Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu tối ưu hóa động một số thông số công nghệ để đảm bảo nhám bề mặt chi tiết gia công trên trung tâm phay CNC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:176

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu tối ưu hóa động một số thông số công nghệ để đảm bảo nhám bề mặt chi tiết gia công trên trung tâm phay CNC" được hoàn thành với mục tiêu nhằm đề xuất điều khiển tối ưu ngay trong quá trình gia công nhằm đảm bảo mục tiêu chất lượng (nhám bề mặt) của chi tiết, mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu tối ưu hóa động một số thông số công nghệ để đảm bảo nhám bề mặt chi tiết gia công trên trung tâm phay CNC

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ ------*****------ NARIME NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA ĐỘNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỂ ĐẢM BẢO NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2024
BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ ------*****------ NARIME NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA ĐỘNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỂ ĐẢM BẢO NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 Xác nhận Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 của Viện Nghiên Cứu Cơ khí Giám đốc Trung tâm Đào tạo PGS.TS Lê Thu Quý PGS.TS Trần Ngọc Hiền PGS.TS Nguyễn Văn Cường Hà Nội – 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu tối ưu hóa động một số thông số công nghệ để đảm bảo nhám bề mặt chi tiết gia công trên trung tâm phay CNC” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học là PGS.TS Trần Ngọc Hiền và PGS.TS Nguyễn Văn Cường. Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm Nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Cơ khí Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Vinh TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Trần Ngọc Hiền PGS.TS. Nguyễn Văn Cường
ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Trần Ngọc Hiền và PGS.TS. Nguyễn Văn Cường đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Cơ khí, lãnh đạo, chuyên viên cùng các Thầy của Trung tâm đào tạo của Viện, đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Cơ khí - trường Đại học Giao thông Vận tải đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện về thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô, các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Vinh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... VII DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................... X DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................... XI MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài luận án........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án .......................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 5 4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án ............................................... 6 6. Các đóng góp mới của luận án ............................................................................... 6 CHƯƠNG I ............................................................................................................................ 7 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................................ 7 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu ......... 7 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................... 8 1.3. Gia công trên máy Phay điều khiển số ............................................................. 13 1.4. Hệ thống điều khiển trên máy điều khiển số ................................................... 14 1.5. Ảnh hưởng của thông số công nghệ tới chất lượng gia công trên máy điều khiển số ....................................................................................................................... 20 1.5.1. Chất lượng bề mặt gia công và các phương pháp giám sát, chuẩn đoán chất lượng bề mặt gia công ............................................................................................. 20 1.5.2. Ảnh hưởng của vận tốc cắt V đến nhám bề mặt ........................................... 25 1.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đến nhám bề mặt .................................... 26 1.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến nhám bề mặt .......................................... 27 1.5.5. Ảnh hưởng đồng thời các thông số công nghệ V, S, t đến nhám bề mặt. ..... 27 1.5.6. Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhám bề mặt ...................................... 33 1.5.7. Ảnh hưởng thông số dụng cụ cắt đến nhám bề mặt ...................................... 33
iv 1.5.8. Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ. ...................................... 33 1.6. Công nghệ tác tử ................................................................................................. 34 1.7. Công nghệ nhận thức ......................................................................................... 36 1.8. Tác tử nhận thức ................................................................................................ 38 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .......................................................................................... 40 CHƯƠNG II ........................................................................................................................ 41 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỐI ƯU HÓA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHI TIẾT GIA CÔNG ......................................................................................... 41 2.1. Cách xác định chỉ tiêu về chất lương gia công ................................................ 41 2.2. Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống điều khiển ..................................................... 45 2.2.1. Điều khiển thích nghi giới hạn ...................................................................... 48 2.2.2. Điều khiển thích nghi tối ưu.......................................................................... 50 2.3. Tiêu chí tối ưu hóa chế độ gia công .................................................................. 51 2.4. Lựa chọn các tham số điều khiển quá trình cắt .............................................. 52 2.5. Mạng trí tuệ nhân tạo và ứng dụng trong quá trình đıều khıển gıa công cắt gọt ................................................................................................................................ 54 2. 5.1. Nơ-ron nhân tạo............................................................................................ 54 2.5.2. Mạng trí tuệ nhân tạo .................................................................................... 55 2.5.3. Lựa chọn kiến trúc của mạng trí tuệ nhân tạo ............................................... 57 2.6. Phạm vi đối với các thông số điều khiển .......................................................... 61 2.7. Xác định chiều sâu cắt tức thời ......................................................................... 62 2.8. Trạng thái hệ thống điều khiển quá trình cắt ................................................. 67 2.9. Mô hình ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển quá trình cắt ... 69 2.10. Hiệu chỉnh các tham số điều khiển quá trình cắt .......................................... 72 2.10.1. Xác định nút lưới tọa độ tối ưu. .................................................................. 73 2.10.2. Xác định giá trị gia số của các tham số điều khiển ..................................... 75 2.11. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm tạo mẫu huấn luyện .............................. 78 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................... 82 CHƯƠNG III ....................................................................................................................... 84
v THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG............................................................................................... 84 3.1. Mục đích nghıên cứu thực nghıệm ................................................................... 84 3.2. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các tham số công nghệ tới nhám bề mặt, lực cắt, rung động, mòn dao ............................................................................ 84 3.2.1. Thiết bị thực nghiệm ..................................................................................... 84 3.2.2. Thiết kế thí nghiệm sàng lọc ......................................................................... 88 3.2.3. Kiểm tra mối quan hệ giữa lực cắt trung bình và các tham số công nghệ .... 98 3.2.4. Ảnh hưởng của tham số công nghệ đến mòn dao ....................................... 103 3. 3. Thiết kế thí nghiệm nhân tố toàn phần 2k..................................................... 105 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 109 CHƯƠNG IV .................................................................................................................... 111 HỆ THỐNG GIA CÔNG TỐI ƯU ĐỘNG ...................................................................... 111 4.1. Thông minh bầy đàn ........................................................................................ 112 4.2. Mô hình hệ thống sản xuất dựa trên tác tử nhận thức ................................. 113 4.3. Cơ chế vượt qua lỗi của hệ thống ................................................................... 116 4.4. Triển khai hệ thống thử nghiệm ..................................................................... 119 4.4.1. Giao thức giao tiếp ...................................................................................... 120 4.4.2. Hoạt động của hệ thống trong trạng thái bình thường ................................ 121 4.4.3. Hoạt động của hệ thống trong trạng thái có nhiễu ...................................... 123 4.4.4. Mô hình hệ thống dựa trên các CPS............................................................ 124 4.4.5. Thiết kế dữ liệu............................................................................................ 126 4.5. Thiết lập hệ thống tác tử .................................................................................. 128 4.6. Thời gian phản hồi của hệ thống trong trường hợp có sự nhiễu loạn......... 129 4.7. Ứng dụng thực tế trên máy thật...................................................................... 131 4.8. Thực nghiệm tự tối ưu trên hệ thống điều khiển thông minh tự điều chỉnh chế độ cắt Self-high speed machining, Self-HSM ................................................. 132 4.8.1. Mô hình thiết bị thực nghiệm ...................................................................... 133 4.8.2. Điều kiện thí nghiệm ................................................................................... 136
vi 4.8.3. Kết quả thực nghiệm ................................................................................... 138 4.8.4. Dự đoán mòn dao ........................................................................................ 140 4.8.5. Lượng chạy dao tốı ưu khi xét ảnh hưởng của mòn dao............................. 142 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................ 145 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 146 TÀİ LİỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 149
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, Diễn giải Đơn vị Chữ viết tắt CNC Computer Numerical Control – Máy gia công được điều khiển tự động với sự trợ giúp của máy tính CAD Computer Aided Design – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính CAM Computer Aided –Manufacturing – Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CAE Computer-Aided Engineering – Tính toán kỹ thuật có sự trợ giúp của máy tính CAPP Computer-aided process planning - Lập kế hoạch sản xuất với sự trợ giúp của máy tính IMS Integrated Management System - Hệ thống quản lý tích hợp FMS Flexible Manufacturing Systems – Hệ thống sản xuất linh hoạt CIM Computer Integrated Manufacturing - Hệ thống Sản xuất Tích hợp Máy tính MES Manufacturing Execution System - Hệ thống điều hành và thực thi sản xuất ERP Enterprise resource planning – Hệ thống lập kế hoạch nguồn lực, quản trị tổng thể doanh nghiệp NC Numerical Control - Điều khiển số ĐKTN Điều khiển thích nghi TBĐK Thiết bị điều khiển ĐTĐK Đối tượng điều khiển 𝑁 Công suất tiêu thụ kW
viii Kí hiệu, Diễn giải Đơn vị Chữ viết tắt P Lực cắt kN Mx Mô men xoắn Nm f Biến dạng dỏe mm θ Nhiệt hệ thống Độ μ Cường độ mòn dụng cụ cắt t Chiều sâu cắt mm s Lượng tiến dao mm/vòng v Tốc độ cắt m/phút j Độ cứng vững của hệ thống kg/m Ac Kích thước bù tĩnh mm Δv Lượng bù tốc độ cắt m/phút Δs Lượng bù tốc độ tiến dao mm/vòng ψ Véc-tơ các thông số ban đầu X Véc-tơ các thông số cần tìm C0 Tiêu chí tối ưu đ 𝐹𝑛.𝑐 Các tác động bên ngoài lên ĐTĐK có kiểm soát 𝐹đ 𝑛.𝑘 Các tác động bên ngoài lên ĐTĐK không kiểm soát 𝐹đ 𝑡.𝑐 Các tác động bên trong lên ĐTĐK có kiểm soát 𝐹đ 𝑡.𝑘 Các tác động bên trong lên ĐTĐK không kiểm soát 𝑡 𝐹 𝑡.𝑐 Các tác động bên trong lên TBĐK có kiểm soát 𝑡 𝐹 𝑡.𝑘 Các tác động bên trong lên TBĐK không kiểm soát 𝑡 Các tác động bên ngoài lên TBĐK có kiểm soát 𝐹𝑛.𝑐 𝑡 𝐹 𝑛.𝑘 Các tác động bên ngoài lên TBĐK không kiểm soát
ix Kí hiệu, Diễn giải Đơn vị Chữ viết tắt 𝐶с Giá thành nguyên công VNĐ CM Chi phí máy τM Thời gian gia công của máy phút CT Chi phí dụng cụ VNĐ τT Thời gian sử dụng dụng cụ phút T Tuổi thọ dụng cụ phút τp Thời gian phụ 1 nguyên công. phút 𝑁𝑡 Năn suất máy G Khối lượng phoi kg 𝑀𝑠 Năng suất bề mặt m2.phút
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Xác định sơ bộ số lượng tế bào trong lớp ẩn ............................................. 65 Bảng 2. 2. Xác định chính xác số lượng tế bào trong lớp ẩn ...................................... 66 Bảng 2. 3. Thực nghiệm 2 yếu tố với 2 mức biến đổi................................................. 81 Bảng 3. 1. Bảng thông số kỹ thuật máy CNC TC500 ................................................ 84 Bảng 3. 2. Giá trị các thông số đầu vào ...................................................................... 89 Bảng 3. 3. Thành phần thép AISI 1043 ....................................................................... 90 Bảng 3. 4. Thông số dụng cụ cắt ................................................................................. 91 Bảng 3. 5. Ma trận thí nghiệm và kết quả đo nhám Ra ............................................... 93 Bảng 3. 6. Mức độ tác động của các tham số độc lập tới Ra ...................................... 96 Bảng 3. 7. Ma trận thí nghiệm và kết quả đo lực cắt trung bình F(N) ...................... 101 Bảng 3. 8. Mức độ tác động của các tham số độc lập tới lực cắt F........................... 102 Bảng 3. 9. Ma trận thí nghiệm 23 và kết quả đo nhám bề mặt Ra............................. 106 Bảng 4. 1. Các thông số thực nghiệm ....................................................................... 137 Bảng 4. 2. Ma trận thí nghiệm................................................................................... 138 Bảng 4. 3. Kết quả thí nghiệm................................................................................... 138 Bảng 4. 4. Kết quả phân tích ảnh hưởng của các tham số cắt đến nhám bề mặt Ra . 139 Bảng 4. 5. Dự đoán mòn dao ..................................................................................... 142 Bảng 4. 6- Sinh lượng chạy dao ................................................................................ 143
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình. 0.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình gia công ........................................... 1 Hình. 0.2. Nhược điểm của hệ thống điều khiển hiện tại.............................................. 2 Hình. 0.3. Mô hình của hệ thống điều khiển tự tối ưu .................................................. 3 Hình. 0.4. Sơ đồ thực thi và trình tự nghiên cứu........................................................... 5 Hình 1. 1. Sự cần thiết của điều khiển chất lượng trong quá trình gia công................. 7 Hình 1. 2. Máy điều khiển số CNC ............................................................................. 14 Hình 1. 3. Cấu trúc của hệ thống điều khiển máy CNC .............................................. 14 Hình 1. 4. Sự cần thiết cho phát triển hệ thống sản xuất mới ..................................... 15 Hình 1. 5. Các lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống sản xuất thông minh ....................... 16 Hình 1. 6. Tích hợp kiến thức chuyên gia tới các hệ thống CAD/CAM/CNC ........... 17 Hình 1. 7. Vai trò của khoa học nhận thức đối với sản xuất tự động.......................... 18 Hình 1. 8. Hệ thống sản xuất ứng dụng khoa học nhận thức ...................................... 18 Hình 1. 9. Xu hướng kiến trúc điều khiển của máy CNC ........................................... 19 Hình 1. 10. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công ....................... 20 Hình 1. 11. Hệ thống gia công thông minh ................................................................. 22 Hình 1. 12. Nhám bề mặt phụ thuộc vào tốc độ cắt [34] ............................................ 25 Hình 1. 13. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi phay thép hợp kim Ti- 6242S [35] ................................................................................................................... 26 Hình 1. 14. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay hợp kim Ti- 6242S [35] ................................................................................................................... 27 Hình 1. 15. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay AISI 316L SS [38]....................................................................................................... 28 Hình 1. 16. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay thép 42CrMo4 trong trường hợp chiều sâu cắt tăng dần [39] ..................................... 29 Hình 1. 17. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay thép 42CrMo4 trong trường hợp chiều sâu cắt cố định bằng 1.25mm [39]................ 29 Hình 1. 18. Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt khi phay SKD11 [40] .................................................................................................. 30 Hình 1. 19. Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay SKD11 [40] ........................................................................................... 30
xii Hình 1. 20. Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến nhám bề mặt khi phay SKD11 [40] ........................................................................................... 31 Hình 1. 21. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt tại những giá trị khác nhau của vận tốc cắt khi phay thép AISI 304 [41] ...................................................... 32 Hình 1. 22. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt tại những giá trị khác nhau của lượng chạy dao khi phay thép AISI 304 [41] ....................................................... 32 Hình 1. 23. Phân loại tác tử ......................................................................................... 35 Hình 1. 24. Mô hình của tác tử truyền thống .............................................................. 35 Hình 1. 25. Mô hình xử lý thông tin của con người.................................................... 36 Hình 1. 26. Vai trò của con người trong hệ thống sản xuất ........................................ 37 Hình 1. 27. Mô hình của hệ thống nhận thức .............................................................. 38 Hình 1. 28. Kiến trúc của tác tử nhận thức ................................................................. 39 Hình 1. 29. Công nghệ cho triển khai tác tử nhận thức .............................................. 39 Hình 2. 1. Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống điều khiển ............................................... 46 Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi giới hạn ................................ 49 Hình 2. 3. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển thích nghi tối ưu .................................... 50 Hình 2. 4. Sơ đồ quá trình tiện .................................................................................... 53 Hình 2. 5. Sơ đồ hệ thống điều khiển .......................................................................... 54 Hình 2. 6. Cấu trúc tế bào thần kinh nhân tạo ............................................................. 55 Hình 2. 7. Dạng tổng quát của mạng trí tuệ RBF........................................................ 58 Hình 2. 8. Giới hạn trên mặt phẳng đặc tính sản xuất của máy .................................. 62 Hình 2. 9. Họ đường cong tối ưu ................................................................................ 63 Hình 2. 10. Các vị trí có năng suất lớn nhất ................................................................ 63 Hình 2. 11. Đầu vào và đầu ra mạng trí tuệ, xác định chiều sâu cắt ........................... 64 Hình 2. 12. Các phương án trạng thái của hệ thống điều khiển thích nghi................. 68 Hình 2. 13. Xác định mô men cắt................................................................................ 69 Hình 2. 14. Xác định công suất cắt ............................................................................. 70 Hình 2. 15. Các tình huống giới hạn khả dĩ của quá trình cắt..................................... 71 Hình 2. 16. Mạng Nơ-ron xác định điểm tối ưu O ...................................................... 71 Hình 2. 17. Tính rời rạc của hệ thống CNC ................................................................ 72 Hình 2. 18. Xác định điểm nút lưới gần nhất so với điểm tối ưu................................ 73 Hình 2. 19. Thuật toán xác định nút lưới tối ưu. ......................................................... 74
xiii Hình 2. 20. Xác định nút lưới tọa độ tối ưu trên mặt phẳng đặc tính sản xuất của máy. ..................................................................................................................................... 74 Hình 2. 21. Xác định số gia khả dĩ của các tham số điều khiển ................................. 76 Hình 2. 22. Xác định nút tọa độ đích .......................................................................... 76 Hình 2. 23. Hiệu chỉnh các tham số điều khiển quá trình cắt ..................................... 77 Hình 3. 1. Máy phay TC500 ........................................................................................ 85 Hình 3. 2. Cảm biến đo lực được lắp đặt trên Máy phay TC500 ................................ 86 Hình 3. 3. Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-210 dùng trong thực nghiệm ..................... 87 Hình 3. 4. Kiểm tra mòn dao bằng Kính hiển vi kỹ thuật số VHX-7000 ................... 88 Hình 3. 5. Mẫu chi tiết thí nghiệm .............................................................................. 90 Hình 3. 6. Quá trình gia công và sản phẩm sau gia công ............................................ 91 Hình 3. 7. Hệ thống xử lý dữ liệu................................................................................ 92 Hình 3. 8. Sơ đồ đo nhám bề mặt ................................................................................ 93 Hình 3. 9. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công ở chế độ thứ 1 ................................... 94 Hình 3. 10. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công ở chế độ thứ 2 ................................. 94 Hình 3. 11. Chất lượng bề mặt chi tiết gia công ở chế độ thứ 8 ................................. 95 Hình 3. 12. Đồ thị ảnh hưởng của các tham số công nghệ tới Ra.............................. 96 Hình 3. 13. Đồ thị phân tích S/N (Ra)......................................................................... 96 Hình 3. 14. Ảnh hưởng tương tác của các tham số tới nhám bề mặt Ra .................... 97 Hình 3. 15. Quá trình gia công và đo lực cắt .............................................................. 99 Hình 3. 16. Lực cắt đo được trong quá trình gia công ở chế độ 1 ............................ 100 Hình 3. 17. Lực cắt đo được trong quá trình gia công ở chế độ 2 ............................ 100 Hình 3. 18. Lực cắt đo được trong quá trình gia công ở chế độ 1 ............................ 101 Hình 3. 19. Đồ thị ảnh hưởng của các tham số công nghệ tới lực cắt F (N) ........... 102 Hình 3. 20. Đồ thị ảnh hưởng tương tác của các tham số đến lực cắt F ................... 103 Hình 3. 21 Sơ đồ đo mòn dao bằng kính hiển vi kỹ thuật số VHX7000 .................. 104 Hình 3. 22. Kết quả đo mòn dao sau gia công các mẫu thử với chế độ gia công theo bảng 3.7 ..................................................................................................................... 104 Hình 3. 23. Biểu đồ Pareto ảnh hưởng của các tham số tới Ra................................. 108 Hình 4. 1. Sơ đồ tổng thể của hệ thống tối ưu động ................................................ 111 Hình 4. 2. Kỹ thuật thông minh bầy đàn được áp dụng trong sản xuất .................... 112
xiv Hình 4. 3. Cơ chế đàn kiến tìm ra đường đi ngắn nhất ............................................. 113 Hình 4. 4. Mô hình hệ thống gia công dựa trên công nghệ tác tử ............................. 113 Hình 4. 5. Mô hình của một máy công cụ tự trị ........................................................ 114 Hình 4. 6. Cơ chế vượt qua lỗi của hệ thống............................................................. 117 Hình 4. 7. Mô hình thử nghiệm ................................................................................. 119 Hình 4. 8. Cấu trúc thử nghiệm của một hệ thống. ................................................... 120 Hình 4. 9. Phân tích giao thức giao tiếp của các thiết bị. .......................................... 121 Hình 4. 10. Xây dựng chương trình điều khiển PLC của hệ thống trong trạng thái bình thường................................................................................................................ 121 Hình 4. 11. Xây dựng chương trình PLC của hệ thống trong trạng thái có sự nhiễu loạn. ........................................................................................................................... 124 Hình 4. 12. Thuật toán để tác nhân máy đưa ra quyết định. ..................................... 126 Hình 4. 13. Trường dữ liệu, loại nguồn và sự nhiễu loạn. ........................................ 127 Hình 4. 14. Trường dữ liệu và loại công việc. .......................................................... 127 Hình 4. 15. Ảnh chụp màn hình của hệ thống triển khai sản xuất (MES). ............... 128 Hình 4. 16. Ảnh chụp màn hình của tác tử máy. ....................................................... 128 Hình 4. 17. Thời gian phản hồi của hệ thống trong trường hợp không đàm phán.... 129 Hình 4. 18. Thời gian phản hồi của hệ thống trong trường hợp đàm phán............... 130 Hình 4. 19. Kết quả thí nghiệm về thời gian phản hồi của hệ thống. ....................... 130 Hình 4. 20. Phân loại các dạng nhiễu. ....................................................................... 131 Hình 4. 21. Máy CNC được điều khiển bởi tác tử máy. ........................................... 132 Hình 4. 22. Mô hình Self-HSM ................................................................................. 134 Hình 4. 23. Mô hình lấy dữ liệu thí nghiệm .............................................................. 135 Hình 4. 24.Thiết bị đo lực cắt.................................................................................... 136 Hình 4. 25. Sơ đồ thuật toán lan truyền ngược trong mạng ANN ............................ 141 Hình 4. 26. Mạng trí tuệ nhân tạo để dự đoán mòn dao............................................ 142 Hình 4. 27. Mạng trí tuệ nhân tạo để sinh lượng chạy dao tối ưu............................. 143
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài luận án Chất lượng sản phẩm là một tiêu chí quan trọng của quá trình sản xuất. Vì vậy cần áp dụng các công nghệ tiên tiến để thực hiện quá trình sản xuất một cách hiệu quả. Giám sát và điều khiển quá trình gia công đang trở nên quan trọng để đảm bảo chất lượng của chi tiết được gia công. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình gia công được thể hiện ở Hình 0.1 bao gồm đặc tính của phôi, máy, dao cắt và thông số chế độ cắt. Chất lượng của chi tiết trong quá trình gia công được đảm bảo trong giới hạn cho phép cần xét tới các nhân tố này. Hình. 0.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình gia công Trong hệ thống gia công, máy công cụ đóng vai trò quan trọng. Nó ảnh hưởng tới quá trình thực thi và năng suất của toàn hệ thống. Trong thời gian gần đây, các máy công cụ có sự cải tiến không ngừng cả phần cứng và công nghệ điều khiển. Tiến bộ trong kỹ thuật phần cứng của máy công cụ thể hiện bởi sự ra đời của các máy công cụ tích hợp tiện-phay, máy gia công năm trục, máy công cụ siêu chính xác. Đặc điểm chính của các máy này là sự thay đổi chức năng và cấu trúc của máy để thực hiện nhiều kiểu thao tác và nhiều trục. Bên cạnh sự phát triển về cấu trúc và chức năng của máy
2 công cụ, các tiến bộ trong hệ thống điều khiển hướng tới các máy công cụ thông minh đã và đang được nghiên cứu. Kiến trúc điều khiển mở, phản hồi thông tin quá trình cắt gọt và điều khiển năm trục là các công nghệ hiện tại của các máy gia công điều khiển số CNC. Tiến bộ kỹ thuật về phần cứng và phần mềm của máy công cụ mang lại hiệu quả thực thi cao cho các máy. Máy gia công điều khiển số CNC góp phần tự động hóa quá trình gia công với độ chính xác cao và năng suất cao. Tuy nhiên Hệ thống điều khiển máy gia công điều khiển số (CNC) hiện tại không thể kiểm soát chất lượng ngay trong quá trình gia công. Đặc điểm cấu trúc điều khiển hiện tại gồm hai lớp: điều khiển servo (lớp 1) và biên dịch (lớp 2) để điều khiển chuyển động các trục của máy công cụ. Hệ thống điều khiển này cho phép điều khiển chuyển động phức tạp nhưng không cho phép điều khiển quá trình cắt phức tạp. Hệ thống điều khiển hiện tại phù hợp với kế hoạch sản phẩm không thay đổi như thể hiện ở Hình 0.2. Hình. 0.2. Nhược điểm của hệ thống điều khiển hiện tại Trong trường hợp lỗi như mòn dao, giá trị tối ưu ban đầu của thông số cắt phải được thay đổi để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Điều này không thể xảy ra đối với hệ thống điều khiển hiện tại. Nó không thể thay đổi thứ tự câu lệnh gia công hoặc chế độ cắt trong thao tác gia công. Nó chỉ thực hiện thao tác gia công đã được lập trình sẵn trong chương trình NC. Đây là nguyên nhân giảm sự linh hoạt của các thao tác gia công. Chương trình NC với các lệnh cố định không thích ứng với thay đổi như công việc trì hoãn, thêm công việc hoặc máy hỏng, lỗi, mòn dao. Vì vậy chương trình NC được coi như một trở ngại cho sự phát triển của thế hệ máy CNC. Máy công cụ sử dụng
3 chương trình NC không thể thực hiện các quá trình một cách tự trị và thông minh bởi chúng không có cơ chế phản hồi trong suốt quá trình gia công. Mặt khác sự tích hợp của thông minh nhân tạo trong sản xuất hướng tới các máy linh hoạt và tự tối ưu vẫn còn thiếu. Hệ thống điều khiển của máy CNC hiện tại có hai lớp chính: lớp điều khiển servo và lớp biên dịch cho điều khiển chuyển động các trục của máy công cụ. Hệ thống điều khiển này cho phép đạt được điều khiển quá trình cắt như mong muốn. Hai lớp thêm vào của cấu trúc điều khiển của máy công cụ thông minh cho phép điều khiển các quá trình cắt phức tạp như thể hiện tại Hình 0.3. Hình. 0.3. Mô hình của hệ thống điều khiển tự tối ưu Để thích nghi với các lỗi có xét tới chất lượng sản phẩm, nghiên cứu này trình bày hệ thống điều khiển tự tối ưu. Cấu trúc điều khiển được thể hiện tại Hình 0.3. Có hai lớp được thêm vào cấu trúc điều khiển ban đầu là lớp 3 và lớp 4 trong hệ thống điều khiển tự tối ưu cho phép điều khiển quá trình gia công. Các thao tác gia công trên máy CNC truyền thống thực hiện theo lệnh trong chương trình NC và chỉ có tốc độ dịch chuyển bàn máy có thể thay đổi. Trong điều khiển quá trình cắt thì thích nghi động các thông số cắt là không thể thiếu được. Điều khiển tự tối ưu được thêm ở mức cao của cấu trúc điều khiển tuần tự (lớp 3) cho phép giám sát quá trình cắt, nó cho biết trạng thái gia công của chế độ cắt và thao tác gia công. Lớp 4 là lớp kiểm soát nhận phản hồi từ cảm biến hoặc đo kiểm của chi tiết đã gia công. Đánh giá kết quả gia công và đưa ra
4 giải pháp hợp lý để nâng cao chất lượng gia công được yêu cầu ở lớp này. Sử dụng hiệu quả các thông tin phản hồi liên quan đến kết quả quá trình gia công là rất quan trọng để cải thiện quá trình gia công tiếp theo. Thêm vào đó chiến lược tự lập kế hoạch xử lý để có được kế hoạch làm việc linh hoạt và thích ứng là yêu cầu đối với các máy CNC thông minh. Nó phải phản ứng và thích nghi với các thay đổi của hệ thống sản xuất. Do đó việc sử dụng kiến thức, kỹ năng, phương pháp liên quan tới thao tác gia công cần được xem xét. Thực hiện thích nghi động quá trình gia công, tự tối ưu được thực hiện bởi kết nối ba hành động: - Phân tích tình huống hiện tại: hệ thống gia công xác định tình huống hiện tại thông qua phân tích các thông số thiết lập và tín hiệu từ cảm biến, điều đó cho phép phát hiện trạng thái hiện tại của hệ thống theo các mục tiêu đã định. - Xác định mục tiêu: việc tối ưu yêu cầu xác định các mục tiêu nội tại để định rõ cách hệ thống gia công thực hiện để đạt được mục tiêu tổng thể. Các hàm mục tiêu nội tại tham số hoá các hệ thống con và cơ cấu chấp hành. - Điều chỉnh cư xử của hệ thống: so sánh trạng thái hiện tại với các mục tiêu của hệ thống. Điều này cho phép hệ thống gia công quyết định thích ứng các mục tiêu nội tại để đạt được mục tiêu tổng quát. Từ những phân tích ở trên, có thể khẳng định “NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA ĐỘNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỂ ĐẢM BẢO NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC” ngay trong quá trình gia công nhằm đảm bảo chất lượng của chi tiết là vấn đề rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu của luận án đề xuất điều khiển tối ưu ngay trong quá trình gia công nhằm đảm bảo mục tiêu chất lượng (nhám bề mặt) của chi tiết, mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Quá trình tối ưu động dựa trên mô hình động của quá trình cắt có chú ý tới các đặc điểm mang tính ngẫu nhiên (rung động, mòn dao, thay đổi nhiệt độ…) hoặc thay đổi theo thời gian như lượng mòn dao.