Sử dụng thuật toán particle swarm optimization đánh giá độ trụ từ dữ liệu đo trên máy CMM c544

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Hoàng Thị Quyên THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện được đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa cơ khí, trung tâm thí nghiệm, bộ môn kỹ thuật máy tính, các thầy cô giáo trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp . Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, các giáo viên giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe, Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2011 Tác giả luận văn Hoàng Thị Quyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 1.5. Phương tiện đo - Phân loại phương tiện đo. 16 1.6. Các chỉ tiêu đo lường cơ bản. 16 1.7. Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường. 17 1.7.1. Nguyên tắc Abbe. 17 1.7.2. Nguyên tắc chuỗi kính thước ngắn nhất 18 1.7.3. Nguyên tắc chuẩn thống nhất. 19 1.7.4. Nguyên tắc kinh tế. 19 1.8. Các thông số chất lượng của hệ thống đo. 19 1.8.1. Độ nhạy. 20 1.8.2. Độ phân giải. 20 1.8.3. Độ chính xác đo. 21 1.8.4. Độ chính xác lặp lại 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 1.8.5. Khoảng chết. 22 1.8.6. Khả năng lặp. 22 1.8.7. Khả năng tuyến tính hóa. 22 1.8.8. Sai số gắn với mô hình hóa hệ thống đo. 22 1.8.9. Phương pháp tính sai số tổng. 23 II. Phương pháp đo các thông số hình học. 25 2.1. Phương pháp đo kích thước. 25 2.1.1. Phương pháp đo hai tiếp điểm. 25 2.1.2. Phương pháp đo ba tiếp điểm. 26 2.1.3. Phương pháp đo tọa độ. 31 2.2. Phương pháp đo độ trụ. 33 III. Một số mô hình toán học áp dụng khi đo 3D 38 3.1. Cơ sở khoa học của phép đo tọa độ. 38 3.1.1. Hệ tọa độ đề các vuông góc. 38 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 4.4. So sánh thuật toán PSO với thuật toán Dhanish. 82 4.4.1. Thuật toán Dhanish xác định độ không tròn. 82 4.4.2. Kết quả của việc ứng dụng thuật toán Dhanish. 89 4.4.3. Chuyển dữ liệu trên mặt trụ về một mặt phẳng. 90 4.4.4. Đánh giá kết quả. 93 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CMM GA PSO Co-or. Sys MB HTML CAM CNC Tên tiếng Anh Coordinate Measuring Machine Genetic algorithm Particle swarm optimization Coordinate System MasterBall HyperText Markup Language Computer Aided Manufacturing 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). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng số 1.1 1.2 1. 3 3.1 4.1 4.2 4.3 4.4 Nội dung Thông số quy định sai số hình dáng bề mặt TCVN-11-77. Bảng dấu của các góc tọa độ. Cosin chỉ phương hệ tọa độ mới. Dữ liệu đo bất kỳ trên bề mặt trụ Kết quả của PSO Dữ liệu đo bất kỳ trên đường tròn Bộ dữ liệu chiếu xuống mặt phẳng oxy So sánh kết quả của hai thuật toán: PSO và Dhanish Trang 33 39 41 64 82 89 90 93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình số 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 Nội dung Phân tích kết quả đo theo nguyên tắc Abbe Đo khoảng cách giữa hai tâm Mô hình đặc trưng của một bộ chuyển đổi Mối quan hệ vào/ra Ví dụ mục tiêu bắn Phương pháp đo hai tiếp điểm Phương pháp đo 3 tiếp điểm Chi tiết then hoa Chi tiết méo 3 cạnh Dựng đường tròn đi qua 3 điểm Phương pháp đo cung 3 tiếp tuyến Chỉnh “zero” cho dụng cụ dùng H 0 Phương pháp đo tọa độ Sai lệch về độ trụ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 Sơ đồ một điểm tìm kiếm bằng phương pháp PSO Lưu đồ giải thuật PSO song song Lưu đồ giải thuật PSO nối tiếp Miền dung sai hình trụ 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 71 71 72 72 73 73 74 74 75 76 76 78 [...]... 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 Từ những cơ sở phân tích trên việc nghiên cứu Sử dụng thuật toán Particle Swarm Optimization đánh giá độ trụ từ dữ liệu đo trên máy CMM C544 là cấp thiết và có ý nghĩa khoa... đề tài - Sử dụng thuật toán Particle Swarm Optimization xác định sai lệch độ trụ từ dữ liệu đo trên máy CMM - Thiết lập chương trình xử lý dữ liệu - Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong đo lường kiểm tra chi tiết họ trục/lỗ III Nội dung của đề tài - Đánh giá tổng quan về các phương pháp đo trên các máy CMM - Cơ sở toán học và các công cụ toán về phép đo và xử lý dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN... 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... Tổng quan về thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) - Mô hình bài toán xác định sai số độ trụ - Sử dụng thuật toán PSO đánh giá độ trụ và lập trình ứng dụng thuật toán này bằng phần mền Matlab để tính toán sai số độ trụ - Đánh giá kết quả và so sánh kết quả của bằng phương pháp PSO với phương pháp xác định độ tròn theo Dhanish IV Phƣơng pháp nghiên cứu - Ứng dụng toán - Ứng dụng kỹ thuật lập trình... hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại lượng đo chia ra phương pháp đo tuyệt đối và phương pháp đo tương đối Trong phương pháp đo tuyệt đối, giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo là giá trị đo được Phương pháp đo này đơn giản, ít nhầm lẫn, nhưng độ chính xác đo kém Phương pháp đo này cho ta sai lệch giữa giá trị đo và giá trị của chuẩn dùng khi chỉnh “0” cho dụng cụ đo Kết quả đo phải... nhiều của máy đo tọa đọ CMM, kỹ thuật đo bằng máy CMM đã nhận được nhiều sự quan tâm Các máy CMM tích hợp máy tính và phần mềm phù hợp để phân tích và xử lý kết quả đo Điều làm nhiều người dùng băn khoăn là cùng một bộ dữ liệu về tọa độ nhưng các máy CMM khác nhau lại cho các kết quả khác nhau Điều này được giải thích là do thuật toán xử lý dữ liệu khác nhau Xác định các thông số chuẩn cho hình trụ là... sơ đồ a, đo n AB được đo trên thiết bị đo một toạ độ, ở sơ đồ b đo n AB được đo trên thiết bị đo hai toạ độ với phương trình kết quả đo được tính theo sơ đồ đo Trong sơ đồ c, chi tiết được đo trên thiết bị đo 3 toạ độ Mặt của chi tiết đặt trên mặt chuẩn MC của bàn đo, đặt trong hệ toạ độ 3 chiều x, y, z Điều chỉnh cho đầu đo tiếp xúc với bàn đo ít nhất là 3 điểm 1,2,3 có toạ độ x,y,z tương ứng với... Phƣơng pháp đo tọa độ Phương pháp đo một tiếp điểm là phương pháp đo mà khi đo yếu tố của thiết bị đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo trên một tiếp điểm Kích thước đo được xác định từ toạ độ các điểm tiếp xúc khi đo Vì vậy, phương pháp đo một tiếp điểm còn gọi là phương pháp đo toạ độ Tuỳ theo yêu cầu đo mà có các phương pháp đo một, hai, ba hay nhiều toạ độ như hình 1-13 mô tả Trong đó ở sơ đồ a, đo n AB... chỉnh chi tiết đo trước khi đo, giảm một cách đáng kể các động tác chuẩn bị khi đo Tuỳ theo số tọa độ có thể của thiết bị đo mà thao tác đo và cách tính toán kết quả đo khác nhau Số toạ độ của thiết bị càng nhiều thì thao tác đo càng đơn giản Số tọa độ càng nhiều, số điểm đo càng nhiều việc tính toán kết quả đo càng khó khăn Vì thế, để nâng cao độ chính xác khi đo người ta cần đo nhiều điểm đo và cần có... tắc này nhằm đảm bảo độ chính xác đo trong điều kiện giá thành khâu đo thấp nhất, điều này có liên quan đến: - Giá thành của thiết bị đo, tuổi bền của thiết bị đo - Số lượng sản phẩm - Năng suất đo - Yêu cầu trình độ người sử dụng và sửa chữa - Khả năng chuyên môn hoá, tự động hoá khâu đo kiểm - Khả năng lợi dụng các thiết bị đo phổ thông, thiết bị đo sẵn có hoặc các thiết bị gá lắp đo lường tự trang . 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. xuất thực tiễn. Từ những cơ sở phân tích trên việc nghiên cứu Sử dụng thuật toán Particle Swarm Optimization đánh giá độ trụ từ dữ liệu đo trên máy CMM C544 là cấp thiết và có ý nghĩa khoa. tài - Sử dụng thuật toán Particle Swarm Optimization xác định sai lệch độ trụ từ dữ liệu đo trên máy CMM. - Thiết lập chương trình xử lý dữ liệu. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong đo lường