留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

随机森林算法的立铣刀磨损状态评估

李凡 谢峰 李楠

李凡, 谢峰, 李楠. 随机森林算法的立铣刀磨损状态评估[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(3): 419-424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135
引用本文: 李凡, 谢峰, 李楠. 随机森林算法的立铣刀磨损状态评估[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(3): 419-424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135
Li Fan, Xie Feng, Li Nan. Evaluation of Wear Condition in End Milling Cutter with Random Forest Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(3): 419-424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135
Citation: Li Fan, Xie Feng, Li Nan. Evaluation of Wear Condition in End Milling Cutter with Random Forest Algorithm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(3): 419-424. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135

随机森林算法的立铣刀磨损状态评估

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190135
基金项目: 

安徽省科技攻关项目 1301022079

详细信息
    作者简介:

    李凡(1996-), 硕士研究生, 研究方向为数控机床在线故障诊断, 771598865@qq.com

    通讯作者:

    谢峰, 教授, 硕士生导师, jeexf199@163.com

  • 中图分类号: TG501.3

Evaluation of Wear Condition in End Milling Cutter with Random Forest Algorithm

  • 摘要: 制造业自动化水平的提高对数控机床的自我诊断能力提出了新的要求,而人工智能的发展为此开辟了新的解决方案。为了更高效、全面地对刀具磨损状态进行评估,通过采集立铣刀切削时的力和加速度信号,并对其时域、频域与小波能量特征的信号的特征值进行提取,建立了一种基于随机森林算法(Random forest)的刀具磨损状态评估模型。实验数据的对比验证中,随机森林模型对107组测试样本的刀具磨损状态评估准确率达到99.1%,且其建立模型的时间少于1 s。结果表明,随机森林算法具有高效与高准确度的特点,能为刀具磨损状态的在线监测系统的建立奠定基础。
  • 图  1  三层小波包分解图

    图  2  决策树的基本结构图

    图  3  Bagging算法流程图

    图  4  高速铣削机床实物图

    图  5  信号采集系统示意图

    图  6  RF与SVM算法评估结果对比图

    表  1  特征值提取参照表

    时域 频域
    方差、均值、绝对平均值、
    方根幅值、均方根值、
    歪度、峭度、波形指标、
    脉冲指标、裕度指标
    功率谱重心、
    均方频率、
    功率谱方差
    下载: 导出CSV

    表  2  加工参数表

    参数名称 数值
    主轴转速 10 400 r/min
    进给速率 1 555 mm/min
    Y向铣削宽度 0.125 mm
    Z向铣削深度 0.2 mm
    采样频率 50 kHz
    下载: 导出CSV

    表  3  信号采集设备型号

    设备类型 设备型号
    机床 Roders Tech RFM760
    测力仪 Kistler 9265B三向测力仪
    振动传感器 Kistler 8636C振动传感器
    铣削材料 不锈钢HRC52
    刀具 球头硬质合金立铣刀
    采集卡 NI DAQ PCI 1200采集卡
    磨损测量器 LEICA MZ12显微镜
    下载: 导出CSV

    表  4  样本的训练集与测试集划分表

    磨损状态 样本数 类别 抽取组数
    初期磨损
    (1~18)
    18 训练集
    测试集
    12
    6
    正常磨损
    (19~126)
    188 训练集
    测试集
    124
    64
    急剧磨损
    (127~315)
    109 训练集
    测试集
    72
    37
    下载: 导出CSV

    表  5  随机森林模型对测试集样本的状态评估结果

    磨损状态 测试集
    样本数
    评估准确
    样本数
    分类准
    确率/%
    训练
    时间/s
    初期磨损 6 6 100 0.991
    正常磨损 64 64 100 0.991
    急剧磨损 37 36 97.3 0.991
    总计 107 106 99.07 0.991
    下载: 导出CSV
  • [1] Gómez M P, Hey A M, Ruzzante J E, et al. Tool wear evaluation in drilling by acoustic emission[J]. Physics Procedia, 2010, 3(1):819-825 doi: 10.1016/j.phpro.2010.01.105
    [2] 柳洋, 陈永洁, 杨文恺, 等.刀具磨损在线监测研究现状与发展[J].机床与液压, 2014, 42(19):174-180 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2014.19.046

    Liu Y, Chen Y J, Yang W K, et al. Recent development and study of online monitoring of tool-wear[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2014, 42(19):174-180(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2014.19.046
    [3] Kuljanic E, Sortino M. TWEM, a method based on cutting forces-monitoring tool wear in face milling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 45(1):29-34 doi: 10.1016/j.ijmachtools.2004.06.016
    [4] 孙巍伟, 黄民, 高延.基于EMD-HMM的机床刀具磨损故障诊断[J].机床与液压, 2017, 45(13):178-181 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.13.041

    Sun W W, Huang M, Gao Y. CNC tools wearing fault diagnosis based on EMD-HMM[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2017, 45(13):178-181(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.13.041
    [5] 张栋梁, 莫蓉, 孙惠斌, 等.基于混沌时序分析方法与支持向量机的刀具磨损状态识别[J].计算机集成制造系统, 2015, 21(8):2138-2146 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjjczzxt201508020

    Zhang D L, Mo R, Sun H B, et al. Tool wear state recognition based on chaotic time series analysis and support vector machine[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2015, 21(8):2138-2146(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjjczzxt201508020
    [6] Zhang C Zhang H Y. Modelling and prediction of tool wear using LS-SVM in milling operation[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2016, 29(1):76-91 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=10.1080/0951192X.2014.1003408
    [7] García-Nieto P J, García-Gonzalo E, Vilán J A V, et al. A new predictive model based on the PSO-optimized support vector machine approach for predicting the milling tool wear from milling runs experimental data[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 86(1-4):769-780 doi: 10.1007/s00170-015-8148-1
    [8] 何栋磊, 黄民.基于遗传算法优化HMM的刀具磨损状态监测研究[J].机床与液压, 2017, 45(15):106-108, 117 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.15.027

    He D L, Huang M. Research on tool wear state monitoring based on optimized HMM by genetic algorithm[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2017, 45(15):106-108, 117(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2017.15.027
    [9] Alam M S, Aramesh M, Veldhuis S. A neuro-fuzzy approach based tool condition monitoring in AISI H13 milling[J]. Industrial & Manufacturing Engineering, 2018:2018070447 http://cn.bing.com/academic/profile?id=0044c50ac8a6e5bc86b5513843c38ce1&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [10] Wichmann M G, Gäde M, Spengler T. A fuzzy robustness measure for the scheduling of commissioned product development projects[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2019, 377:125-149 doi: 10.1016/j.fss.2019.02.015
    [11] 韩玉辉.基于粒子群优化SVM的刀具磨损量预测[J].工具技术, 2016, 50(11):109-112 doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2016.11.031

    Han Y H. Prediction of tool wear based on particle swarm optimization SVM[J]. Tool Engineering, 2016, 50(11):109-112(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7008.2016.11.031
    [12] 唐亮, 傅攀, 李敏.基于小波包和PSO优化神经网络的刀具状态监测[J].中国测试, 2016, 42(3):94-98 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgcsjs201603022

    Tang L, Fu P, Li M. Study on monitoring of cutting tool conditions with optimized BP neural networks based on wavelet packets and PSO algorithm[J]. China Measurement & Test, 2016, 42(3):94-98(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgcsjs201603022
    [13] Heydari M, Cheraaqee P, Mansouri A, et al. A low complexity wavelet-based blind image quality evaluator[J]. Signal Processing: Image Communication, 2019, 74:280-288 doi: 10.1016/j.image.2018.12.016
    [14] 刘涛, 曾祥利, 曾军.实用小波分析入门[M].北京:国防工业出版社, 2006:116-117

    Liu T, Zeng X L, Zeng J. Introduction to practical wavelet analysis[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2006:116-117(in Chinese)
    [15] 周志华.机器学习[M].北京:清华大学出版社, 2016:121-133

    Zhou Z H. Machine learning[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2016:121-133(in Chinese)
    [16] PHM Society. PHM data challenge[EB/OL].[2010-02-13]. https://www.phmsociety.org/competition/phm/10
  • 加载中
图(6) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  441
  • HTML全文浏览量:  140
  • PDF下载量:  42
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-20
  • 刊出日期:  2020-03-05

目录

    /

    返回文章
    返回