KR102471830B1 - Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition - Google Patents

Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition Download PDF

Info

Publication number
KR102471830B1
KR102471830B1 KR1020200139347A KR20200139347A KR102471830B1 KR 102471830 B1 KR102471830 B1 KR 102471830B1 KR 1020200139347 A KR1020200139347 A KR 1020200139347A KR 20200139347 A KR20200139347 A KR 20200139347A KR 102471830 B1 KR102471830 B1 KR 102471830B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bearing
tool
data
diagnosis model
normal
Prior art date
Application number
KR1020200139347A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220055160A (en
Inventor
이창우
박병희
Original Assignee
건국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 건국대학교 산학협력단 filed Critical 건국대학교 산학협력단
Priority to KR1020200139347A priority Critical patent/KR102471830B1/en
Publication of KR20220055160A publication Critical patent/KR20220055160A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102471830B1 publication Critical patent/KR102471830B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065Monitoring tool breakage, life or condition
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/0957Detection of tool breakage
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/098Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring noise
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0995Tool life management
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00Testing of machine parts
    • G01M13/04Bearings
    • G01M13/045Acoustic or vibration analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N20/00Machine learning
    • G06N20/10Machine learning using kernel methods, e.g. support vector machines [SVM]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

Abstract

본 발명은 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 공작기계가 가동될 때 발생되는 진동 데이터를 측정하는 데이터 측정부, 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 베어링 진단 모델을 생성하는 베어링 진단 모델부, 정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 공구 상태 진단 모델부, 및 상기 측정한 진동 데이터를 기초로 상기 베어링 진단 모델 및 상기 공구 상태 진단 모델을 통해 상기 공작기계의 베어링 및 공구를 동시에 모니터링을 수행하여 상기 베어링 및 상기 공구의 상태를 진단하는 모니터링부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, a data measurement unit for measuring vibration data generated when a machine tool is operating, and extracting characteristics of vibration data generated under normal bearing and damaged bearing conditions. Bearing diagnosis model part that generates a bearing diagnosis model by configuring learning data, and tool condition diagnosis that extracts characteristics of vibration data generated in the machining process using normal and worn tools and configures learning data to create a tool condition diagnosis model A model unit and a monitoring unit configured to simultaneously monitor bearings and tools of the machine tool through the bearing diagnosis model and the tool condition diagnosis model based on the measured vibration data to diagnose the state of the bearings and the tool do.

Figure 112020113422144-pat00007
Figure 112020113422144-pat00007

Description

베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SIMULTANEOUS MONITORING OF BEARING AND TOOL CONDITION}Device and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition {APPARATUS AND METHOD FOR SIMULTANEOUS MONITORING OF BEARING AND TOOL CONDITION}

본 발명은 베어링 및 공구 상태 모니터링 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작기계 가공공정에서 실시간으로 진동 데이터를 수집하여 베어링과 공구 모니터링을 동시에 수행하고 베어링과 공구의 상태를 진단할 수 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bearing and tool condition monitoring technology, and more particularly, to a bearing and tool capable of simultaneously performing bearing and tool monitoring by collecting vibration data in real time in a machine tool processing process and diagnosing the condition of the bearing and tool. It relates to an apparatus and method for simultaneous state monitoring.

복합 회전체 기계는 일반적으로 소음이나 여러 요인들로 인해 구성 요소의 파손이 예기치 않는 상황에 발생할 수 있다. 공작기계 회전체의 고장은 공작물을 가공하는 공구와 스핀들 베어링에서 나타난다. 베어링은 회전기계에서 중요한 부분을 구성하므로 진동, 온도 등 여러 데이터를 측정하여 베어링의 상태를 예측하거나 진단하였다. 공작기계의 공구는 공작물의 품질을 결정하는 요소로서 여러 센서(가속도 센서, 음향 센서 등)를 이용하여 수집한 데이터로 공구의 상태를 진단하거나 계측 장비를 이용하여 공구 마모 수준을 측정하였다.In general, damage to components in complex rotating machines may occur in unexpected situations due to noise or various factors. Failures of machine tool rotating bodies appear in tools and spindle bearings that process workpieces. Since bearings constitute an important part of rotating machinery, various data such as vibration and temperature were measured to predict or diagnose bearing conditions. The tool of a machine tool is a factor that determines the quality of a workpiece, and the state of the tool is diagnosed with data collected using various sensors (acceleration sensor, acoustic sensor, etc.) or the level of tool wear is measured using measuring equipment.

기존의 공작기계 모니터링 시스템은 NC에서 나타내는 주축 부하량을 이용하여 베어링의 상태를 추정하거나 작업자의 판단, 공구의 마모된 부분을 센서를 통해 계측하여 베어링 모니터링 및 공구 모니터링을 개별로 진행함으로써 베어링 및 공구 상태 진단에 많은 시간이 소요되며 이는 가공공정의 생산성을 낮추게 된다.Existing machine tool monitoring systems use the spindle load indicated by NC to estimate the condition of the bearing, or the worker's judgment and the worn part of the tool are measured through a sensor, and the bearing and tool monitoring are individually performed to monitor the bearing and tool condition. Diagnosis takes a lot of time, which lowers the productivity of the machining process.

한국등록특허 제10-1957711(2019.03.07)호는 가공좌표계상 가공시간에 따라 가공위치와 물리적 가공절삭 특성값을 매핑하는 절삭특성맵을 활용하여 절삭상태를 지능적으로 감시 및 진단하고, 절삭조건을 제어할 수 있는 지능형 CNC공작기계 제어시스템에 관한 것으로, CNC가공좌표계상에서 가공시간에 따라서 가공위치와 그에 해당하는 가공 진동과 가공음 등 물리적 결과값을 매핑한 절삭특성맵을 이용하여 CNC공작기계가 절삭가공을 수행할 때 절삭상태의 감시기능, 절삭상태의 불량 여부 등에 대한 진단 기능, 불량 및 저생산적 절삭조건을 양질 및 고생산적 절삭조건으로 변경 제어할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 기술에 대해 개시한다.Korean Patent Registration No. 10-1957711 (2019.03.07) intelligently monitors and diagnoses the cutting state and diagnoses cutting conditions by utilizing a cutting characteristic map that maps the machining position and physical cutting characteristic values according to the machining time in the machining coordinate system. It relates to an intelligent CNC machine tool control system capable of controlling the CNC machine tool by using a cutting characteristic map that maps physical result values such as machining position and corresponding machining vibration and machining sound according to machining time on the CNC machining coordinate system. When cutting is performed, the cutting state monitoring function, the diagnosis function for the defective cutting state, etc., and the technology capable of changing and controlling defective and low-productive cutting conditions to high-quality and high-productive cutting conditions are performed. start about

한국공개특허 제10-2018-0024093(2018.03.08)호는 실제 이동속도가 반영된 절삭부하를 기준으로 한 공작기계의 공구 손상 모니터링 방법에 관한 것으로, 공구, 피가공물의 정보, 가공경로 및 이송속도를 고려하여 산술절삭부하를 산출하는 단계, 가공경로 및 이송속도를 공작기계에 입력하여 피가공물을 가공 시 실제 계측되는 계측이송속도를 도출하는 단계, 계측이송속도를 통해 산술절삭부하를 보정하여 기준절삭부하를 산출하는 단계, 공구를 통해 피가공물을 가공 시 공구에 입력되는 실제절삭부하를 계측하는 단계 및 실제절삭부하 및 기준절삭부하에 대비하여 공구의 손상 여부를 판단하는 단계를 포함하여, 공구의 상태 모니터링 정확도를 높일 수 있는 기술을 개시한다.Korean Patent Publication No. 10-2018-0024093 (2018.03.08) relates to a tool damage monitoring method of a machine tool based on a cutting load reflecting actual moving speed, information on tools, workpieces, machining routes and feed rates Calculating the arithmetic cutting load in consideration of, inputting the machining path and feed rate to the machine tool to derive the measured feed rate actually measured when machining the workpiece, correcting the arithmetic cutting load through the measured feed rate as a standard Calculating the cutting load, measuring the actual cutting load input to the tool when processing the workpiece through the tool, and determining whether the tool is damaged in preparation for the actual cutting load and the reference cutting load, Disclosed is a technique capable of increasing the accuracy of state monitoring.

한국등록특허 제10-1957711(2019.03.07)호Korean Patent Registration No. 10-1957711 (2019.03.07) 한국공개특허 제10-2018-0024093(2018.03.08)호Korean Patent Publication No. 10-2018-0024093 (2018.03.08)

본 발명의 일 실시예는 공작기계 가공공정에서 실시간으로 진동 데이터를 수집하여 베어링과 공구 모니터링을 동시에 수행하고 베어링과 공구의 상태를 진단할 수 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention provides an apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, which can simultaneously perform bearing and tool monitoring by collecting vibration data in real time in a machine tool machining process and diagnose the condition of bearings and tools. want to do

본 발명의 일 실시예는 공작기계의 주축 가속도 신호를 활용하여 기계학습기반의 베어링 및 공구 상태 진단 모델을 각각 생성하고 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델을 통해 공작기계의 절삭 가공 과정에서 실시간으로 베어링 및 공구 상태를 진단함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention utilizes a spindle acceleration signal of a machine tool to generate a machine learning-based bearing and tool condition diagnosis model, respectively, and to use the bearing diagnosis model and tool condition diagnosis model in real time during the cutting process of the machine tool. And to provide a device and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions that can improve productivity by diagnosing tool conditions.

본 발명의 일 실시예는 3축 가속도 센서를 스핀들에 부착하여 가공 과정에서 측정한 가속도 데이터를 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델에 적용하여 베어링 모니터링과 공구 모니터링을 동시에 진행할 수 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention attaches a 3-axis acceleration sensor to a spindle and applies the acceleration data measured during the machining process to a bearing diagnosis model and a tool condition diagnosis model so that bearing and tool monitoring can be performed simultaneously. It is intended to provide a device and method for monitoring.

실시예들 중에서, 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치는 공작기계가 가동될 때 발생되는 진동 데이터를 측정하는 데이터 측정부, 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 베어링 진단 모델을 생성하는 베어링 진단 모델부, 정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 공구 상태 진단 모델부, 및 상기 측정한 진동 데이터를 기초로 상기 베어링 진단 모델 및 상기 공구 상태 진단 모델을 통해 상기 공작기계의 베어링 및 공구를 동시에 모니터링을 수행하여 상기 베어링 및 상기 공구의 상태를 진단하는 모니터링부를 포함한다.Among the embodiments, an apparatus for simultaneously monitoring bearing and tool conditions includes a data measuring unit that measures vibration data generated when a machine tool is operating, extracts characteristics of vibration data generated under normal bearing and damaged bearing conditions, and learns data. A bearing diagnosis model unit that creates a bearing diagnosis model by configuring a tool condition diagnosis model unit that extracts characteristics of vibration data generated in the machining process using normal and worn tools and configures learning data to create a tool condition diagnosis model, and a monitoring unit for diagnosing states of the bearings and tools by simultaneously monitoring the bearings and tools of the machine tool through the bearing diagnosis model and the tool state diagnosis model based on the measured vibration data.

상기 데이터 측정부는 상기 공작기계의 스핀들에 가속도 센서를 부착하고 상기 가속도 센서를 통해 상기 스핀들 가동에 따른 진동을 측정할 수 있다.The data measurement unit may attach an acceleration sensor to the spindle of the machine tool and measure vibration according to the operation of the spindle through the acceleration sensor.

상기 베어링 진단 모델부는 경험적 모드 분해법을 통해 정상 베어링 및 파손 베어링에서 발생하는 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 정상 데이터 대비 베어링 결함의 고유 주파수에 대한 특징 데이터를 추출할 수 있다.The bearing diagnosis model unit may separate frequency components from vibration data generated in normal bearings and damaged bearings through an empirical mode decomposition method to extract characteristic data for natural frequencies of bearing defects compared to normal data.

상기 베어링 진단 모델부는 상관함수를 통해 추출한 특징 데이터를 선별하고 선별한 특징 데이터를 입력으로 기계학습을 통해 베어링의 정상 및 이상을 구분하는 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다.The bearing diagnosis model unit may select feature data extracted through a correlation function and generate a bearing diagnosis model for distinguishing between normal and abnormal bearings through machine learning using the selected feature data as an input.

상기 베어링 진단 모델부는 상기 추출한 특징 데이터를 상관함수를 통해 클러스터링하여 정상 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제1 클러스터와 파손 베어링의 결함별 특징 데이터로 이루어진 제2 클러스터를 형성하고 상기 제1 클러스터와 상기 제2 클러스터 간의 비유사도에 기초하여 상기 특징 데이터를 선별할 수 있다.The bearing diagnosis model unit clusters the extracted feature data through a correlation function to form a first cluster composed of feature data of normal bearings and a second cluster composed of feature data of each defect of damaged bearings, and the first cluster and the second cluster are formed. The feature data may be selected based on dissimilarity between clusters.

상기 베어링 진단 모델부는 상기 비유사도를 아래의 [수학식]에 따라 계산할 수 있다.The bearing diagnosis model unit may calculate the dissimilarity according to the following [Equation Equation].

[수학식][mathematical expression]

Figure 112020113422144-pat00001
Figure 112020113422144-pat00001

여기에서, rc1은 정상 데이터의 클러스터의 반지름, rc2는 비정상 데이터의 클러스터의 반지름, Dc1,c2는 두 클러스터의 중심 간 거리를 의미한다.Here, r c1 is the radius of the cluster of normal data, r c2 is the radius of the cluster of abnormal data, and D c1,c2 is the distance between the centers of the two clusters.

상기 베어링 진단 모델부는 서포트 벡터 머신에 상기 선별한 특징 데이터를 입력하여 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다.The bearing diagnosis model unit may generate a bearing diagnosis model by inputting the selected feature data to a support vector machine.

상기 공구 상태 진단 모델부는 가속도 센서를 통해 마모 공구와 정상 공구를 사용한 가공 공정의 진동 데이터를 수집하고 수집한 진동 데이터에 대해 특징을 추출하고 추출한 특징 데이터를 입력으로 신경망 학습하여 정상과 마모를 분류하여 공구 상태 진단 모델을 생성할 수 있다. The tool condition diagnosis model unit collects vibration data of a machining process using a worn tool and a normal tool through an acceleration sensor, extracts features for the collected vibration data, learns the extracted feature data as an input, and classifies normal and wear by learning the neural network. A tool condition diagnosis model can be created.

상기 공구 상태 진단 모델부는 분류한 정상과 마모를 혼동 행렬로 표시하여 공구의 정상 및 마모 분류율을 확인할 수 있다. The tool condition diagnosis model unit may display the classified normal and worn conditions in a confusion matrix to confirm normal and worn classification rates of the tool.

실시예들 중에서, 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 방법은 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동을 기초로 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 베어링 진단 모델을 생성하는 단계, 정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동을 기초로 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 단계, 공작기계가 가동될 때 발생되는 진동 데이터를 측정하는 단계, 및 상기 측정한 진동 데이터를 기초로 상기 베어링 진단 모델 및 상기 공구 상태 진단 모델을 통해 상기 공작기계의 베어링 및 공구를 동시에 모니터링을 수행하여 상기 베어링 및 상기 공구의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.Among the embodiments, a method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions includes the steps of extracting features based on vibrations generated in normal bearing and damaged bearing conditions and constructing learning data to generate a bearing diagnosis model; normal and worn tools; Extracting features based on vibration generated in the used machining process and constructing learning data to create a tool condition diagnosis model, measuring vibration data generated when the machine tool is running, and measuring the vibration data and diagnosing states of the bearings and tools by simultaneously monitoring the bearings and tools of the machine tool based on the bearing diagnosis model and the tool state diagnosis model.

상기 베어링 진단 모델 생성단계는 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터를 수집하는 단계, 수집한 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 정상 데이터 대비 베어링 결함의 고유 주파수에 대한 특징 데이터를 추출하는 단계, 베어링의 이상을 식별하기 위한 추출한 특징 데이터를 상관함수를 통해 선별하는 단계, 및 선별한 특징 데이터로 기계학습을 수행하여 베어링 진단 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The bearing diagnosis model generating step includes collecting vibration data generated in normal bearing and damaged bearing conditions, separating frequency components from the collected vibration data to extract characteristic data for the natural frequency of bearing defects compared to normal data, The method may include selecting extracted feature data for identifying abnormalities in the bearing through a correlation function, and generating a bearing diagnosis model by performing machine learning with the selected feature data.

상기 베어링 진단 모델 생성단계는 특징 데이터 선별 과정에서 정상 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제1 클러스터와 파손 베어링의 결함별 특징 데이터로 이루어진 제2 클러스터 간의 비유사도를 하기 수학식을 통해 산출하고 산출한 비유사도가 특정 기준을 만족시키는 특징 데이터를 선별할 수 있다.In the bearing diagnostic model generation step, the dissimilarity between the first cluster consisting of characteristic data of normal bearings and the second cluster consisting of characteristic data of each defect of damaged bearings is calculated through the following equation in the characteristic data selection process, and the calculated dissimilarity is also calculated. may select feature data that satisfies a specific criterion.

[수학식][mathematical expression]

Figure 112020113422144-pat00002
Figure 112020113422144-pat00002

여기에서, rc1은 정상 데이터의 클러스터의 반지름, rc2는 비정상 데이터의 클러스터의 반지름, Dc1,c2는 두 클러스터의 중심 간 거리를 의미한다.Here, r c1 is the radius of the cluster of normal data, r c2 is the radius of the cluster of abnormal data, and D c1,c2 is the distance between the centers of the two clusters.

상기 공구 상태 진단 모델 생성단계는 마모 공구와 정상 공구를 사용한 가공 공정의 진동 데이터를 수집하는 단계, 수집한 진동 데이터에 대해 특징을 추출하는 단계, 및 추출한 특징 데이터를 입력으로 신경망 학습하여 정상과 마모를 분류하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The tool state diagnosis model creation step includes collecting vibration data of a machining process using a worn tool and a normal tool, extracting features from the collected vibration data, and learning the extracted feature data as an input to a neural network to learn normal and wear conditions. It may include the step of generating a tool state diagnosis model by classifying the.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology may have the following effects. However, it does not mean that a specific embodiment must include all of the following effects or only the following effects, so it should not be understood that the scope of rights of the disclosed technology is limited thereby.

본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법은 공작기계 가공공정에서 실시간으로 진동 데이터를 수집하여 베어링과 공구 모니터링을 동시에 수행하고 베어링과 공구의 상태를 진단할 수 있다.An apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions according to an embodiment of the present invention collects vibration data in real time in a machine tool processing process, simultaneously monitors bearings and tools, and diagnoses the conditions of bearings and tools. .

본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법은 공작기계의 주축 가속도 신호를 활용하여 기계학습기반의 베어링 및 공구 상태 진단 모델을 각각 생성하고 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델을 통해 공작기계의 절삭 가공 과정에서 실시간으로 베어링 및 공구 상태를 진단함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.An apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions according to an embodiment of the present invention utilizes a spindle acceleration signal of a machine tool to generate a machine learning-based bearing and tool condition diagnosis model, respectively, and diagnose the bearing diagnosis model and tool condition Productivity can be improved by diagnosing the condition of bearings and tools in real time during the cutting process of machine tools through the model.

본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치 및 방법은 3축 가속도 센서를 스핀들에 부착하여 가공 과정에서 측정한 가속도 데이터를 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델에 적용하여 베어링 모니터링과 공구 모니터링을 동시에 진행할 수 있다.An apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions according to an embodiment of the present invention attaches a 3-axis acceleration sensor to a spindle and applies acceleration data measured during a machining process to a bearing diagnosis model and a tool condition diagnosis model to monitor bearings. and tool monitoring can be performed simultaneously.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 있는 베어링 진단 모델부의 베어링 진단 모델 생성 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 도 2에 있는 공구 상태 진단 모델부의 공구 상태 진단 모델 생성 과정을 설명하는 순서도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 베어링 진단 실험 장치의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 베어링의 결함 종류를 나타내는 예시도이다.
도 7a-7b는 일 실시예에 따른 베어링의 정상 및 결함에 따른 진동 데이터의 특징을 나타내는 예시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 베어링의 정상 및 결함에 따른 특징 데이터를 좌표계에 표시한 상태를 나타내는 예시도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 베어링의 정상 및 결함에 따른 특징 데이터의 상관함수를 이용한 클러스터링을 나타내는 예시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 정상 공구 및 마모 공구의 시간에 따른 진동 데이터 크기 분포를 나타내는 예시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 공구 상태 진단 모델을 위한 신경망 구조를 나타내는 예시도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 공구 상태 진단 모델의 정상 및 마모를 분류한 혼동 행렬을 나타내는 예시도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 화면을 나타내는 예시도이다.
1 is a diagram illustrating a system for simultaneously monitoring bearing and tool conditions according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a device for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions in FIG. 1 .
FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of generating a bearing diagnosis model of the bearing diagnosis model unit in FIG. 2 .
FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of generating a tool state diagnosis model of the tool state diagnosis model unit in FIG. 2 .
5 is an exemplary view showing the configuration of a bearing diagnostic test apparatus according to an embodiment.
6 is an exemplary diagram illustrating types of defects of a bearing according to an exemplary embodiment.
7A and 7B are exemplary diagrams illustrating characteristics of vibration data according to normal and defective bearings according to an embodiment.
8 is an exemplary diagram illustrating a state in which characteristic data according to normal and defective bearings are displayed on a coordinate system according to an embodiment.
9 is an exemplary diagram illustrating clustering using a correlation function of feature data according to normal and defective bearings according to an embodiment.
10 is an exemplary view illustrating distribution of magnitudes of vibration data of a normal tool and a worn tool over time according to an exemplary embodiment.
11 is an exemplary diagram illustrating a neural network structure for a tool state diagnosis model according to an embodiment.
12 is an exemplary diagram illustrating a confusion matrix for classifying normal and worn conditions of a tool condition diagnosis model according to an exemplary embodiment.
13 is an exemplary diagram illustrating a screen for simultaneously monitoring bearing and tool conditions according to an exemplary embodiment.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is only an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of terms described in this application should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It should be understood that when an element is referred to as being “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Expressions in the singular number should be understood to include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as “comprise” or “having” refer to an embodied feature, number, step, operation, component, part, or these. It should be understood that it is intended to indicate that a combination exists, and does not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identification code (eg, a, b, c, etc.) is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of each step, and each step clearly follows a specific order in context. Unless otherwise specified, it may occur in a different order than specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be implemented as computer readable code on a computer readable recording medium, and the computer readable recording medium includes all types of recording devices storing data that can be read by a computer system. . Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to computer systems connected through a network, so that computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with meanings in the context of the related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 시스템을 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a system for simultaneously monitoring bearing and tool conditions according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 시스템(100)은 공작기계(110)의 베어링(111) 및 공구(113)의 상태 모니터링을 위한 장치(130)로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a system 100 for simultaneously monitoring bearing and tool conditions may include a device 130 for monitoring the conditions of a bearing 111 and a tool 113 of a machine tool 110 .

공작기계(110)는 각종 기계를 만드는 기계로, 금속 절삭 등의 가공을 하는 기계를 지칭한다.The machine tool 110 is a machine for making various machines, and refers to a machine for processing such as metal cutting.

베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치(130)는 공작기계(110)의 절삭공정을 모니터링하여 실시간으로 베어링(111) 및 공구(113) 상태를 진단할 수 있는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치(130)는 공작기계(110)가 가동될 때 발생되는 진동을 기초로 베어링(111)의 정상 및 파손을 진단하는 베어링 진단 모델 및 공구(113)의 마모를 진단하는 공구 상태 진단 모델을 생성하고 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델을 기초로 베어링(111) 및 공구(113)의 상태를 모니터링할 수 있다. The device 130 for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions is implemented as a server corresponding to a computer or program capable of diagnosing the conditions of the bearings 111 and tools 113 in real time by monitoring the cutting process of the machine tool 110. It can be. The device 130 for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions is a bearing diagnosis model for diagnosing normality and damage of the bearing 111 based on vibration generated when the machine tool 110 is operating, and wear of the tool 113. A tool state diagnosis model for diagnosis may be created and the state of the bearing 111 and the tool 113 may be monitored based on the bearing diagnosis model and the tool state diagnosis model.

도 2는 도 1에 있는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치를 설명하는 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram illustrating a device for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions in FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치(130)는 데이터 측정부(210), 베어링 진단 모델부(230), 공구 상태 진단 모델부(250), 모니터링부(270) 및 제어부(290)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the device 130 for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions includes a data measurement unit 210, a bearing diagnosis model unit 230, a tool status diagnosis model unit 250, a monitoring unit 270, and a control unit. (290).

데이터 측정부(210)는 공작기계(110)가 가동될 때 발생되는 진동 데이터를 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 측정부(210)는 공작기계(110)의 스핀들에 3축 가속도 센서를 부착하여 스핀들 가동에 따른 진동을 측정할 수 있다. 여기에서, 데이터 측정부(210)는 3축 가속도 센서를 이용하여 X축, Y축 및 Z축 각각의 방향에 대해 진동 데이터를 수집할 수 있다. The data measurement unit 210 may measure vibration data generated when the machine tool 110 is operated. In one embodiment, the data measurement unit 210 may attach a 3-axis acceleration sensor to the spindle of the machine tool 110 to measure vibration according to spindle operation. Here, the data measurer 210 may collect vibration data for each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis using a 3-axis acceleration sensor.

베어링 진단 모델부(230)는 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 경험적 모드 분해법을 이용하여 측정한 진동 데이터의 특징을 추출할 수 있다. The bearing diagnosis model unit 230 may generate a bearing diagnosis model by extracting characteristics of vibration data generated under normal bearing and damaged bearing conditions and configuring learning data. In one embodiment, the bearing diagnosis model unit 230 may extract characteristics of vibration data measured using an empirical mode decomposition method.

경험적 모드 분해법은 힐버트 변환(Hilbert Transform)을 응용한 기법으로서, 시간과 진폭의 신호를 주파수를 기준으로 분리할 수 있으며 이를 내재모드함수(Intrinsic Mode Function)라고 한다. 이상 데이터와 정상 데이터 구분은 내재모드함수를 이용하여 구분할 수 있다.The empirical mode decomposition method is a technique that applies the Hilbert Transform and can separate signals of time and amplitude based on frequency, which is called an intrinsic mode function. Abnormal data and normal data can be distinguished using intrinsic mode functions.

베어링 진단 모델부(230)는 경험적 모드 분해법을 적용하여 측정한 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 내재모드함수를 추출하고 추출한 내재모드함수에 대해 특징 데이터를 추출할 수 있다. 여기에서, 특징 데이터는 베어링 결함의 고유 주파수 성분으로, 정상 데이터 대비 첨도, 왜도, 표준편차 및 평균값을 나타낸다. 베어링 진단 모델부(230)는 선별 기준을 통해 추출한 특징 데이터를 선별하여 기계학습을 통해 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 상관함수(correlation function)를 이용하여 특징 데이터를 선별할 수 있고, 선별한 특징 데이터를 서포트 벡터 머신에 입력하여 베어링 정상 및 이상을 구분하는 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다.The bearing diagnostic modeling unit 230 may extract an intrinsic mode function by separating a frequency component from vibration data measured by applying an empirical mode decomposition method, and may extract feature data for the extracted intrinsic mode function. Here, the feature data is a natural frequency component of a bearing defect, and represents kurtosis, skewness, standard deviation, and average value compared to normal data. The bearing diagnosis model unit 230 may generate a bearing diagnosis model through machine learning by selecting feature data extracted through a selection criterion. In one embodiment, the bearing diagnosis model unit 230 may select feature data using a correlation function, and inputs the selected feature data to a support vector machine to perform bearing diagnosis for distinguishing between normal and abnormal bearings. model can be created.

공구 상태 진단 모델부(250)는 정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동 데이터의 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 공구 상태 진단 모델부(250)는 정상 공구에서 측정한 진동 데이터와 마모 공구에서 측정한 진동 데이터에 대해 연속 웨이블릿 변환 기법을 통해 특징 데이터를 추출하고 정상 데이터 대비 이상 데이터의 특징 데이터를 선별하여 컨볼루션 신경망을 활용한 딥러닝을 통해 정상 공구와 마모 공구를 구분하는 딥러닝 기반의 공구 상태 진단 모델을 생성할 수 있다.The tool condition diagnosis model unit 250 may generate a tool condition diagnosis model by extracting characteristics of vibration data generated in a machining process using normal and worn tools and configuring learning data. In one embodiment, the tool condition diagnosis model unit 250 extracts feature data through a continuous wavelet transform technique for vibration data measured from a normal tool and vibration data measured from a worn tool, and features data of abnormal data compared to normal data. can be selected to create a deep learning-based tool condition diagnosis model that distinguishes normal tools from worn tools through deep learning using convolutional neural networks.

모니터링부(270)는 공작기계(110)가 가공될 때 측정한 진동 데이터를 기초로 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델을 통해 공작기계(110)의 베어링(111) 및 공구(113)를 동시에 모니터링을 수행하여 베어링(111) 및 공구(113)의 상태를 빠르게 진단할 수 있다. 일 실시예에서, 모니터링부(270)는 베어링(111) 및 공구(113)의 진단 결과를 토대로 적절한 시기에 베어링(111) 및 공구(113)의 교체가 이루어지도록 함으로써 공작기계(110)의 생산성 향상을 제공할 수 있다.The monitoring unit 270 simultaneously monitors the bearing 111 and the tool 113 of the machine tool 110 through a bearing diagnosis model and a tool condition diagnosis model based on vibration data measured when the machine tool 110 is being processed. The state of the bearing 111 and the tool 113 can be quickly diagnosed by performing. In one embodiment, the monitoring unit 270 replaces the bearing 111 and the tool 113 at an appropriate time based on the diagnosis results of the bearing 111 and the tool 113 so that the productivity of the machine tool 110 is achieved. improvement can be provided.

제어부(290)는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 데이터 측정부(210), 베어링 진단 모델부(230), 공구 상태 진단 모델부(250) 및 모니터링부(270) 간의 제어 흐름 및 데이터 흐름을 관리할 수 있다.The control unit 290 controls the overall operation of the device 130 for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, and includes the data measurement unit 210, the bearing diagnosis model unit 230, the tool status diagnosis model unit 250, and the monitoring unit. Control flow and data flow between (270) can be managed.

도 3은 도 2에 있는 베어링 진단 모델부의 베어링 진단 모델 생성 과정을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a bearing diagnosis model generation process of the bearing diagnosis model unit in FIG. 2 .

도 3에서, 베어링 진단 모델부(230)는 정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터를 수집한다(단계 S310). 베어링 진단 모델부(230)는 가속도 센서를 이용하여 공작기계(110)가 가동될 때 발생되는 진동을 측정하여 진동 데이터를 수집할 수 있다. 베어링 진단 모델부(230)는 공작기계(110)의 베어링(111)이 정상일 때 생성되는 진동 데이터와 베어링(111)에 결함이 있을 때 생성되는 진동 데이터를 수집할 수 있다. 예컨대, 베어링 진단 모델부(230)는 도 4에 도시한 바와 같이, 가속도 센서(410)를 사용하여 정상 베어링(420)과 결함 베어링(430)에서 발생하는 진동 데이터를 수집한다.In FIG. 3 , the bearing diagnosis model unit 230 collects vibration data generated under conditions of a normal bearing and a damaged bearing (step S310). The bearing diagnosis model unit 230 may collect vibration data by measuring vibration generated when the machine tool 110 is operated using an acceleration sensor. The bearing diagnosis model unit 230 may collect vibration data generated when the bearing 111 of the machine tool 110 is normal and vibration data generated when the bearing 111 has a defect. For example, as shown in FIG. 4 , the bearing diagnosis model unit 230 collects vibration data generated from the normal bearing 420 and the defective bearing 430 using the acceleration sensor 410 .

도 4는 일 실시예에 따른 베어링 진단 실험 장치의 구성을 나타내는 예시도이고, 도 5는 일 실시예에 따른 베어링의 결함을 보여주는 예시도이다.4 is an exemplary diagram illustrating a configuration of a bearing diagnostic test apparatus according to an exemplary embodiment, and FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating defects of a bearing according to an exemplary embodiment.

베어링의 결함은 도 5에 예시된 바와 같이, 케이지 결함, Smearing(얼룩 상태), Flaking(표면이 엷은 조각으로 떨어져 나가는 현상) 등 다양하게 발생한다. 베어링은 결함 상태에 따라 진동 특성이 변화한다.As illustrated in FIG. 5, bearing defects occur in various ways, such as cage defects, smearing (stained state), and flaking (a phenomenon in which the surface is separated into thin pieces). Bearings change their vibration characteristics depending on the fault condition.

다시, 도 3으로 돌아가서 베어링 진단 모델부(230)는 수집한 진동 데이터에 대해 특징을 추출한다(단계 S330). 베어링 진단 모델부(230)는 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 베어링의 결함에 대해 특징 데이터를 추출한다. 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 신호처리기법인 경험적 모드 분해법으로 진동 데이터의 내재 모드 함수를 추출하고 추출한 내재 모드 함수에 대해 특징 데이터를 추출한다. 여기에서, 특징 데이터는 첨도, 왜도, 표준편차 및 평균값을 포함할 수 있다. 예컨대, 베어링 진단 모델부(230)는 도 6a에 나타낸 바와 같이, 경험적 모드 분해법을 이용하여 진폭과 시간의 진동 데이터를 주파수를 기준으로 분리하여 내재 모드 함수를 추출할 수 있다.Returning to FIG. 3 again, the bearing diagnostic model unit 230 extracts features from the collected vibration data (step S330). The bearing diagnosis model unit 230 separates frequency components from vibration data and extracts feature data for bearing defects. In one embodiment, the bearing diagnostic modeling unit 230 extracts intrinsic mode functions of vibration data using an empirical mode decomposition method, which is a signal processing technique, and extracts feature data for the extracted intrinsic mode functions. Here, the characteristic data may include kurtosis, skewness, standard deviation, and average value. For example, as shown in FIG. 6A , the bearing diagnosis model unit 230 may extract an intrinsic mode function by separating vibration data of amplitude and time based on frequency using an empirical mode decomposition method.

도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 베어링의 정상 및 결함에 따른 진동 데이터를 경험적 모드 분해법을 이용하여 추출한 내재 모드 함수의 특징을 나타내는 예시도이다.6A and 6B are exemplary diagrams illustrating characteristics of intrinsic mode functions obtained by extracting vibration data according to normal and defective bearings using an empirical mode decomposition method according to an embodiment.

도 6b에 예시된 바와 같이, 이상 베어링의 진동 데이터의 내재 모드 함수는 정상 진동 데이터의 내재 모드 함수 보다 진폭이 크게 나타난다. 이상 베어링의 진동 데이터의 내재 모드 함수는 결함의 종류에 따라 진폭이 다르게 나타난다.As illustrated in FIG. 6B , the intrinsic mode function of the vibration data of the ideal bearing has a larger amplitude than the intrinsic mode function of the normal vibration data. The intrinsic mode function of the vibration data of the faulty bearing shows different amplitudes depending on the type of defect.

도 7은 일 실시예에 따른 특징 데이터를 좌표계에 표시한 상태를 나타내는 예시도이다.7 is an exemplary diagram illustrating a state in which feature data is displayed on a coordinate system according to an exemplary embodiment.

도 7에 예시된 바와 같이, 베어링 진단 모델부(230)는 베어링의 정상 및 결함 종류에 따른 특징 데이터를 직교 좌표계에 표시하여 분류할 수 있다. 예를 들어, 베어링 진단 모델부(230)는 비대칭도, 표준 편차, 평균 및 제곱평균 제곱근의 분류 기준에 따라 추출된 특징 데이터를 X축과 Y축으로 이루어진 직교 좌표계에 표시하여 분류할 수 있다. 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 복수의 분류 기준들을 다른 종류로 조합하여 특징 데이터를 직교 좌표계에 표시하여 분류할 수 있다. 예를 들어, 베어링 진단 모델부(230)는 X축은 첨도치 그리고 Y축은 비대칭도를 분류 기준으로 하여 특징 데이터를 직교 좌표계에 표시하여 분류할 수 있다. 다른 예를 들어, 베어링 진단 모델부(230)는 베어링의 정상 데이터 및 비정상 데이터에 대해 동일한 분류 기준을 기초로 동일한 직교 좌표계에 표시하여 분류할 수 있다. 도 7의 경우, 베어링의 정상 데이터(□) 및 결함별 데이터(Flaking(○), Ball defect(▽), Smearing(◇))를 복수의 분류 기준에 따라 동일한 직교 좌표계에 위치시킬 수 있다.As illustrated in FIG. 7 , the bearing diagnosis model unit 230 may display and classify characteristic data according to normal and defective types of bearings in a Cartesian coordinate system. For example, the bearing diagnosis model unit 230 may display and classify feature data extracted according to classification criteria of asymmetry, standard deviation, average, and root mean square on an orthogonal coordinate system consisting of an X axis and a Y axis. In one embodiment, the bearing diagnostic model unit 230 may combine a plurality of classification criteria into different types and display and classify feature data in an orthogonal coordinate system. For example, the bearing diagnostic model unit 230 may display and classify feature data in a Cartesian coordinate system based on the kurtosis value on the X axis and the asymmetry value on the Y axis. For another example, the bearing diagnostic model unit 230 may display and classify normal data and abnormal data of the bearing on the same Cartesian coordinate system based on the same classification criterion. In the case of FIG. 7 , bearing normal data (□) and defect-specific data (Flaking (○), Ball defect (▽), and Smearing (◇)) can be located in the same Cartesian coordinate system according to a plurality of classification criteria.

다시, 도 3으로 돌아가서, 베어링 진단 모델부(230)는 베어링의 정상과 이상을 구분하기 위해 추출한 특징 데이터를 선별한다(단계 S350). 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 상관함수(correlation function)를 이용한 클러스터 분석을 통해 특징 데이터를 선별한다. 베어링 진단 모델부(230)는 베어링의 정상 및 결함별 각각의 분류한 개별 특징 데이터를 도 8에 나타낸 바와 같이, 상관함수를 이용하여 클러스터링하고 클러스터 간의 거리에 기초하여 데이터 선별한다. Returning to FIG. 3 again, the bearing diagnosis model unit 230 selects the extracted feature data to distinguish between normal and abnormal bearings (step S350). In one embodiment, the bearing diagnosis model unit 230 selects feature data through cluster analysis using a correlation function. As shown in FIG. 8 , the bearing diagnosis model unit 230 clusters the individual feature data classified by normal and defective bearings using a correlation function and selects the data based on the distance between the clusters.

도 8은 일 실시예에 따른 데이터 상관 함수를 이용한 특징 데이터의 클러스터링을 나타내는 예시도이다.8 is an exemplary diagram illustrating clustering of feature data using a data correlation function according to an embodiment.

도 8에 예시한 바와 같이, 베어링 진단 모델부(230)는 상관함수를 이용하여 정상 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제 1클러스터와 파손 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제2 클러스터를 형성할 수 있다. As illustrated in FIG. 8 , the bearing diagnosis model unit 230 may form a first cluster consisting of characteristic data of normal bearings and a second cluster consisting of characteristic data of damaged bearings by using a correlation function.

베어링 진단 모델부(230)는 제1 클러스터와 제2 클러스터 간의 거리에 기초하여 하기 수학식을 통해 비유사도를 산출하고 산출한 비유사도를 특정 기준을 만족시키는 특징 데이터를 선별할 수 있다.The bearing diagnosis model unit 230 may calculate dissimilarity based on the distance between the first cluster and the second cluster through the following equation and select feature data that satisfies a specific criterion for the calculated dissimilarity.

[수학식][mathematical expression]

Figure 112020113422144-pat00003
Figure 112020113422144-pat00003

여기에서, rc1은 정상 데이터의 클러스터의 반지름, rc2는 비정상 데이터의 클러스터의 반지름, Dc1,c2는 두 클러스터의 중심 간 거리를 의미한다.Here, r c1 is the radius of the cluster of normal data, r c2 is the radius of the cluster of abnormal data, and D c1,c2 is the distance between the centers of the two clusters.

베어링 진단 모델부(230)는 상기 수학식을 통해 산출된 비유사도(DSNF)가 "1" 보다 큰 조건을 만족하면 베어링의 정상 데이터와 비정상 데이터 간의 겹치는 특징이 없는 경우로 해당 조건을 만족하는 특징 데이터를 선별한다. The bearing diagnostic model unit 230 determines that when the dissimilarity (DSN F ) calculated through the above equation satisfies the condition greater than “1”, there is no overlapping feature between normal data and abnormal data of the bearing, which satisfies the condition. Select feature data.

베어링 진단 모델부(230)는 선별한 특징 데이터로 기계학습을 수행하여 베어링 진단 모델을 생성한다(단계 S370). 일 실시예에서, 베어링 진단 모델부(230)는 서포트 벡터 머신(support vector machine)에 선별한 특징 데이터를 입력하여 베어링 진단 모델을 생성할 수 있다.The bearing diagnosis model unit 230 performs machine learning with the selected feature data to generate a bearing diagnosis model (step S370). In one embodiment, the bearing diagnosis model unit 230 may generate a bearing diagnosis model by inputting selected feature data to a support vector machine.

도 4는 도 2에 있는 공구 상태 진단 모델부의 공구 상태 진단 모델 생성 과정을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of generating a tool state diagnosis model of the tool state diagnosis model unit in FIG. 2 .

도 4를 참조하면, 공구 상태 진단 모델부(250)는 공구 진동 데이터를 수집한다(단계 S410). 공구 상태 진단 모델부(250)는 가속도 센서를 통해 마모 공구와 정상 공구를 사용한 가공 공정의 진동 데이터를 수집할 수 있다. 수집한 진동 데이터는 도 10에 예시한 바와 같이, X축, Y축 및 Z축 각각의 방향에 대해 시간에 따른 크기 분포를 나타낸다.Referring to FIG. 4 , the tool condition diagnosis model unit 250 collects tool vibration data (step S410). The tool state diagnosis model unit 250 may collect vibration data of a machining process using a worn tool and a normal tool through an acceleration sensor. As illustrated in FIG. 10 , the collected vibration data shows a size distribution over time in each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis.

공구 상태 진단 모델부(250)는 수집한 진동 데이터에 대해 특징을 추출한다(단계 S430). 공구 상태 진단 모델부(250)는 연속 웨이블릿 변환 기법을 진동 데이터에 적용하여 특징을 추출할 수 있다. 공구 상태 진단 모델부(250)는 추출한 특징 데이터로 신경망에 입력하여 공구 상태 진단 모델을 생성한다(단계 S440). 공구 상태 진단 모델부(250)는 특징 데이터를 도 11에 예시한 신경망 구조의 입력층에 입력하여 학습하여 정상과 마모를 분류한다. 공구 상태 진단 모델부(250)는 분류한 정상과 마모를 혼동 행렬(Confusion Matrix)로 표시할 수 있다. The tool state diagnosis model unit 250 extracts features from the collected vibration data (step S430). The tool state diagnosis model unit 250 may extract features by applying a continuous wavelet transform technique to vibration data. The tool state diagnosis model unit 250 generates a tool state diagnosis model by inputting the extracted feature data to a neural network (step S440). The tool condition diagnosis model unit 250 classifies normal and wear by learning by inputting feature data to the input layer of the neural network structure illustrated in FIG. 11 . The tool state diagnosis model unit 250 may display the classified normal and wear as a confusion matrix.

도 12는 일 실시예에 따른 공구 상태 진단 모델의 정상 및 마모를 분류한 혼동 행렬을 나타내는 예시도이다.12 is an exemplary diagram illustrating a confusion matrix for classifying normal and worn conditions of a tool condition diagnosis model according to an exemplary embodiment.

도 12를 참조하면, 혼동 행렬에서 공구의 정상 및 마모 분류율을 확인할 수 있다. 예컨대, 분류하지 못한 데이터는 마모 데이터의 경우 556개에서 47개를 분류하지 못했고 정상 데이터의 경우 537개에서 66개를 분류하지 못했다.Referring to FIG. 12 , normal and wear classification rates of tools can be confirmed in the confusion matrix. For example, as for the unclassified data, 47 out of 556 failed to be classified in the case of wear data and 66 out of 537 in the case of normal data.

도 13은 일 실시예에 따른 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 화면을 나타내는 예시도이다.13 is an exemplary diagram illustrating a screen for simultaneously monitoring bearing and tool conditions according to an exemplary embodiment.

도 13을 참조하면, 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치(130)는 가공 과정에서 가속도 센서를 통해 측정되는 진동 데이터를 베어링 진단 모델 및 공구 상태 진단 모델을 통해 동시에 모니터링할 수 있고 베어링 및 공구 상태를 진단할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the device 130 for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions can simultaneously monitor vibration data measured by an acceleration sensor during a machining process through a bearing diagnosis model and a tool condition diagnosis model, and can simultaneously monitor bearing and tool conditions. can be diagnosed.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be done.

100: 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링 시스템
110: 공작기계
111: 베어링 113: 공구
130: 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치
210: 데이터 측정부 230: 베어링 진단 모델부
250: 공구 상태 진단 모델부 270: 모니터링부
290: 제어부
510: 가속도 센서 520: 정상 베어링
530: 결함 베어링
100: Simultaneous monitoring system for bearing and tool conditions
110: machine tool
111: bearing 113: tool
130: Device for simultaneous monitoring of bearing and tool condition
210: data measurement unit 230: bearing diagnosis model unit
250: tool condition diagnosis model unit 270: monitoring unit
290: control unit
510: acceleration sensor 520: normal bearing
530: defective bearing

Claims (13)

스핀들에 3축 가속도 센서를 부착하고 공작기계가 가동될 때 상기 3축 가속도 센서를 통해 상기 스핀들의 진동 데이터를 측정하는 데이터 측정부;
정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터의 평균값, 첨도, 왜도 및 표준편차를 특징 데이터로 추출하여 학습데이터를 구성하고 베어링의 정상 및 이상을 구분하는 베어링 진단 모델을 생성하는 베어링 진단 모델부;
정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동 데이터에 대해 연속 웨이블릿 변환 기법을 통해 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 공구 상태 진단 모델부; 및
상기 측정한 진동 데이터를 기초로 상기 베어링 진단 모델 및 상기 공구 상태 진단 모델을 통해 상기 공작기계의 베어링 및 공구를 동시에 모니터링을 수행하여 상기 베어링 및 상기 공구의 상태를 진단하는 모니터링부를 포함하되,
상기 베어링 진단 모델부는
추출한 특징 데이터를 상관함수를 통해 클러스터링하여 정상 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제1 클러스터와 파손 베어링의 결함별 특징 데이터로 이루어진 제2 클러스터를 형성하고,
상기 제1 클러스터와 상기 제2 클러스터 간의 비유사도를 하기 수학식을 통해 산출하여 산출한 비유사도가 "1" 보다 큰 조건을 만족하면 베어링의 정상 데이터와 비정상 데이터 간의 겹치는 특징이 없는 경우로 해당 조건을 만족하는 특징 데이터를 선별하고,
선별한 특징 데이터를 입력으로 기계학습을 수행하여 상기 베어링 진단 모델을 생성하고,
[수학식]
Figure 112022115206654-pat00020

여기에서, rc1은 정상 데이터의 클러스터의 반지름, rc2는 비정상 데이터의 클러스터의 반지름, Dc1,c2는 두 클러스터의 중심 간 거리를 의미하며,
상기 공구 상태 진단 모델부는
정상 공구의 진동 데이터 대비 마모 공구의 진동 데이터의 특징 데이터를 선별하고 컨볼루션 신경망 학습을 수행하여 정상과 마모를 분류하여 상기 공구 상태 진단 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치.
a data measurement unit for attaching a 3-axis acceleration sensor to a spindle and measuring vibration data of the spindle through the 3-axis acceleration sensor when the machine tool is in operation;
A bearing diagnosis model unit that extracts the average value, kurtosis, skewness, and standard deviation of vibration data generated under normal and damaged bearing conditions as feature data to form learning data and creates a bearing diagnosis model that distinguishes between normal and abnormal bearings. ;
A tool condition diagnosis model unit extracting features through continuous wavelet transform technique for vibration data generated in the machining process using normal and worn tools and constructing learning data to generate a tool condition diagnosis model; and
A monitoring unit for diagnosing the state of the bearing and the tool by simultaneously monitoring the bearing and tool of the machine tool through the bearing diagnosis model and the tool condition diagnosis model based on the measured vibration data,
The bearing diagnosis model unit
The extracted feature data is clustered using a correlation function to form a first cluster composed of feature data of normal bearings and a second cluster composed of feature data for each defect of damaged bearings;
If the dissimilarity between the first cluster and the second cluster is calculated through the following equation and the calculated dissimilarity satisfies the condition greater than “1”, it is the case where there is no overlap between normal data and abnormal data of the bearing, that condition Select feature data that satisfies
Performing machine learning with the selected feature data as input to generate the bearing diagnosis model,
[mathematical expression]
Figure 112022115206654-pat00020

Here, r c1 is the radius of the cluster of normal data, r c2 is the radius of the cluster of abnormal data, D c1,c2 is the distance between the centers of the two clusters,
The tool state diagnosis model unit
For simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, characterized in that the tool condition diagnosis model is generated by selecting characteristic data of vibration data of a worn tool compared to vibration data of a normal tool and performing convolutional neural network learning to classify normal and wear. Device.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 베어링 진단 모델부는
경험적 모드 분해법을 통해 정상 베어링 및 파손 베어링에서 발생하는 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 정상 데이터 대비 베어링 결함의 고유 주파수에 대한 특징 데이터를 추출하는 것을 특징으로 하는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the bearing diagnosis model unit
A device for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, characterized by extracting characteristic data on the natural frequency of bearing defects compared to normal data by separating frequency components from vibration data generated from normal bearings and damaged bearings through empirical mode decomposition.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 베어링 진단 모델부는
서포트 벡터 머신에 상기 선별한 특징 데이터를 입력하여 베어링 진단 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the bearing diagnosis model unit
An apparatus for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, characterized in that for generating a bearing diagnostic model by inputting the selected feature data into a support vector machine.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 공구 상태 진단 모델부는
분류한 정상과 마모를 혼동 행렬로 표시하여 공구의 정상 및 마모 분류율을 확인하는 것을 특징으로 하는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the tool state diagnosis model unit
A device for simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, characterized in that the normal and worn classification rates of the tool are confirmed by displaying the classified normal and wear as a confusion matrix.
정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동을 기초로 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 베어링 진단 모델을 생성하는 단계;
정상과 마멸 공구를 사용한 가공 공정에서 발생되는 진동을 기초로 연속 웨이블릿 변환 기법을 통해 특징을 추출하고 학습데이터를 구성하여 공구 상태 진단 모델을 생성하는 단계;
공작기계가 가동될 때 발생되는 진동 데이터를 측정하는 단계; 및
상기 측정한 진동 데이터를 기초로 상기 베어링 진단 모델 및 상기 공구 상태 진단 모델을 통해 상기 공작기계의 베어링 및 공구를 동시에 모니터링을 수행하여 상기 베어링 및 상기 공구의 상태를 진단하는 단계를 포함하되,
상기 베어링 진단 모델 생성단계는
정상 베어링과 파손 베어링 조건에서 발생되는 진동 데이터를 수집하는 단계;
수집한 진동 데이터로부터 주파수 성분을 분리하여 정상 데이터 대비 베어링 결함의 고유 주파수에 대한 특징 데이터를 추출하는 단계;
베어링의 이상을 식별하기 위한 추출한 특징 데이터를 상관함수를 통해 클러스터링하여 정상 베어링의 특징 데이터로 이루어진 제1 클러스터와 파손 베어링의 결함별 특징 데이터로 이루어진 제2 클러스터를 형성하고 상기 제1 클러스터와 상기 제2 클러스터 간의 비유사도를 하기 수학식을 통해 산출하고 산출한 비유사도가 특정 기준을 만족시키는 특징 데이터를 선별하는 단계; 및
선별한 특징 데이터로 기계학습을 수행하여 베어링 진단 모델을 생성하는 단계를 포함하고,
[수학식]
Figure 112022115206654-pat00021

여기에서, rc1은 정상 데이터의 클러스터의 반지름, rc2는 비정상 데이터의 클러스터의 반지름, Dc1,c2는 두 클러스터의 중심 간 거리를 의미하며,
상기 공구 상태 진단 모델 생성단계는
정상 공구의 진동 데이터 대비 마모 공구의 진동 데이터의 특징 데이터를 선별하고 컨볼루션 신경망 학습을 수행하여 정상과 마모를 분류하는 상기 공구 상태 진단 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 베어링 및 공구 상태 동시 모니터링을 위한 방법.
Extracting features based on vibrations generated in normal bearing and damaged bearing conditions and constructing learning data to generate a bearing diagnosis model;
Generating a tool condition diagnosis model by extracting features through a continuous wavelet transform technique based on vibrations generated in a machining process using normal and worn tools and constructing learning data;
Measuring vibration data generated when the machine tool is operated; and
Diagnosing the state of the bearing and the tool by simultaneously monitoring the bearing and tool of the machine tool through the bearing diagnosis model and the tool condition diagnosis model based on the measured vibration data,
The bearing diagnosis model generation step is
Collecting vibration data generated in normal bearing and damaged bearing conditions;
Extracting characteristic data for the natural frequency of the bearing defect compared to normal data by separating frequency components from the collected vibration data;
The extracted feature data for identifying the abnormality of the bearing is clustered through a correlation function to form a first cluster composed of feature data of normal bearings and a second cluster composed of feature data of each defect of damaged bearings. Calculating dissimilarity between the two clusters through the following equation and selecting feature data for which the calculated dissimilarity satisfies a specific criterion; and
Generating a bearing diagnosis model by performing machine learning with the selected feature data,
[mathematical expression]
Figure 112022115206654-pat00021

Here, r c1 is the radius of the cluster of normal data, r c2 is the radius of the cluster of abnormal data, D c1,c2 is the distance between the centers of the two clusters,
The tool condition diagnosis model creation step is
For simultaneous monitoring of bearing and tool conditions, characterized by generating the tool condition diagnosis model that classifies normal and wear by selecting characteristic data of vibration data of a worn tool compared to vibration data of a normal tool and performing convolutional neural network learning. Way.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020200139347A 2020-10-26 2020-10-26 Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition KR102471830B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200139347A KR102471830B1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200139347A KR102471830B1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220055160A KR20220055160A (en) 2022-05-03
KR102471830B1 true KR102471830B1 (en) 2022-11-29

Family

ID=81591018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200139347A KR102471830B1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102471830B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102589094B1 (en) * 2022-10-26 2023-10-16 (재)대구기계부품연구원 Training data set configuration system and method for development of diagnosis model of the machine tool

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008137102A (en) * 2006-11-30 2008-06-19 Matsushita Electric Works Ltd Machine tool observation device
JP2020041849A (en) * 2018-09-07 2020-03-19 オークマ株式会社 Abnormality diagnosis method, abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis program for rolling bearing

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180024093A (en) 2016-08-26 2018-03-08 한국생산기술연구원 Tool breakage and wear monitoring method
KR101957711B1 (en) 2017-08-01 2019-03-13 사단법인 캠틱종합기술원 An Intelligent CNC machine control system for smart monitering, smart diagnosis and smart control by using the physical cutting characteristic map in which the cutting characteristics are mapped in accordance to cutting location in terms of cutting time on working coordinate

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008137102A (en) * 2006-11-30 2008-06-19 Matsushita Electric Works Ltd Machine tool observation device
JP2020041849A (en) * 2018-09-07 2020-03-19 オークマ株式会社 Abnormality diagnosis method, abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis program for rolling bearing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
박병희 등, 경험적 모드 분해법과 인공 신경 회로망을 적용한 베어링 상태 분류 기법, 한국정밀공학회지 33(12), 2016.12, 985-992(8 pages)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220055160A (en) 2022-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109562500B (en) The abnormal detector and method of the tool of lathe
US11237539B2 (en) System and method for operational-data-based detection of anomaly of a machine tool
US20180264613A1 (en) Abnormality detection apparatus and machine learning apparatus
US10860004B2 (en) Management system and non-transitory computer-readable recording medium
EP1906282B1 (en) Device and method for estimating machining dimension of a workpiece by a machine tool
WO2008142386A1 (en) Machining process monitor
Shakya et al. Bearing diagnosis based on Mahalanobis–Taguchi–Gram–Schmidt method
CN107272586A (en) Rote learning device, learning by rote, failure precognition apparatus and system
CN109834513B (en) Cutter state detection system and method
TWI472402B (en) Tool flutter monitoring method
JP6880843B2 (en) Management equipment and management program
DE102011084373A1 (en) Operating history management procedure and operation history management facility
KR102373655B1 (en) Apparatus and method for diagnosing trouble of machine tool
DE102018205913A1 (en) Control system for a machine tool
US10860012B2 (en) KPI calculation rule builder for advance plant monitoring and diagnostics
KR102471830B1 (en) Apparatus and method for simultaneous monitoring of bearing and tool condition
Demilia et al. Measurements for smart manufacturing in an Industry 4.0 scenario a case-study on a mechatronic system
CN113126563A (en) Numerical control machine tool data management system and method
JP2023510463A (en) Methods for monitoring and/or predicting machining processes and/or machining results
JP7166839B2 (en) Health monitoring system
KR20210006832A (en) Method and apparatus for machine fault diagnosis
CN108427375B (en) Method for monitoring cutter state based on band-pass filtering processing multi-sensor
JP6684038B1 (en) Predictive maintenance equipment, predictive maintenance method and predictive maintenance program
Duo et al. Surface roughness assessment on hole drilled through the identification and clustering of relevant external and internal signal statistical features
JP7154100B2 (en) Machining abnormality detection device for machine tools

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant