Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
HOÀNG THỊ QUYÊN
ĐỀ TÀI:
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PARTICLE SWARM OPTIMIZATION
ĐÁNH GIÁ ĐỘ TRỤ TỪ DỮ LIỆU ĐO TRÊN MÁY CMM C544
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HD KHOA HỌC
HỌC VIÊN
thực hiện
luận văn.
Tác giả chân thành cảm ơn đến ThS. Nguyễn Văn Huy, bộ môn kỹ thuật máy tính
đã nhiệt tình giúp đỡ quá trình lập trình Matlab để chạy chương trình thuật toán trong
quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả xin cảm ơn Trung tâm thí nghiệm và các giáo viên thuộc Trung
tâm đã
tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiện luận
văn.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy
giáo
thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác
giả
tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện luận văn.
Mặc dù đã cố gắng, song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên
chắc
chắn luận văn này không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận được
những ý
kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để luận văn được
hoàn thiện
hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
PHẦN MỞ ĐẦU 9
I. Tính cấp thiết của đề tài. 9
II. Mục đích của đề tài 10
III. Nội dung của đề tài 10
IV. Phương pháp nghiên cứu 11
V. Công cụ nghiên cứu 11
Chƣơng 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐO ĐỘ TRỤ 12
I. Các khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo: 12
1.1. Đo lường. 12
1.2. Đơn vị đo - Hệ thống đơn vị đo. 12
1.3. Phương pháp đo. 13
1.4. Kiểm tra - phương pháp kiểm tra. 15
3.1.2. Các phép biến đổi tọ a độ 40
3.2 . Thuật toán xác định tâm và bán kính đường tròn. 44
3.2.1. Xác định đường tròn qua tọa độ 3 điểm đo 44
3.2.2. Xác định đường tròn qua tọa độ nhiều điểm đo. 45
Chƣơng 2: GIỚI THIỆU VỀ THOẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN 47
2.1 Tổng quan về thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO). 47
2.1.1 Giới thiệu 47
2.1.2 Thuật toán PSO 48
2.1.3 Sự khác biệt của thuật toán PSO so với các thuật toán tối ưu khác. 51
2.1.4 Tính chất của thuật toán PSO. 52
2.1.5 Ưu nhược điểm của thuật toán PSO. 52
2.1.6 Ứng dụng của thuật toán PSO. 52
2.2. Thuật toán PSO song song và PSO nối tiếp. 53
2.2.1. Thuật toán PSO song song. 53
2.2.2. Thuật toán PSO nối tiếp. 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
2.3. Các bước quan trọng trong việc áp dụng thuật toán PSO: 57
Chƣơng 3: ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PSO ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TRỤ 58
3.1 Yêu cầu đặt ra cho bài toán đánh giá độ trụ. 58
3.2. Đánh giá độ trụ dựa trên thuật toán PSO. 60
3.3. Lưu đồ thuật toán 63
Chƣơng 4: XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 65
4.1. Lập cơ sở dữ liệu 65
4.1.1. Máy đo tọa độ 3 chiều CMM 65
4.1.2. Tạo bộ dữ liệu cho chương trình. 70
4.2. Giới thiệu về phần mềm matlab 77
4.3. Ứng dụng phần mềm matlab chạy chương trình PSO ứng dụng. 78
Computer Numerical Control
Tiếng Việt
Máy đo tọa độ
Thuật toán di truyền
Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn
Hệ toạ độ
Quả cầu chuẩn
Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản
Sản xuất có trợ giúp của máy tính
Điều khiển số bằng máy tính
Thuật toán Dhanish
Thuật toán do P.B.Dhanish công bố trên International
journal of Maxhine Tool & Manufacture 42 (2002).
82
89
90
93
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình số
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Đo độ côn theo sơ đồ cơ bản
Đo độ côn theo sơ đồ đo vi sai
Đo độ côn dùng dụng cụ đo dạng tự chọn chuẩn
Đo độ phình thắt
Đo độ cong trục
Hệ toạ độ Đề các
Cách xác định toạ độ 1 điểm trong không gian 3D
Trang
17
18
20
20
21
26
27
29
29
29
30
30
32
33
34
35
35
36
37
38
39
Lưu đồ thuật toán
Cấu tạo máy CMM
Các loại đầu dò dùng cho máy CMM
Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu.
Máy CMM kiểu Grantry của B&S.
Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus.
Mẫu thử đo trên máy CMM.
Phần mềm GEOPAK.
Hộp thoại Start up wizard.
Thiết lập thông số tạo đầu đo chuẩn.
Hiệu chỉnh đầu đo.
Giao diện chương trình sau khi hiệu chỉnh đầu đo.
Hộp thoại Element plane.
Chọn mặt phẳng chuẩn.
Đo vòng tròn chuẩn.
Hộp thoại Create origin.
Lệnh đo các điểm.
Dữ liệu dạng .txt trong không gian
Giao diện chương trình.
48
54
56
58
63
66
67
69
69
69
70
Hộp thoại Set path.
Hộp thoại Browse For Folder.
Hộp thoại Set path khi đã chọn xong.
Hiển thị kết quả.
Hình trụ kết quả và các điểm đo.
Hình chiếu kết quả các điểm đo.
Các lần lặp của PSO
Mô phỏng tọa độ các điểm
Kết quả hiển thị
Dữ liệu dạng .text trong mặt phẳng.
Giao diện chương trình thuật toán Dhanish
Chọn file chứa mẫu
Kết quả chạy bộ dữ liệu 32 điểm
Kết quả các vòng lặp
79
79
80
80
81
81
82
83
89
91
91
92
92
93
pháp với các đa thức trực giao, có nghĩa là chiếu dữ liệu của hình trụ lên một số mặt
phẳng và sau đó nhận được sai số của hình trụ bằng phương pháp bằng phẳng. X
Qian [2] đã sử dụng hàm mục tiêu để đánh giá sai số hình trụ. Các sai số được tối
ưu hóa bằng thuật toán genetic algorithm (GA), phương pháp này cho phép giảm
không gian tìm kiếm mà vẫn hội tụ đến các giải pháp tối ưu toàn cục. Mặc dù vậy
tốc độ hội tụ của phương pháp này là quá chậm bởi các quá trình lai ghép và đột
biến trong quá trình tiến hóa. J Mao [3] phát triển một phương pháp để đánh giá sự
không chắc chắn của các sai số hình trụ. Phương pháp này dựa trên thuật toán tối ưu
hóa bầy đàn particle swarm optimization (PSO). Với phương pháp này cho tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
hội tụ nhanh và kết quả chính xác, phù hợp hơn với tiêu chuẩn vùng tối thiểu, tuy
nhiên trong tính tường minh của thuật toán còn chưa rõ. Dhanish [4] đã đưa ra thuật
toán rất tường minh để tìm giá trị nhỏ nhất của các sai số độ tròn cho bất kỳ bộ dữ
liệu nào và được Vũ Thị Tâm [5] nghiên cứu ứng dụng thuật toán này xác định sai
số độ tròn trên máy CMM, nhưng chưa xét trên mặt cắt dọc để đánh giá độ bóng và
độ kín khít bề mặt. Trên cơ sở đó tác giả tiếp tục nghiên cứu phát triển ứng dụng
thuật toán PSO để xác định sai lệch về độ trụ từ dữ liệu tọa độ các điểm đo trên máy
CMM C544 Mitutoyo. Hi vọng thành công của đề tài sẽ là đóng góp mới cho việc
phát triển mô hình đo lường và kiểm tra khác trong chế tạo máy.
Cơ sở thực tiễn
Xuất phát từ thực tế trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã
đầu tư máy đo tọa độ 3 chiều CMM và nhiều cơ sở sản xuất có khả năng đã và đang
trang bị máy CMM thay thế cho các thiết bị đo cũ và không đáp ứng được yêu cầu
sản xuất hiện đại. Việc khai thác có hiệu quả và tin cậy máy CMM là cần thiết. Hi
vọng chương trình xây dựng dựa trên các thuật toán xác định sai lệch về độ trụ từ
dữ liệu đo trên máy CMM sẽ hữu ích cho việc sử dụng máy đo để tự động hóa xác
định sai lệch độ trụ trong nghiên cứu và sản xuất thực tiễn.
- Máy CMM C544 Mitutoyo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
12
Chƣơng 1
CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐO ĐỘ TRỤ
I. Các khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo:
1.1. Đo lƣờng.
Đo lường là việc định lượng thông số của đối tượng đo. Đó là việc thiết lập
quan hệ giữa đại lượng cần đo và một đại lượng có cùng tính chất vật lý được quy
định dùng làm đơn vị đo.
Thực chất đó là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị chuẩn để tìm ra tỷ
lệ giữa chúng. Độ lớn của đối tượng cần đo được biểu diễn bằng trị số của tỷ lệ
nhận được kèm theo đơn vị đo dùng khi so sánh.
Ví dụ: Đại lượng cần đo là Q
,
đơn vị đo dùng so sánh là u. Khi so sánh ta có
tỷ lệ giữa chúng là:
q
sh
R
82
2
Trong đó h là chiều cao cung, s là độ dài dây cung.
Ví dụ: Khi đo tỷ trọng vật liệu, dựa trên quan hệ vật lý: D =
V
G
Trong đó D là tỷ trọng, G là trọng lượng mẫu, V là thể tích mẫu.
Nếu ta chọn mẫu dạng trụ thì: V =
h
d
4
.
2
Với d là đường kính mẫu, h là chiều dài mẫu.
Khi đó ta có: D =
hd
G
4
2
Việc chọn mối quan hệ nào trong các mối quan hệ có thể với thông số đo phụ
x - giá trị chỉ thị của dụng cụ.
Độ chính xác của phép đo tương đối cao hơn của phép đo tuyệt đối và phụ
thuộc chủ yếu vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh “0”.
(c) Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo chia ra:
phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo gián tiếp.
Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp đo mà đại lượng được đo chính là đại
lượng cần đo, ví dụ như khi ta đo đường kính chi tiết bằng panme, thước cặp, máy đo
chiều dài Phương pháp đo trực tiếp có độ chính xác cao nhưng kém hiệu quả.
Phương pháp đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó đại lượng được đo
không phải là đại lượng cần đo nó có quan hệ hàm số với đại lượng cần đo, ví dụ
như khi ta đo đường kính chi tiết thông qua việc đo các yếu tố trong cung hay qua
chu vi.
Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ toán học hoặc vật lý
học giữa đại lượng đo và đại lượng cần đo là phương pháp đo phong phú, đa dạng
và rất hiệu quả. Tuy nhiên, nếu hàm quan hệ phức tạp thì độ chính xác đo thấp.
Việc tính toán xử lý kết quả đo và độ chính xác đo rất phụ thuộc vào việc
chọn mối quan hệ này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15
1.4. Kiểm tra - phƣơng pháp kiểm tra.
Kiểm tra là việc xem xét chất lượng thực của đối tượng có nằm trong giới
hạn cho phép đã được quy định hay không. Giới hạn cho phép là sai lệch cho phép
trong dung sai sản phẩm mà người thiết kế yêu cầu phụ thuộc vào độ chính xác cần
thiết của sản phẩm. Nếu giá trị thực nằm trong khoảng sai lệch cho phép, sản phẩm
được xem là đạt, ngược lại sản phẩm bị xem là không đạt.
Việc kiểm tra phải thông qua kết quả đo thực của sản phẩm hoặc qua kích
thước giới hạn của calip. Vì thế, người ta thường gắn hai quá trình đo - kiểm làm
một quá trình đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Phương tiện đo được phân loại chủ yếu theo bản chất vật lý của quá trình đo:
quang học, cơ khí, thủy lực, điện, điện tử
Phương tiện đo còn được phân loại theo đặc tính sử dụng: vạn năng và
chuyên dùng.
Phương tiện đo được phân loại theo số toạ độ có thể có một, hai, ba hay
nhiều toạ độ.
Việc chọn phương tiện đo nào cho quá trình đo phụ thuộc vào:
- Các đặc điểm riêng của sản phẩm. Ví dụ: độ cứng, độ lớn, trọng lượng,
độ chính xác và cả số lượng sản phẩm cần đo kiểm.
- Phương pháp đo.
- Khả năng có thể của thiết bị
1.6. Các chỉ tiêu đo lƣờng cơ bản.
Giá trị chia độ c hay là độ phân giải: Đó là chuyển vị thực ứng với kim chỉ
dịch đi một khoảng chia a. Giá trị c càng nhỏ thì độ chính xác đo càng cao.
Khoảng chia độ a là khoảng cách giữa tâm hai vạch trên bảng chia độ.
Tỷ số truyền và độ nhậy K là tỷ số giữa sự thay đổi ở đầu ra tương ứng với
sự thay đổi ở đầu vào của dụng cụ đo. Khi K càng lớn, độ chính xác đo càng cao.
Khi sự thay đổi ở đầu vào ra cùng tính chất vật lý thì K là đại lượng không thứ
nguyên, gọi là tỷ số truyền. Khi các sự thay đổi này không cùng tính chất vật lý thì
K là sẽ có thứ nguyên của đại lượng ra trên đại lượng vào và K gọi là độ nhậy.
Độ nhậy giới hạn là chuyển vị nhỏ nhất ở đầu vào còn gây ra được chuyển
vị ở đầu ra ổn định và quan sát được. Khi càng bé thì độ chính xác đo càng cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
17
Độ biến động chỉ thị là phạm vi dao động của chỉ thị khi ta đo lập lại cùng
một giá trị đo trong cùng một điều kiện đo:
bd
Hình 1.1: Phân tích kết quả đo theo nguyên tắc Abbe
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
18
Với khe hở , chiều dài khâu dẫn là L, theo (hình 1-1) góc nghiêng
lệch lớn nhất là:
L
arcrg
Khi đo không theo nguyên tắc Abbe, sai số đo là:
1
= S.tg S.
Khi đo theo Abbe, sai số sẽ là:
2
= l(1-cos) l
2
2
1
+
2
21
dd Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
19
2) Đo L
2
, d
1
, d
2
: L
0
= L
2
-
2
21
dd
3) Đo L
1
, L
2
L
rất nhạy cảm với các thông số đầu vào như áp suất, dịch chuyển, nhiệt độ, sóng âm
và từ trường. Các đặc tính của sensor được thảo luận theo các tính chất sau:
Độ nhạy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
20
Độ phân giải
Độ chính xác lặp lại (Precision)
Độ chính xác đo (Accuracy)
Khoảng chết
Khả năng lặp lại
Khả năng tuyến tính
Mỗi tính chất trên đây sẽ được thảo luận và minh họa ở các phần sau:
1.8.1. Độ nhạy.
Độ nhạy là khả năng thiết bị đo phản ứng lại với các thay đổi của đại lượng
đo. Hay là tỉ lệ giữa khoảng thay đổi của tín hiệu đầu ra và đầu vào.
S
I
Độ chính xác đo (accuracy) được đánh giá bằng sự sai khác giữa giá trị đo và
giá trị thực tế. Độ chính xác đo (accuracy) phụ thuộc vào các giới hạn của thiết bị.
Một thí nghiệm được coi là chính xác nếu nó không bị ảnh hưởng bởi các lỗi của thí
nghiệm đó. Một độ chính xác ±0.001 có nghĩa là giá trị đo sai khác so với giá trị
thực trong phạm vi 0.001 đơn vị. Trong thực tế, độ chính xác được định nghĩa bằng
phần trăm của giá trị thực:
Phần trăm giá trị thực = (Giá trị đo – giá trị thực) / giá trị thực
Một cái cân có thể cân 1g với lỗi là 0.001g, vậy độ chính xác của thiết bị đo
này là 0.1%. Sự sai khác giữa giá trị đo và giá trị thực tế được gọi là độ lệch (bias)
1.8.4. Độ chính xác lặp lại
Độ chính xác lặp lại (precision) là khả năng của thiết bị có thể tạo được một
tập hợp các giá trị đo trong một phạm vi cho trước. Độ chính xác lặp lại (precision)
phụ thuộc vào độ ổn định của thiết bị.
Ví dụ: Hình 1.5 minh họa các mức độ khác nhau của Precision và Accuracy
trong thí nghiệm bắn bia.
Trường hợp precision cao, accuracy thấp xảy ra khi các vết đạn nằm ở vòng
tròn ngoài cùng. Trong trường hợp thứ 2, accuracy và precision cao, các vết đạn
nằm trong vòng tâm và khoảng cách rất gần nhau (rất chụm). Trường hợp thứ 3,
accuracy trung bình, precision thấp các vết đạn nằm ở các vòng giữa nhưng rời rạc,
Accuracy thấp
Precision cao
Các hệ cơ điện tử hiện đại phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng các sensor và
các kỹ thuật đo. Việc điều khiển các quá trình công nghiệp và các hệ thống tự động
sẽ rất khó khăn nếu như không có các sensor và các hệ thống đo chính xác. Hiệu
quả của các thiết bị cơ điện tử yêu cầu có các sự lựa chọn hợp lý các loại sensor, vật
liệu, phần cứng và phần mềm. Nói một cách rộng hơn, sự lựa chọn một thiết bị cho
một ứng dụng cụ thể sẽ phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu. Nếu chỉ cần độ chính
xác thấp thì không cần thiết phải sử dụng các sensor đắt tiền và các thành phần cảm
biến chính xác. Ngược lại, nếu thiết bị được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ
chính xác cao thì sai số của thiết bị cảm biến và đo phải nhỏ tới mức cho phép.
Mỗi hệ thống phụ thuộc vào hệ đo sẽ liên quan đến một lượng không ổn định
nào đó. Sự không ổn định này có thể do sự thiếu chính xác của một sensor riêng lẻ
Copyright: Tài liệu đại học ©