KR20220157168A - System for artificial intelligence-based cutting tool wear management and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
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 thereof, and more particularly, artificial intelligence capable of accurately identifying the progress of wear and monitoring the state of cutting tools to prevent damage so that cutting tools can be replaced at the right time Based cutting tool wear management system and method.
절삭가공은 재료를 깎아 가공하는 방법으로써, 이러한 절삭가공은 필연적으로 절삭공구를 이용한다.Cutting is a method of cutting and processing materials, and this cutting process inevitably uses a cutting tool.
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 the production system using machine tools, cutting tools inevitably wear and break tools due to friction on the contact surface of processing parts, which leads to inaccuracy, lowered reliability, waste of time due to cutting tool replacement, and requiring the machine to stop. Problems such as frequent replacement of
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, most of the cutting tools depend on a uniform replacement according to a visual inspection method and use time for replacement, and automation is required.
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.The wear and tear of cutting tools resulting from the limitations of these traditional visual inspection methods can cause serious problems in work safety and loss of processing time as well as deterioration in performance and product quality. A monitoring system is needed to accurately grasp the progress of wear and prevent damage.
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.Artificial intelligence-based cutting tool wear management system to prevent immediate damage to machine tools and mass defects in the event of an abnormality of cutting tools by collecting real-time data on the use of cutting tools and using them to analyze the state of wear of cutting tools, and to provide that way.
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 above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
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 object, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention is a cutting machine equipped with a cutting tool to perform cutting, a value installed in the cutting machine and moving the cutting tool, and a spindle torque A sensor module that measures values, etc., a terminal module connected to the sensor module and provided to perform input and output of the measured data, and receiving the measured data from the sensor module and using an artificial intelligence analysis algorithm to determine the lifespan of the cutting tool. It includes an embedded computer that determines whether the cutting tool is worn by predicting machining defects, and an alarm module that generates an alarm when the embedded computer determines that the cutting tool is in a worn state.
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 a cutting tool movement value and a spindle torque value 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 that receives the processed data from the data pre-processing unit and a data learning unit that learns a prediction model to predict machining defects according to the life of the cutting tool, and AI analysis after completion of learning in the data learning unit It is characterized in that it includes 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 may include a monitoring unit that visually provides measurement data collected from the sensor module through signal processing so that a 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 in that it is an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that creates a strong prediction model by putting weights on 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.On the other hand, 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, the value of moving the cutting tool from the sensor module in the data collection unit, the spindle torque value Collecting measurement data including, etc., processing the data into meaningful values for applying the measured data collected by the data pre-processing unit to the artificial intelligence analysis algorithm, and processing data from the data pre-processing unit in the data learning unit. Learning a predictive model to predict machining defects according to the life of the cutting tool by receiving input, and after completing learning in the data learning unit in the data analysis unit, determining whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm and generating, by an alarm module, a warning alarm when it is determined that the cutting tool is worn in the step of determining wear.
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, and processing the raw data first to reduce meaningless values, omissions, and errors based on the raw data; Classifying the data values that have been primarily processed through the primary processing step, identifying characteristics and performing secondary processing in order to learn them in a predictive model.
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 in that it is an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that creates a strong prediction model by putting weights on 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.Artificial intelligence-based cutting tool wear management system and method according to the present invention, when an abnormality occurs in a cutting tool, enables a manager or operator to check through an immediate alarm, induces quick action on the occurrence of an abnormality, and thereby prevents damage to the machine tool And 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 accurate conditions for cutting tool wear, there is an effect of reducing costs due to the use of optimal tool life, improving productivity of companies, and securing corporate 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.1 is a block diagram showing an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.
2 is a block diagram showing an embedded computer constituting an artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention.
3 is a flowchart showing the overall flow of the artificial intelligence-based cutting tool wear management method according to the present invention.
4 is an exemplary diagram for explaining signal characteristics for each 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. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of 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.With reference to the accompanying drawings below, specific details for the practice of the present invention will be described in detail. Like reference numbers refer to like elements, regardless of drawing, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited 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.Terminology used in this specification is for describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements other than the recited 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 in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly 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 accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 나타낸 구성도이다.1 is a block 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 FIG. 1, the artificial intelligence-based cutting tool wear management system largely includes a
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
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
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 a device connected to the
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 include a
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
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
도 2는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 구성하는 임베디드 컴퓨터를 나타낸 구성도이다.2 is a block 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
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
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
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
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.Such meaningless, omissions, or errors occur to reduce the quality (or accuracy) of data. In data analysis, performing preprocessing with the meaningful values to improve the quality is one of the most important steps in data analysis. 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.In addition, the data pre-processing
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 an index of raw data and improving a 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 second pre-processing process may refer to a process of converting the first processed data processed through the first pre-processing process into data for learning in a predictive model to be described later, and attribute values necessary for learning to the predictive model. It may refer to a 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
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
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 the signal patterns for the moving values (eg, X, Y, Z axes) and spindle torque values of the cutting tools collected from the
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 an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that weights learning errors of weak prediction models and sequentially reflects them to the next prediction model to create a strong prediction model. Of course, the prediction model described in the
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.The XGBoost algorithm may have excellent predictive performance in classification and regression domains, overfitting regulation, and the effect of reducing the number of divisions by pruning divisions without positive gains in determining the degree of wear of cutting tools.
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 at each iteration so that it has an optimized number of iterations, and if the evaluation value of the evaluation dataset is optimized through the cross-validation instead of the specified number of iterations, the iteration can be stopped in the middle, thereby shortening the process. There are advantages 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
상기 모니터링부(450)는 일반적으로 구성되는 터치디스플레이형태로 이루어질 수 있으며, 상세한 설명은 생략하도록 한다.The
다음, 알람모듈(500)은 상기 임베디드 컴퓨터(400)에서 절삭공구가 마모 상태라고 판단되는 경우 알람을 발생시키는 것으로, 산업용 경고등을 의미할 수 있다.Next, the
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
하기에서는, 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템을 이용한 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, 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.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
다음, 데이터 전처리부(420)에서 수집한 측정 데이터를 인공지능 분석 알고리즘에 적용하기 위한 의미 있는 값으로 데이터를 가공하는 단계를 수행한다(S120).Next, a step of processing the data into meaningful values for applying the measurement data collected by the
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 processing of the data (S120) includes receiving raw data measured in real time from the
상기 1차 가공하는 단계는 원시데이터에 대한 지수를 파악하고, 수집한 원시데이터로 인하여 품질을 떨어트리는 품질이 낮은 데이터에 대하여 품질 지수를 향상시키는 과정을 수행한다.In the first processing step, an index of the raw data is identified, and a process of improving the quality index of low-quality data that deteriorates the quality due to the collected raw data is performed.
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 data processed through the primary processing step into data for learning in a predictive model to be described later based on the primary processed data, filtering attribute values required for learning in the predictive model, A process of discarding unnecessary data and leaving only data for actual use is performed.
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
다음, 데이터 분석부에서 상기 데이터 학습부에서 학습 완료 후, 인공지능 분석 알고리즘을 통해 절삭공구의 정상 또는 마모 여부를 판단하는 단계를 수행한다(S140).Next, the data analysis unit performs a step of determining whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm after learning is completed in the data learning unit (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 is a signal pattern for the moving values (eg, X, Y, Z axes) and spindle torque values of the cutting tool collected from the
도 4는 본 발명에 따른 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법에 따라 절삭공구의 마모 상태 판단을 위한 유형별 신호 특징을 설명하기 위한 예시도이다.4 is an exemplary diagram for explaining signal characteristics for each 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 an initial setting state, and wear limit lines (red lines) 1 and 2 mean wear limit lines. In addition, the breakage limit lines (green lines) 4 and 5 are limit lines specifying 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 breakage 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.(b) of FIG. 4 shows a signal pattern for the wear state of the cutting tool, and when the wear limit line is reached, it is determined that the wear state is reached. That is, when the wear value of the current cutting tool is equal to or higher than a preset reference value, it can be understood that the wear state is determined.
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 broken state of the cutting tool, which may mean an abnormal pattern signal, and if it does not reach (exceed) the range of the normal breakage limit line, it can be judged as the broken state of the cutting tool. .
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 for determining the wear state of the cutting tool is 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. may be used, and refer to the XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm described above through the artificial intelligence-based cutting tool wear management system according to the present invention, and a detailed description thereof will be omitted.
상기 마모 여부를 판단하는 단계에서 절삭공구의 마모로 판단하는 경우 알람모듈(500)이 알람을 발생하는 단계를 수행한다(S150).When it is determined that the cutting tool is worn in the step of determining whether or not to be worn, the
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
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, in the step of determining whether the cutting tool is normal or worn (S140), when the result of the determination 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 is made to monitor the wear progress (normal, replacement required) of the cutting tool in real time so that the cutting tool can be replaced at the right time, so that the work It has the effect of preventing serious problems in performance and product quality deterioration 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 the embodiments of the present invention have been described with reference to the above and accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects 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: 알람모듈100: cutting machine
200: sensor module
300: terminal module
400: embedded computer
410: data collection unit
420: data pre-processing unit
430: data learning unit
440: data analysis unit
450: monitoring unit
500: alarm module
Claims (7)
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 알람모듈;을 포함하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템.A cutting machine equipped with a cutting tool to perform cutting;
a sensor module installed in the cutting machine to measure a moving value of the cutting tool, a spindle torque value, and the like;
a terminal module connected to the sensor module and provided to perform input/output of measured data;
An embedded computer that receives the data measured from the sensor module and determines whether or not the cutting tool is worn by predicting machining defects according to the life of the cutting tool through an artificial intelligence analysis algorithm; and
An artificial intelligence-based cutting tool wear management system comprising an alarm module for generating an alarm when the embedded computer determines that the cutting tool is in a worn state.
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 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템.According to claim 1,
The embedded computer,
A data collection unit for collecting measurement data including a moving value of the cutting tool and a spindle torque value from the sensor module;
A data pre-processor for processing the measurement data into meaningful values for application to the artificial intelligence analysis algorithm;
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;
Artificial intelligence-based cutting tool wear management system, characterized in that it comprises a data analysis unit for determining whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm after completion of learning in the data learning unit.
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 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템.According to claim 1,
The embedded computer,
Artificial intelligence-based cutting tool wear management system comprising a monitoring unit that visually provides the measurement data collected from the sensor module through signal processing so that the user can check work progress information in real time.
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 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 시스템.According to claim 1,
The artificial intelligence analysis algorithm,
An artificial intelligence-based cutting tool wear management system characterized by an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that weights the learning errors of weak prediction models and sequentially reflects them to the next prediction model to create a strong prediction model.
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 포함하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법.In the artificial intelligence-based cutting tool wear management method performed by a computer,
Collecting measurement data including a cutting tool movement value, a spindle torque value, and the like from a sensor module in a data collection unit;
Processing the data into meaningful values for applying the measurement data collected by the data pre-processing unit to the artificial intelligence analysis algorithm;
learning a predictive model in order to predict machining defects according to the lifespan of a cutting tool by receiving processed data from the data pre-processing unit in a data learning unit;
After completing learning in the data learning unit in the data analysis unit, determining whether the cutting tool is normal or worn through an artificial intelligence analysis algorithm; and
An artificial intelligence-based cutting tool wear management method comprising: generating a warning alarm by an alarm module when it is determined that the wear of the cutting tool is determined in the step of determining whether the wear is present.
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 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법.According to claim 5,
Processing the data is
Receiving raw data measured in real time from the sensor module;
Primary processing of raw data to reduce meaningless values, omissions, and errors based on the raw data;
Artificial intelligence-based cutting tool wear management method comprising the step of classifying the primary processed data values through the primary processing step to identify characteristics and secondary processing to learn in a predictive model. .
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 하는 인공지능 기반 절삭공구 마모 관리 방법.According to claim 5,
The artificial intelligence analysis algorithm,
An artificial intelligence-based cutting tool wear management method characterized in that it is an XGBoost (eXtreme Gradient Boosting, XGB) algorithm that weights the learning errors of weak prediction models and sequentially reflects them to the next prediction model to create a strong prediction model.
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