗi vòng lặp được thể hiện như trong hình 4.13 Từ đồ thị sai số thấy rằng quá trình dự đoán của mạng liên tục làm giảm sai số trung bình của toàn bộ dữ liệu nghĩa là các giá trị kết xuất của mạng ngày càng bám sát các giá trị thực từ đầu vào. Vì vậy với độ chính xác dự đoán sai số như trên thì mô hình đã đủ để xác định một qui luật giữa độ nhám và chế độ cắt. Mức độ tập trung của các sai số được vẽ trong đồ thị phân tán sai số như hình 4.14 Từ đồ thị phân tán sai số thấy rằng 90% số bộ dữ liệu được dự đoán với sai lệch dưới 2%. Như vậy với thông số mạng đã xác định mô hình cho sai số nhỏ và độ phân tán sai số nhỏ, mô hình này hoàn toàn phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Tuy nhiên để có tính khách quan hơn khi đánh giá khả năng dự đoán mối quan hệ thực nghiệm kết xuất bởi mạng mờ nơ ron, tác giả cũng sử dụng phần mềm Minitab là phần mềm tính toán hàm hồi qui thực nghiệm phổ biến theo phương pháp truyền thống và thu được hàm quan hệ như sau: Với phương pháp và thông số lặp như sau: 82 Algorithm Gauss-Newton Max iterations 200 Tolerance 0.00001 Được phương trình quan hệ giữa Rz với các thông số chế độ cắt: Rz  20.2886 .V -0.251907.S 0.0342276.t 0.0722877 (4.1) Parameter Estimates Parameter Estimate SE Estimate Theta1 20.2886 1.76723 Theta2 -0.2519 0.01737 Theta3 0.0342 0.00965 Theta4 0.0722 0.00475 Summary Iterations 9 Final SSE 1.24957 DFE 61 MSE 0.0204848 S 0.143125 Giá trị tính toán Rz bởi mạng mờ nơ ron và tính toán theo phương pháp hồi qui thực nghiệm được thể hiện trong phụ lục 5. Sai số trung bình 65 bộ dự đoán theo phương pháp truyền thống là tbhq=7.18% độ phân tán sai số là hq=3.7. Các giá trị dự đoán bởi mạng và theo phương pháp truyền thống cũng như giá trị thực đo được thể hiện trong hình 4.15 Từ đồ thị thấy rằng giá trị kết xuất bởi mạng mờ nơ ron luôn bám sát được giá trị đầu ra là giá trị thực đo hơn giá trị được tính bởi hàm hồi qui thực nghiệm. Như vậy mô hình mạng mờ nơ ron cho độ chính xác dự đoán cao hơn cả sai số trung bình và độ phân tán sai số đều nhỏ hơn. Thông số mạng biểu diễn mối quan hệ toán học giữa chế độ cắt với Rz: Sử dụng hàm liên thuộc dạng Gauss với hai thông số điều chỉnh là tâm (ci) và độ rộng (di), các giá trị trọng số pi được cho trong bảng 4.9 83 Bảng 4.9 Thông số mạng mờ nơ ron xác định mối quan hệ thực nghiệm Rz với chế độ cắtthép SKD11 Khoảng mờ c1 d1 c2 d2 c3 d3 P0 P1 P2 P3 1 0.528364 0.569794 1.241212 1.840673 0.923559 1.004859 411.7232 0.905422 1.173141 1.0124 2 2.857697 -2.7364 2.279625 0.625146 0.666744 1.711654 464.7757 1.431012 1.582475 1.360508 3 0.881613 0.055773 0.490509 1.074086 0.937114 1.576153 406.3479 0.516752 0.863681 1.122492 4 0.528932 0.425454 0.919773 0.717837 0.83221 0.293806 -3.07287 0.187684 0.274029 0.925678 5 0.523167 0.603853 0.860865 1.948106 -0.63872 0.799625 230.7008 0.546867 1.109365 0.202395 Bảng thông số mô hình mạng mờ nơ ron trên cho mô hình mạng. Biến x1 là biến vận tốc cắt được phân rã thành 5 khoảng mờ với hàm liên thuộc dạng Gauss có tâm là c 1i và độ rộng là d1i (trong đó i là khoảng mờ tương ứng i=1 đến 5). Tương tự biến x2 là biến lượng tiến dao được phân rã thành 5 khoảng mờ với hàm liên thuộc dạng Gauss có tâm là c 2i và độ rộng là d2i. Biến x3 là chiều sâu cắt t được phân rã thành 5 khoảng mờ với hàm Gauss có thông số là c3i và d3i. Các giá trị p0i là giá trị trọng số đánh giá mức độ ảnh hưởng của mỗi luật học (có 5 luật học), các giá trị pij là các giá trị trọng số đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt. Phương trình thể hiện mối quan hệ toán học mạng được đưa vào bảng phụ lục 21. b) Phân tích theo phương pháp Taguchi về ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt. Quá trình thu thập dữ liệu Rz được đo lặp lại 4 lần, mỗi mẫu cắt đo 2 lần. Do vậy dữ liệu thu thập được khi đo Rz với bộ thí nghiệm Taguchi gồm 25 bộ chế độ cắt. Sử dụng tỷ số S/N cho quá trình phân tích số liệu được thể hiện trong phụ lục 6. Đối với Rz là chỉ tiêu chất lượng bề mặt nên Rz càng nhỏ càng tốt do vậy tỷ số S/N được tính: 4 ( S / N ) i  yi  10. log10 ( ( Rz ji ) 2 ) (4.2) j 1 Tỷ số S/N được thay thế cho giá trị trung bình trong tính toán phân tích phương sai (ANOVA). Tính toán mức độ ảnh hưởng của các yếu tố chế độ cắt đến độ nhám đầu ra có thể tính mức độ ảnh hưởng của 3 yếu tố độc lập hay có kể đến tác động kết hợp điều khiển của các yếu tố. Quá trình phân tích phương sai theo Taguchi được thể hiện bảng dưới: Số bậc tự do của các yếu tố chính là fV=fS=ft=5-1=4; số thí nghiệm n=25 thí nghiệm nên số bậc tự do tổng là fT=25 1 n Giá trị trung bình ytb   ( y ) i  14.2719 n i 1 Phương sai tổng là ST: 2 n   y i  n n n T2 2 2 2 S T   yi  CF   yi    yi   i 1   31.48263 n n i 1 i 1 i 1 Tính phương sai thành phần; nV=nS=nt=5: m m 1 n 1 n SV    ( y ) 2V i  CF  6.149915 ; S S    ( y ) 2S i  CF  17.0908 i 1 nV i 1 i 1 n S i 1 m St   i 1 1 nt n  ( y) i 1 2 ti  CF  3.767423 ; S e  ST  SV  S S  S t  4.556206