KR102656853B1 - System for artificial intelligence-based cutting tool wear management and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템은 절삭공구가 구비되어 절삭가공을 수행하는 절삭가공 머신, 상기 절삭가공 머신에 설치되어 상기 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크 값 등을 측정하는 센서모듈, 상기 센서모듈에 연결되어 측정한 데이터의 입출력을 수행할 수 있도록 구비되는 터미널모듈, 상기 센서모듈로부터 측정한 데이터를 입력받아 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구 수명에 따른 가공 불량 예측을 수행하여 절삭공구의 마모 여부를 판단하는 임베디드 컴퓨터, 및 상기 임베디드 컴퓨터에서 절삭공구가 마모 상태라고 판단되는 경우 알람을 발생하는 알람모듈을 포함한다.The present invention relates to an artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method. More specifically, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention includes a cutting machine equipped with a cutting tool and performing cutting processing; A sensor module installed in the cutting machine to measure the cutting tool movement value, spindle torque value, etc., a terminal module connected to the sensor module and provided to input and output the measured data, and measurement from the sensor module. An embedded computer that receives data and predicts machining defects according to the life of the cutting tool through an artificial intelligence analysis algorithm to determine whether the cutting tool is worn, and generates an alarm if the embedded computer determines that the cutting tool is worn. Includes an alarm module that

Description

인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법 {System for artificial intelligence-based cutting tool wear management and method thereof}Artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method thereof {System for artificial intelligence-based cutting tool wear management and method thereof}

본 발명은 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절삭공구가 적절한 시기에 교체될 수 있도록 정확한 마모 진행 상태 파악 및 파손 방지를 위한 절삭공구 상태 모니터링이 가능한 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method. More specifically, artificial intelligence is capable of monitoring the status of cutting tools to accurately identify wear progress and prevent damage so that cutting tools can be replaced at an appropriate time. It relates to a basic cutting tool wear management system and method.

절삭가공은 재료를 깎아 가공하는 방법으로써, 이러한 절삭가공은 필연적으로 절삭공구를 이용한다.Cutting processing is a method of cutting and processing materials, and such cutting processing inevitably uses cutting tools.

공작 기계에 의한 생산 시스템 상에서 절삭공구는 가공부품 접촉면의 마찰로 인한 공구 마모 및 파손이 불가피하며, 이로 인해 부정확성, 신뢰성 저하, 절삭공구 교환시간에 의한 시간 낭비, 기계의 정지를 요구하며, 절삭공구의 잦은 교체 등과 같은 문제점이 발생하였다.In a production system using machine tools, wear and damage to cutting tools are inevitable due to friction on the contact surface of the machined parts, which results in inaccuracy, reduced reliability, wasted time due to cutting tool exchange time, and requires machine stoppage. Problems such as frequent replacement occurred.

생산 시스템 상에서 절삭공구는 교체에 대하여 대부분 시각적인 검사 방법 및 사용 시간에 따른 일률적인 교체에 의존하고 있으며 자동화를 요구하는 실정이다.In the production system, cutting tools mostly rely on visual inspection methods and regular replacement according to usage time, and require automation.

이러한, 전통적인 시각검사 방법의 한계로부터 발생하는 절삭공구의 마모 및 파손은 작업의 안전성 및 가공 시간의 손실뿐 아니라 성능과 생산품의 품질 저하에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 절삭공구가 적절한 시기에 교체될 수 있도록 정확한 마모 진행 상태 파악 및 파손 방지를 위한 모니터링 시스템이 필요하다.Wear and damage to cutting tools resulting from the limitations of traditional visual inspection methods can cause serious problems in not only work safety and loss of processing time, but also performance and product quality deterioration, so cutting tools cannot be replaced at an appropriate time. A monitoring system is needed to accurately identify wear progress and prevent damage.

대한민국 등록특허 제10-0979032호 (2010.08.24.)Republic of Korea Patent No. 10-0979032 (2010.08.24.)

본 발명의 목적은 The purpose of the present invention is

절삭공구 사용에 대한 실시간 데이터를 수집하고 이를 이용하여 절삭공구의 마모 상태를 분석하여 절삭공구의 이상 발생 시, 즉각적인 공작기계 손상 방지 및 대량 불량 발생을 예방하기 위한 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.An artificial intelligence-based cutting tool wear management system that collects real-time data on cutting tool use and uses this to analyze the wear status of cutting tools to prevent immediate machine tool damage and mass defects in the event of a cutting tool abnormality. That method is provided.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템은 절삭공구가 구비되어 절삭가공을 수행하는 절삭가공 머신, 상기 절삭가공 머신에 설치되어 상기 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크 값 등을 측정하는 센서모듈, 상기 센서모듈에 연결되어 측정한 데이터의 입출력을 수행할 수 있도록 구비되는 터미널모듈, 상기 센서모듈로부터 측정한 데이터를 입력받아 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구 수명에 따른 가공 불량 예측을 수행하여 절삭공구의 마모 여부를 판단하는 임베디드 컴퓨터, 및 상기 임베디드 컴퓨터에서 절삭공구가 마모 상태라고 판단되는 경우 알람을 발생하는 알람모듈을 포함한다.In order to achieve the above purpose, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention includes a cutting machine equipped with a cutting tool to perform cutting, a cutting tool installed on the cutting machine, a movement value of the cutting tool, and spindle torque. A sensor module that measures values, etc., a terminal module that is connected to the sensor module and is equipped to input and output the measured data, and receives the measured data from the sensor module to determine the life of the cutting tool through an artificial intelligence analysis algorithm. It includes an embedded computer that predicts machining defects and determines whether the cutting tool is worn, and an alarm module that generates an alarm when the embedded computer determines that the cutting tool is worn.

또한, 상기 임베디드 컴퓨터는 상기 센서모듈로부터 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크 값을 포함하는 측정 데이터를 수집하는 데이터 수집부와, 상기 측정 데이터를 상기 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 가공하는 데이터 전처리부와, 상기 데이터 전처리부로부터 가공된 데이터를 입력받아 절삭공구 수명에 따른 가공 불량을 예측하기 위하여 예측 모델을 학습시키는 데이터 학습부와, 상기 데이터 학습부에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 데이터 분석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the embedded computer includes a data collection unit that collects measurement data including cutting tool movement values and spindle torque values from the sensor module, and processes the measurement data into meaningful values for application to the artificial intelligence analysis algorithm. A data pre-processing unit, a data learning unit that receives the processed data from the data pre-processing unit and learns a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool, and artificial intelligence analysis after completion of learning in the data learning unit. It is characterized by including a data analysis unit that determines whether the cutting tool is normal or worn through an algorithm.

또한, 상기 임베디드 컴퓨터는 상기 센서모듈로부터 수집한 측정 데이터를 신호 처리를 통해 사용자가 실시간으로 작업 진행 정보에 대해 확인할 수 있도록 시각적으로 제공하는 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the embedded computer is characterized by including a monitoring unit that visually provides measurement data collected from the sensor module through signal processing so that the user can check work progress information in real time.

또한, 상기 인공지능 분석 알고리즘은 약한 예측 모델들의 학습 에러에 가중치를 두고, 순차적으로 다음 예측 모델에 반영하여 강한 예측 모델을 만드는 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘인 것을 특징으로 한다.In addition, the artificial intelligence analysis algorithm is characterized as an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that creates a strong prediction model by weighting the learning errors of weak prediction models and sequentially reflecting them in the next prediction model.

한편, 본 발명에 다른 관점에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법은 컴퓨터에 의하여 수행되는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 있어서, 데이터 수집부에서 센서모듈로부터 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크값 등을 포함하는 측정 데이터를 수집하는 단계, 데이터 전처리부에서 수집한 측정 데이터를 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 데이터를 가공하는 단계, 데이터 학습부에서 상기 데이터 전처리부로부터 가공된 데이터를 입력받아 절삭공구 수명에 따른 가공 불량을 예측하기 위하여 예측 모델을 학습하는 단계, 데이터 분석부에서 상기 데이터 학습부에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 단계, 및 상기 마모 여부를 판단하는 단계에서 절삭공구의 마모로 판단하는 경우 알람모듈이 경고 알람을 발생하는 단계를 포함한다.Meanwhile, the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to another aspect of the present invention is an artificial intelligence-based cutting tool wear management method performed by a computer, in which the cutting tool movement value and spindle torque value are collected from the sensor module in the data collection unit. Collecting measurement data including, processing the data into meaningful values for applying the measurement data collected in the data pre-processing unit to an artificial intelligence analysis algorithm, data processed from the data pre-processing unit in the data learning unit. A step of receiving input and learning a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool. After completing the learning in the data learning unit, the data analysis unit determines whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm. In the step of determining whether the cutting tool is worn, the alarm module generates a warning alarm when it is determined that the cutting tool is worn.

또한, 상기 데이터를 가공하는 단계는 센서모듈로부터 실시간으로 측정한 원시 데이터들을 입력받는 단계와, 상기 원시 데이터에 기초하여 의미 없는 값, 누락 및 오차를 줄이기 위해 원시 데이터를 1차 가공하는 단계와, 상기 1차 가공하는 단계를 통해 1차 가공된 데이터 값들에 대하여 분류를 진행하여 예측 모델에 학습시키기 위해 특성을 파악하여 2차 가공하는 단계를 포함한다.In addition, the step of processing the data includes receiving raw data measured in real time from a sensor module, first processing the raw data to reduce meaningless values, omissions, and errors based on the raw data, It includes the step of classifying the data values that have been processed through the primary processing step, identifying the characteristics to learn the prediction model, and performing secondary processing.

또한, 상기 인공지능 분석 알고리즘은 약한 예측 모델들의 학습 에러에 가중치를 두고, 순차적으로 다음 예측 모델에 반영하여 강한 예측 모델을 만드는 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘인 것을 특징으로 한다.In addition, the artificial intelligence analysis algorithm is characterized as an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that creates a strong prediction model by weighting the learning errors of weak prediction models and sequentially reflecting them in the next prediction model.

본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법은 절삭공구의 이상 발생 시, 즉각적인 알람을 통해 관리자 또는 작업자가 확인할 수 있도록하여 이상 발생에 대한 빠른 조치를 유도함으로써, 공작기계의 손상 방지 및 대량 불량 발생을 예방할 수 있다.The artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method according to the present invention prevents damage to machine tools by allowing managers or workers to check through an immediate alarm when a cutting tool abnormality occurs, thereby inducing quick action against the abnormality. And the occurrence of mass defects can be prevented.

또한, 절삭공구 마모에 대하여 정확한 상태 제공으로 최적 상태의 공구 수명 사용으로 인한 원가절감 효과 및 기업의 생산성 향상, 품질적인 측면에서 기업경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.In addition, by providing an accurate condition for cutting tool wear, there is an effect of reducing costs due to use of the tool life in an optimal state, improving the company's productivity, and securing the company's competitiveness in terms of quality.

도 1은 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 구성하는 임베디드 컴퓨터를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법의 전체적인 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 따라 절삭공구의 마모 상태 판단을 위한 유형별 신호 특징을 설명하기 위한 예시도이다.
Figure 1 is a configuration diagram showing an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram showing an embedded computer constituting an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.
Figure 3 is a flowchart showing the overall flow of the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention.
Figure 4 is an example diagram illustrating signal characteristics by type for determining the wear state of a cutting tool according to the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is not limited. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Specific details for implementing the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings below. Regardless of the drawings, the same reference numerals refer to the same elements, and “and/or” includes each and all combinations of one or more of the mentioned items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, “comprises” and/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other elements in addition to the mentioned elements.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 나타낸 구성도이다.Figure 1 is a configuration diagram showing an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.

도 1을 참조하면, 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템은 크게, 절삭가공 머신(100), 센서모듈(200), 터미널모듈(300), 임베디드 컴퓨터(400) 및 알람모듈(500)을 포함한다.Referring to Figure 1, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system largely includes a cutting machine 100, a sensor module 200, a terminal module 300, an embedded computer 400, and an alarm module 500. .

먼저, 절삭가공 머신(100)은 절삭공구를 이용하여 절삭가공을 하는 공작 기계를 의미하며, 일반적으로 CNC(Computerized Numerical Control)선반 또는 머시닝센터(Machining Center, MCT) 의미할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.First, the cutting machine 100 refers to a machine tool that performs cutting using a cutting tool, and may generally mean a CNC (Computerized Numerical Control) lathe or a machining center (MCT), and is limited thereto. That is not the case.

다음, 센서모듈(200)은 상기 절삭가공 머신(100)에서 제공하는 설정 값 대비 실제 절삭공구가 움직이는 값, 상기 절삭가공 머신(100)의 전류 및 전압 데이터, 스핀들의 토크 값 등을 측정하는 센서들로 구성될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서, 각각의 데이터 또는 값을 측정하기 위하여 각 센서들이 상기 절삭가공 머신(100)에 별도의 위치에 설치될 수 있음은 물론이다.Next, the sensor module 200 is a sensor that measures the actual cutting tool movement value compared to the setting value provided by the cutting machine 100, current and voltage data of the cutting machine 100, and spindle torque value, etc. It may consist of, but is not limited to. Here, of course, each sensor can be installed in a separate location on the cutting machine 100 to measure each data or value.

다음, 터미널모듈(300)은 상기 센서모듈(200)에 연결되어 측정한 데이터를 전송하거나 출력을 받기 위한 장치로서 측정 데이터의 입출력을 수행할 수 있도록 구비된다.Next, the terminal module 300 is connected to the sensor module 200 and is a device for transmitting or receiving output of measured data and is equipped to input and output measured data.

상기 터미널모듈(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 데이터의 출력을 하기 위한 터미널 유닛(300a)과 출력되는 데이터를 입력받기 위한 마스터 유닛(300b)으로 구비될 수 있으며, 상기 터미널 유닛(300a)은 각 센서들이 구비되는 위치에 따라 1개 이상 구비될 수 있음은 물론이다.As shown in FIG. 1, the terminal module 300 may be provided with a terminal unit 300a for outputting data and a master unit 300b for receiving output data, and the terminal unit 300a Of course, there may be more than one sensor depending on the location where each sensor is provided.

다음, 임베디드 컴퓨터(400)는 상기 센서모듈(200)로부터 측정한 데이터를 입력받아 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구 수명에 따른 가공 불량 예측을 수행하여 절삭공구의 마모 여부를 판단하는 컴퓨터를 의미한다.Next, the embedded computer 400 refers to a computer that receives the measured data from the sensor module 200 and determines whether the cutting tool is worn by predicting machining defects according to the life of the cutting tool through an artificial intelligence analysis algorithm. .

여기서, 상기 임베디드 컴퓨터(400)는 컴퓨터 기능을 구현할 수 있는 마이크로프로세서가 내장된 산업용 임베디드 컴퓨터를 의미할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며 일반적인 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer, PC) 등이 대체될 수 있음은 물론이다.Here, the embedded computer 400 may refer to an industrial embedded computer with a built-in microprocessor capable of implementing computer functions, but is not limited thereto and may replace a general personal computer (PC), etc. Of course.

도 2는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 구성하는 임베디드 컴퓨터를 나타낸 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram showing an embedded computer constituting an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.

도 2를 참조하여, 상기 임베디드 컴퓨터(400)에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하자면, 상기 임베디드 컴퓨터(400)는 데이터 수집부(410), 데이터 전처리부(420), 데이터 학습부(430) 및 데이터 분석부(440)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, to describe the embedded computer 400 in more detail, the embedded computer 400 includes a data collection unit 410, a data preprocessing unit 420, a data learning unit 430, and a data It may include an analysis unit 440.

먼저, 데이터 수집부(410)는 상기 센서모듈(200)로부터 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크 값 등을 포함하는 상기 측정 데이터를 수집하는 역할을 한다.First, the data collection unit 410 serves to collect the measurement data including the cutting tool movement value, spindle torque value, etc. from the sensor module 200.

바람직하게는 상기 데이터 수집부(410)는 상기 임베디드 컴퓨터(400)측에 구비되는 상기 마스터 유닛(300b)을 통해 상기 터미널 유닛(300a)에서 출력되는 측정 데이터를 입력받아 데이터들을 수집한다.Preferably, the data collection unit 410 receives measurement data output from the terminal unit 300a through the master unit 300b provided on the embedded computer 400 and collects the data.

다음, 데이터 전처리부(420)는 상기 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 가공하는 역할을 한다. 여기서 말하는 의미가 있는 값이란, 실제 공정에서 발생하는 측정값은 오차가 발생하거나, 노이즈 값, 비정상적인 데이터 등이 발생할 수 있으며, 이러한 데이터들을 의미 없는 값이라고 해석할 수 있으며, 이런 값들을 제외한 값들을 의미 있는 값으로 해석할 수 있다.Next, the data pre-processing unit 420 processes the data into meaningful values for application to the artificial intelligence analysis algorithm. Meaningful values here mean that measurements that occur in actual processes may have errors, noise values, abnormal data, etc., and these data can be interpreted as meaningless values, and values excluding these values can be interpreted as meaningless values. It can be interpreted as a meaningful value.

이러한 의미 없거나 누락 또는 오차가 발생하여 데이터의 품질(또는 정확성)을 떨어트리게 되는데, 데이터 분석에 있어서 품질을 향상시키기 위해 상기 의미 있는 값으로 전처리를 수행하는 것은 데이터 분석에 있어서 가장 중요한 단계중 하나를 의미할 수 있다.These meaningless, missing, or errors degrade the quality (or accuracy) of the data. Performing preprocessing with the above meaningful values to improve the quality in data analysis is one of the most important steps in data analysis. It can mean.

또한, 상기 데이터 전처리부(420)는 상기 센서모듈(200)로부터 수집한 측정 데이터, 즉, 원시데이터를 1차, 2차 전처리 과정을 거치도록 구성될 수 있다.Additionally, the data pre-processing unit 420 may be configured to undergo primary and secondary pre-processing of the measurement data collected from the sensor module 200, that is, raw data.

상기 1차 전처리 과정은 원시데이터에 대한 지수를 파악하고, 수집한 원시데이터로 인하여 품질을 떨어트리는 품질이 낮은 데이터에 대하여 품질 지수를 향상시키는 과정을 의미할 수 있다.The first preprocessing process may refer to a process of identifying the index of raw data and improving the quality index of low-quality data that deteriorates quality due to the collected raw data.

상기 2차 전처리 과정은 1차 전처리 과정을 통해 가공된 1차 가공데이터에 기초하여 후술할 예측 모델에 학습시키기 위한 데이터로 변환하는 과정을 의미할 수 있으며, 예측 모델에 학습하기 위해 필요한 속성 값을 필터링하고, 불필요한 데이터는 버리고, 실사용하기 위한 데이터만을 남기는 과정을 의미할 수 있다. The secondary preprocessing process may refer to a process of converting the primary processed data processed through the primary preprocessing process into data for learning a prediction model to be described later, and attribute values required for learning the prediction model. This can mean the process of filtering, discarding unnecessary data, and leaving only data for actual use.

다음, 데이터 학습부(430)는 상기 데이터 전처리부(420)로부터 가공된 데이터를 입력받아 절삭공구 수명에 따른 가공 불량을 예측하기 위하여 예측 모델을 학습시키는 역할을 한다.Next, the data learning unit 430 receives the processed data from the data pre-processing unit 420 and serves to learn a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool.

다음, 데이터 분석부(440)는 상기 데이터 학습부(430)에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 역할을 한다.Next, the data analysis unit 440 serves to determine whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm after the data learning unit 430 completes learning.

상기 인공지능 분석 알고리즘은 절삭공구 마모도 판단을 위해 상기 센서모듈(200)로부터 수집한 절삭공구가 움직이는 값(예: X, Y, Z 축) 및 스핀들 토크 값에 대한 신호 패턴을 유형별 분류 및 정의하여, 현재신호와 정상신호를 비교하여 마모상태를 진단하여 절삭공구의 마모도를 분석하는 알고리즘을 의미한다. 이는, 현재 절삭공구의 마모 값이 기설정된 기준치보다 같거나 높은 경우 마모 상태로 판단하는 것으로 이해될 수 있다.The artificial intelligence analysis algorithm classifies and defines signal patterns for cutting tool movement values (e.g., X, Y, Z axes) and spindle torque values collected from the sensor module 200 by type to determine cutting tool wear. , refers to an algorithm that analyzes the wear level of cutting tools by diagnosing the wear condition by comparing the current signal with the normal signal. This can be understood as determining a wear state when the current wear value of the cutting tool is equal to or higher than a preset reference value.

여기서, 상기 인공지능 분석 알고리즘은 약한 예측 모델들의 학습 에러에 가중치를 두고, 순차적으로 다음 예측 모델에 반영하여 강한 예측 모델을 만드는 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘을 의미할 수 있다. 이는 상기 데이터 학습부(430)에서 설명한 예측 모델 또한 이에 해당될 수 있음은 물론이다.Here, the artificial intelligence analysis algorithm may refer to the XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, Of course, this may also apply to the prediction model described in the data learning unit 430.

상기 XGBoost 알고리즘은 절삭공구 마모도 판단에 있어서, 분류와 회귀 영역에서 뛰어난 예측 성능, 과적합(Overfitting) 규제, 긍정 이득이 없는 분할을 가지치기해서 분할 수를 줄일 수 있는 효과 등을 가질 수 있다.In determining cutting tool wear, the XGBoost algorithm can have excellent prediction performance in the classification and regression areas, overfitting regulation, and the ability to reduce the number of divisions by pruning divisions without positive gain.

더불어, 반복 수행시마다 내부적으로 교차검증을 수행하도록 이루어져 최적화된 반복 수행횟수를 가지며, 지정된 반복횟수가 아니라 상기 교차검증을 통해 평가 데이터셋의 평가 값이 최적화되면 반복을 중간에 멈출 수 있어 처리 과정을 줄일 수 있는 장점이 있다.In addition, cross-validation is performed internally every time it is repeated, so it has an optimized number of repetitions. If the evaluation value of the evaluation data set is optimized through cross-validation rather than the specified number of repetitions, the repetition can be stopped in the middle, thereby improving the processing process. There is an advantage to reducing it.

한편, 상기 임베디드 컴퓨터(400)는 상기 센서모듈로부터 수집한 측정 데이터를 신호 처리를 통해 사용자가 실시간으로 작업 진행 정보에 대해 확인할 수 있도록 시각적으로 제공하는 모니터링부(450)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.Meanwhile, the embedded computer 400 may further include a monitoring unit 450 that visually provides measurement data collected from the sensor module through signal processing so that the user can check work progress information in real time. .

상기 모니터링부(450)는 일반적으로 구성되는 터치디스플레이형태로 이루어질 수 있으며, 상세한 설명은 생략하도록 한다.The monitoring unit 450 may be in the form of a commonly configured touch display, and detailed description will be omitted.

다음, 알람모듈(500)은 상기 임베디드 컴퓨터(400)에서 절삭공구가 마모 상태라고 판단되는 경우 알람을 발생시키는 것으로, 산업용 경고등을 의미할 수 있다.Next, the alarm module 500 generates an alarm when the embedded computer 400 determines that the cutting tool is in a worn state, and may mean an industrial warning light.

상기 알람모듈(500)은 상기 임베디드 컴퓨터(400)와 연결되어 절삭공구의 완전마모 전체 경고 범위를 설정하여 작업의 정지에 대한 효율적인 대비를 할 수 있도록 마련되어, 상기 알람모듈(500)은 경고 또는 알람을 통해 관리자 또는 작업자가 절삭공구의 마모에 대한 대응을 빨리 유도할 수 있는 효과가 있다.The alarm module 500 is connected to the embedded computer 400 and is provided to effectively prepare for work stoppage by setting the entire warning range for complete wear of the cutting tool. The alarm module 500 provides a warning or alarm. This has the effect of allowing managers or workers to quickly respond to wear and tear of cutting tools.

하기에서는, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 이용한 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 대하여 설명하도록 한다.In the following, an artificial intelligence-based cutting tool wear management method using the artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention will be described.

도 3은 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법의 전체적인 흐름을 나타낸 순서도이다.Figure 3 is a flowchart showing the overall flow of the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention.

도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 대하여 설명하자면, 컴퓨터(또는 임베디드 컴퓨터)에 의하여 수행되는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 있어서, 먼저, 데이터 수집부(410)에서 센서모듈(200)로부터 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크값 등을 포함하는 측정 데이터를 수집하는 단계를 수행한다(S110).Referring to FIG. 3, to describe the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention, in the artificial intelligence-based cutting tool wear management method performed by a computer (or embedded computer), first, a data collection unit ( In step 410, measurement data including cutting tool movement values, spindle torque values, etc. are collected from the sensor module 200 (S110).

다음, 데이터 전처리부(420)에서 수집한 측정 데이터를 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 데이터를 가공하는 단계를 수행한다(S120).Next, a step is performed to process the measurement data collected by the data pre-processing unit 420 into meaningful values for application to the artificial intelligence analysis algorithm (S120).

상기 데이터를 가공하는 단계(S120)는 센서모듈(200)로부터 실시간으로 측정한 원시 데이터들을 입력받는 단계와, 상기 원시 데이터에 기초하여 의미 없는 값, 누락 및 오차를 줄이기 위해 원시 데이터를 1차 가공하는 단계와, 상기 1차 가공하는 단계를 통해 1차 가공된 데이터 값들에 대하여 분류를 진행하여 예측 모델에 학습시키기 위해 특성을 파악하여 2차 가공하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있다.The data processing step (S120) includes receiving raw data measured in real time from the sensor module 200, and first processing the raw data to reduce meaningless values, omissions, and errors based on the raw data. It may be configured to perform a step of classifying the data values primarily processed through the first processing step, identifying characteristics to learn the prediction model, and performing a second processing step.

상기 1차 가공하는 단계는 원시데이터에 대한 지수를 파악하고, 수집한 원시데이터로 인하여 품질을 떨어트리는 품질이 낮은 데이터에 대하여 품질 지수를 향상시키는 과정을 수행한다.The first processing step determines the index of the raw data and performs a process of improving the quality index for low-quality data that degrades the quality due to the collected raw data.

이후 2차 가공 단계는 상기 1차 가공 단계를 통해 가공된 1차 가공데이터에 기초하여 후술할 예측 모델에 학습시키기 위한 데이터로 변환하는 단계로, 예측 모델에 학습하기 위해 필요한 속성 값을 필터링하고, 불필요한 데이터는 버리고 실사용하기 위한 데이터만을 남기는 과정을 수행한다.Thereafter, the secondary processing step is a step of converting the primary processing data processed through the first processing step into data for training a prediction model to be described later, filtering the attribute values required for learning the prediction model, and A process is performed to discard unnecessary data and leave only data for actual use.

다음, 데이터 학습부(430)에서 상기 데이터 전처리부(420)로부터 가공된 데이터를 입력받아 절삭공구 수명에 따른 가공 불량을 예측하기 위하여 예측 모델을 학습하는 단계를 수행한다(S130).Next, the data learning unit 430 receives the processed data from the data pre-processing unit 420 and performs a step of learning a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool (S130).

다음, 데이터 분석부에서 상기 데이터 학습부에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 단계를 수행한다(S140).Next, after completing learning in the data learning unit, the data analysis unit performs a step of determining whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm (S140).

이에 일례를 들어 설명하자면, 상기 인공지능 분석 알고리즘은 절삭공구 마모도 판단을 위해 센서모듈(200)로부터 수집한 절삭공구가 움직이는 값(예: X, Y, Z 축) 및 스핀들 토크 값에 대한 신호 패턴을 유형별 분류 및 정의하여 현재신호와 정상신호를 비교하여 마모상태를 진단하여 절삭공구의 마모도를 분석할 수 있다.To explain this as an example, the artificial intelligence analysis algorithm uses signal patterns for cutting tool movement values (e.g., X, Y, Z axes) and spindle torque values collected from the sensor module 200 to determine cutting tool wear. By classifying and defining each type, you can analyze the wear level of the cutting tool by comparing the current signal and the normal signal to diagnose the wear condition.

도 4는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 따라 절삭공구의 마모 상태 판단을 위한 유형별 신호 특징을 설명하기 위한 예시도이다.Figure 4 is an example diagram illustrating signal characteristics by type for determining the wear state of a cutting tool according to the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention.

도 4를 더 참조하여 설명하자면, 도 4의 (a)는 초기 셋팅 상태를 의미하는 신호 패턴을 나타낸 것으로, 마모 한계선(붉은선) 1, 2는 마모 한계선을 의미한다. 그리고, 파손 한계선(녹색선) 4, 5은 절삭공구의 정상 범위를 지정한 한계선으로 절삭공구가 정상적이라면 상기 마모 한계선과 상기 파손 한계선 사이에 신호가 위치하게 된다.To further explain with reference to FIG. 4, (a) of FIG. 4 shows a signal pattern indicating the initial setting state, and wear limit lines (red lines) 1 and 2 indicate wear limit lines. In addition, the damage limit lines (green lines) 4 and 5 are limit lines that designate the normal range of the cutting tool, and if the cutting tool is normal, a signal is located between the wear limit line and the damage limit line.

도 4의 (b)는 절삭공구의 마모 상태 시에 대한 신호 패턴을 나타낸 것으로, 상기 마모 한계선에 도달하게 되면 마모 상태라고 판단한다. 즉, 현재 절삭공구의 마모 값이 기설정된 기준치보다 같거나 높은 경우 마모 상태로 판단하는 것으로 이해될 수 있다.Figure 4(b) shows the signal pattern for the wear state of the cutting tool, and when the wear limit line is reached, it is judged to be in the worn state. In other words, it can be understood that if the current wear value of the cutting tool is equal to or higher than the preset standard value, it is judged to be in a wear state.

도 4의 (c)는 절삭공구의 파손 상태에 대한 신호 패턴을 나타낸 것으로 비정상적 패턴신호를 의미할 수 있으며, 정상적인 파손 한계선의 범위에 도달(초과)하지 않으면 절삭공구의 파손 상태로 판단할 수 있다.Figure 4 (c) shows the signal pattern for the damage state of the cutting tool, which may mean an abnormal pattern signal. If it does not reach (exceed) the range of the normal damage limit line, the cutting tool can be judged to be in a damaged state. .

이와 같이, 절삭공구의 마모 상태를 판단하는 상기 인공지능 분석 알고리즘은 약한 예측 모델들의 학습 에러에 가중치를 두고, 순차적으로 다음 예측 모델에 반영하여 강한 예측 모델을 만드는 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘이 사용될 수 있으며, 앞서 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 통해 설명한 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘을 참조하도록 하며 상세한 설명은 생략하도록 한다.In this way, the artificial intelligence analysis algorithm that determines the wear state of the cutting tool is the XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, can be used, and the XGBoost (eXtreme Gradient Boosting,

상기 마모 여부를 판단하는 단계에서 절삭공구의 마모로 판단하는 경우 알람모듈(500)이 알람을 발생하는 단계를 수행한다(S150).In the step of determining wear, if it is determined that the cutting tool is worn, the alarm module 500 performs a step of generating an alarm (S150).

상기 알람모듈(500)은 작업 정지 알람과 경고 알람을 발생할 수 있으며, 상기 알람을 발생하는 단계(S150)은 작업 정지 알람 전에 경고 범위를 설정하여 작업의 정지에 대한 효율적인 대비를 할 수 있도록 경고 알람을 발생시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 작업 정지 알람은 설비(작업)을 정지해야 하는 상황에 대한 알람을 의미하며, 상기 경고 알람은 마모가 발생하여 가공 정밀도가 떨어지는 시점에 대해 경고하는 것으로, 관리자(작업자)가 경고 알람을 통해 절삭공구의 마모에 대한 빠른 대응을 유도할 수 있다.The alarm module 500 can generate a work stop alarm and a warning alarm, and the alarm generating step (S150) sets a warning range before the work stop alarm to efficiently prepare for work stoppage. It can be configured to generate. Here, the work stop alarm refers to an alarm for a situation in which equipment (work) must be stopped, and the warning alarm warns of a point in time when machining precision decreases due to wear, and the manager (operator) sends a warning alarm. It can lead to a quick response to wear of cutting tools.

한편, 상기 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 단계(S140)에서 판단 결과가 절삭공구가 정상으로 판단되는 경우 상기 측정 데이터를 수집하는 단계(S110)부터 반복한다.Meanwhile, if the determination result in the step of determining whether the cutting tool is normal or worn (S140) is that the cutting tool is normal, the step of collecting the measurement data (S110) is repeated.

따라서, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템 및 그 방법은 절삭공구의 마모진행 상태(정상, 교체필요)를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 이루어져 절삭공구가 적절한 시기에 교체될 수 있도록하여 작업의 안전성 및 가공시간의 손실뿐만 아니라 성능과 생산품의 품질저하에 심각한 문제를 일으키는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method according to the present invention are designed to monitor the wear progress status (normal, replacement required) of the cutting tool in real time, so that the cutting tool can be replaced at an appropriate time. It is effective in preventing serious problems in performance and quality deterioration of products as well as loss of safety and processing time.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다. Although embodiments of the present invention have been described with reference to the above and the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features. You will understand that it exists. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

100: 절삭가공 머신
200: 센서모듈
300: 터미널모듈
400: 임베디드 컴퓨터
410: 데이터 수집부
420: 데이터 전처리부
430: 데이터 학습부
440: 데이터 분석부
450: 모니터링부
500: 알람모듈
100: Cutting machine
200: Sensor module
300: Terminal module
400: Embedded computer
410: Data collection unit
420: Data preprocessing unit
430: Data learning unit
440: Data analysis department
450: Monitoring unit
500: Alarm module

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 컴퓨터에 의하여 수행되는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 있어서,
데이터 수집부에서 센서모듈로부터 절삭공구가 움직이는 값, 스핀들 토크값 등을 포함하는 측정 데이터를 수집하는 단계;
데이터 전처리부에서 수집한 측정 데이터를 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 데이터를 가공하는 단계;
데이터 학습부에서 상기 데이터 전처리부로부터 가공된 데이터를 입력받아 절삭공구 수명에 따른 가공 불량을 예측하기 위하여 예측 모델을 학습하는 단계;
데이터 분석부에서 상기 데이터 학습부에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 단계; 및
상기 마모 여부를 판단하는 단계에서 절삭공구의 마모로 판단하는 경우 알람모듈이 경고 알람을 발생하는 단계;를 포함하되,
상기 데이터를 가공하는 단계는,
센서모듈로부터 실시간으로 측정한 원시 데이터들을 입력받는 단계와,
상기 원시 데이터에 기초하여 의미 없는 값, 누락 및 오차를 줄이기 위해, 원시데이터에 대한 품질 지수를 파악하고, 수집한 원시데이터로 인하여 품질을 떨어트리는 품질이 낮은 데이터에 대하여 품질 지수를 향상시키는 원시 데이터를 1차 가공하는 단계와,
상기 1차 가공하는 단계를 통해 1차 가공된 데이터 값들에 대하여 분류를 진행하여 특성을 파악하기 위해 예측 모델에 학습하기 위해 필요한 속성 값을 필터링하고, 불필요한 데이터는 버리고, 실사용하기 위한 데이터만을 남기는 예측모델 학습을 위한 테이터로 변환하는 과정인 데이터 2차 가공하는 단계,를 포함하며,
상기 인공지능 분석 알고리즘은 절삭공구 마모도 판단에 있어 분류와 회귀 영역에서 뛰어난 예측 성능, 과적합(Overfitting) 규제, 긍정 이득이 없는 분할을 가지치기해서 분할 수를 줄일 수 있으며, 반복 수행시마다 내부적으로 교차검증을 수행하도록 이루어져 최적화된 반복 수행횟수를 가지며, 지정된 반복횟수가 아니라 상기 교차검증을 통해 평가 데이터셋의 평가 값이 최적화되면 반복을 중간에 멈출 수 있어 처리 과정을 줄일 수 있도록, 약한 예측 모델들의 학습 에러에 가중치를 두고, 순차적으로 다음 예측 모델에 반영하여 강한 예측 모델을 만드는 XGBoost(eXtreme Gradient Boosting, XGB) 알고리즘인 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법.
In an artificial intelligence-based cutting tool wear management method performed by a computer,
Collecting measurement data including cutting tool movement value, spindle torque value, etc. from the sensor module in the data collection unit;
Processing the measurement data collected by the data pre-processing unit into meaningful values for application to an artificial intelligence analysis algorithm;
A data learning unit receiving the processed data from the data pre-processing unit and learning a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool;
After completing learning in the data learning unit, the data analysis unit determines whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm; and
In the step of determining whether the cutting tool is worn, the alarm module generates a warning alarm when it is determined that the cutting tool is worn.
The step of processing the data is,
A step of receiving raw data measured in real time from a sensor module,
In order to reduce meaningless values, omissions, and errors based on the raw data, the quality index for the raw data is identified, and the quality index is improved for low-quality data that reduces quality due to the collected raw data. A first processing step,
Through the primary processing step, the primary processed data values are classified and the attribute values required to learn the prediction model are filtered to identify the characteristics, unnecessary data is discarded, and only data for actual use is left. It includes a data secondary processing step, which is the process of converting it into data for learning a prediction model,
The artificial intelligence analysis algorithm provides excellent prediction performance in the classification and regression areas in determining cutting tool wear, regulates overfitting, reduces the number of divisions by pruning divisions without positive gain, and internally crosses each iteration. It is configured to perform verification and has an optimized number of iterations. If the evaluation value of the evaluation data set is optimized through cross-validation rather than the specified number of iterations, the iteration can be stopped in the middle to reduce the processing process of weak prediction models. An artificial intelligence-based cutting tool wear management method characterized by the XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that creates a strong prediction model by weighting learning errors and sequentially reflecting them in the next prediction model.
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