Báo Cáo ứng dụng mạng nơron không giám sát vào việc chẩn đoán hư hỏng của bộ bánh răng trụ răng thẳng 1 cấp

TÓM TẮT: Trong cơ cấu truyền động, bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng là phổ biến nhất. Việc chẩn đoán hư hỏng của bộ truyền này vẫn dựa trên việc nghe các tiếng ồn bất thường và rồi mở ra kiểm tra xem hư cái gì. Công việc chẩn đoán như vậy rất mất thời gian, tốn công sức mà nhiều khi chưa chắc đã chính xác. Trong bài báo này các tín hiệu dao động do hư hỏng gây ra từ hộp số 1 cấp được thu về và phân tích phổ. Các phổ này được đưa vào mạng nơron không giám sát nhằm huấn luyện mạng nơron này. Sau khi đã huấn luyện xong, với các tín hiệu dao động từ hộp số 1 cấp, mạng nơron sẽ phát hiện ra đó là hư hỏng gì. Phương pháp này đạt được độ chính xác gần như tuyệt đối và không phụ thuộc tính chủ quan của con người.
Từ khóa: nơron không giám sát, nơron có giám sát


1. GIỚI THIỆU


Trong các cơ cấu truyền động cơ khí, hộp số là một bộ phận không thể thiếu. Hộp số được cấu tạo bằng nhiều bộ bánh răng ăn khớp với nhau để thay đổi tỉ số truyền giữa đầu ra và đầu vào của hộp số. Những bộ bánh răng này có thể gồm: bánh răng nghiêng, bánh răng xoắn, bánh răng nón . nhưng bộ bánh răng trụ răng thẳng vẫn là phổ biến nhất [1]. Việc chẩn đoán hư hỏng bánh răng đã được đề cập trong nhiều đề tài nghiên cứu khác nhau [2], [3] và [4]. Các nghiên cứu này đã giới thiệu các phương pháp phân tích khác nhau để xác định hư hỏng và có thể sơ lược giới thiệu dưới đây.
Trong [2], tác giả đã giới thiệu một nguyên tắc rằng: Mọi rung động liên quan đến trục hay bánh răng sẽ lập lại có chu kỳ theo chu kỳ quay của trục. Tín hiệu dao động thu được sẽ được chia thành những phần bằng nhau tương ứng với chu kỳ quay của trục. Giá trị trung bình này sẽ làm giá trị chuẩn cho mỗi một loại hư hỏng. Phương pháp này đơn giản, không cần nhiều thiết bị quá phức tạp. Tuy nhiên, độ chính xác phương pháp này không cao do lấy giá trị trung bình nên chưa đại diện cho những hư hỏng rất đặc biệt.
Một nghiên cứu khác được trình bày trong [3], trong đó các tín hiệu dao động thu về được phân tích qua phổ dao động. Thông qua các phổ này, người ta tìm ra các giá trị số quân phương và giá trị này làm chuẩn để tìm ra hư hỏng. Phương pháp này tỏ ra là đơn giản, thời gian tìm ra hư hỏng là khá nhanh. Tuy nhiên nó lại không chính xác và yêu cầu phải có chuyên gia để xác định hư hỏng.
Trong [4], một phương pháp phân tích phổ tần số được giới thiệu. Khi có một hư hỏng nào đó thì trên phổ dao động của hư hỏng đó xuất hiện các hài trội trên phổ. Chính vì vậy mà khi nhìn vào phổ dao động, hư hỏng của hộp số sẽ được phát hiện. Phương pháp này khá đơn giản nhưng lại đòi hỏi phải có chuyên gia hoặc người có kinh nghiệm để nhìn vào phổ và xác định hư hỏng.
Trong bài báo này, một phương pháp mới nhận dạng hư hỏng sẽ được giới thiệu. Hai loại hư hỏng được thử nghiệm của 1 bộ bánh răng thẳng răng trụ 1 cấp gồm: gãy răng, mòn răng sẽ được dùng trong thí nghiệm để phân tích và nhận dạng ra là loại hư hỏng gì. Công việc được thực hiện qua việc phân tích phổ dao động của bộ bánh răng bình thường và những cặp bánh



răng bị gãy hay mòn thông qua chuyển đổi Fourier. Sau đó phổ dao động này sẽ được lấy giá trị trung bình, trung bình bình phương v.v. Các giá trị này sẽ là đầu vào của mạng nơron và được dùng để huấn luyện mạng nơron này. Sau khi huấn luyện xong, mạng nơron sẽ xác định được loại hư hỏng là hư hỏng gì khi có tín hiệu đầu vào. Điều đặc biệt là trong bài báo này sẽ giới thiệu mạng nơron không giám sát. Khả năng vượt trội trong nhận dạng hư hỏng do mạng nơron này tìm ra sẽ được đưa ra sẽ được minh chứng qua việc so sánh với kết quả nhận dạng của mạng nơron có giám sát. Bài báo cũng xác định phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả, giúp tìm ra hư hỏng nhanh nhất với chi phí thấp nhất.


2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT


Cơ sở lý thuyết của bài báo này dựa trên 3 lý thuyết chủ yếu là phân tích phổ dao động bằng chuyển đổi Fourier, mạng nơron không giám sát và mạng nơron có giám sát được dùng để so sánh.
Chuyển đổi Fourier là một phép chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số [5], [6]. Nghĩa là khi cho một tín hiệu theo thời gian, sau khi được đem qua chuyển đổi Fourier, chúng ta sẽ thu nhận được các tần số tạo ra tín hiệu theo thời gian ở trên. Như vậy nói một cách khác, chúng ta sẽ thu được phổ dao động của một tín hiệu theo thời gian. Phương trình toán chuyển đổi được thể hiện trong phương trình (1):



F () 



1
2.


 f (t).ei..t dt








(1)

trong đó: F() là hàm theo miền tần số
f(t) là hàm theo miền thời gian.
Mạng nơron có giám sát là gì? Đó là mạng nơron mà khi huấn luyện, tín hiệu đầu vào đã biết rõ, đầu ra đã xác định. Nhiệm vụ chỉ là: huấn luyện bộ trọng số. Sau khi đã huấn luyện xong, một tín hiệu đầu vào sẽ được kết hợp với bộ trọng số đã được huấn luyện để đưa ra một tín hiệu đầu ra. Từ tín hiệu đầu ra này mà mạng nơron sẽ cho biết đây là hư hỏng gì. Mô hình huấn luyện mạng nơron giám sát có thể được minh họa trong hình 1.


Dữ liệu dùng để huấn luyện
(Đã biết nội dung và tính chất dữ liệu)









Vào



Mạng nơron Ra

+
_ error



Thay đổi
trọng số





Giải thuật huấn luyện

Hàm mục tiêu



Hình 1. Sơ đồ huấn luyện mạng nơ ron có giám sát


Ngược lại với mạng nơron có giám sát, khi huấn luyện mạng nơron không giám sát, tín hiệu đầu vào chưa xác định rõ, tín hiệu đầu ra cũng chưa xác định. Sau khi huấn luyện xong mạng nơron sẽ tự sắp xếp theo tín hiệu đầu vào. Nói một cách dễ hiểu là mạng nơron sẽ sắp xếp sao cho nó đại diện cho tất cả các giá trị đầu vào. Chính vì vậy khi có tín hiệu đầu vào, mạng sẽ đưa tín hiệu đầu vào này vào nhóm hư hỏng mà nó đã được huấn luyện để làm đại



diện rồi từ đó xác định hư hỏng là hư hỏng gì. Nguyên lý huấn luyện của mạng nơron không giám sát được giới thiệu trong hình 2.