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

结合GA-BP与集成学习的钻削过程刀具状态实时监测

马晶 白峥言 刘献礼 刘强 贾儒鸿 周强

马晶, 白峥言, 刘献礼, 刘强, 贾儒鸿, 周强. 结合GA-BP与集成学习的钻削过程刀具状态实时监测[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1678-1689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220122
引用本文: 马晶, 白峥言, 刘献礼, 刘强, 贾儒鸿, 周强. 结合GA-BP与集成学习的钻削过程刀具状态实时监测[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1678-1689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220122
MA Jing, BAI Zhengyan, LIU Xianli, LIU Qiang, JIA Ruhong, ZHOU Qiang. Real-time Monitoring of Tool States in Drilling Process Combined with GA-BP and Ensemble Learning[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1678-1689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220122
Citation: MA Jing, BAI Zhengyan, LIU Xianli, LIU Qiang, JIA Ruhong, ZHOU Qiang. Real-time Monitoring of Tool States in Drilling Process Combined with GA-BP and Ensemble Learning[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1678-1689. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220122

结合GA-BP与集成学习的钻削过程刀具状态实时监测

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220122
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2019YFB1704800

国家自然科学基金项目 52005141

国家自然科学基金项目 51805122

2020年度黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目 UNPYSCT-2020193

详细信息
    作者简介:

    马晶(1989-), 讲师, 硕士生导师, 博士, 研究方向为智能刀具, majing2211@163.com

  • 中图分类号: TG713+.1;TH16

Real-time Monitoring of Tool States in Drilling Process Combined with GA-BP and Ensemble Learning

  • 摘要: 为了能够有效识别钻削过程中刀具的磨损状态,为工厂实际加工过程提供刀具磨损的及时预警,开发了一种基于LabVIEW的钻削刀具磨损状态监测平台。平台可以实现实时采集振动信号并进行时域、频域和时频域的特征提取和数据保存。通过将遗传优化算法、BP神经网络与集成学习结合,构建了GA-BP-Adaboost模型,借助LabVIEW与MATLAB混合编程实现了模型搭建。最后,经过钻削实验分析实时信号及其多种特征对钻头刀具磨损状态的的表征情况,选择三层小波包分解的1、6、8频带作为模型的输入数据训练模型,经测试,模型的分类精度在90%以上。同时,平台的实时响应时间不超过3 s,可以满足实际加工过程的要求。
  • 图  1  钻头磨损程度

    Figure  1.  Wear degree of drill bit

    图  2  平台整体框架

    Figure  2.  Framework of the platform

    图  3  小波包分解结构

    Figure  3.  Wavelet packet decomposition structure

    图  4  平台前面板可视化效果

    Figure  4.  Visual effect of the front panel of the platform

    图  5  BP神经网络结构

    Figure  5.  Structure of BP neural network

    图  6  Adaboost算法流程

    Figure  6.  Adaboost algorithm procedures

    图  7  监测算法流程图

    Figure  7.  Flow chart of the monitoring algorithm

    图  8  钻削实验装置

    Figure  8.  Drilling experimental device

    图  9  刀具磨损情况

    Figure  9.  Tool wear condition

    图  10  钻头磨损曲线

    Figure  10.  Wear curve of drill bit

    图  11  原始振动信号

    Figure  11.  Original vibration signal holes

    图  12  振动信号时域特征

    Figure  12.  Time domain characteristics of vibration signals

    图  13  小波包分解能量图

    Figure  13.  Energy graph of wavelet packet decomposition

    图  14  模型分类结果

    Figure  14.  Classification results of the model

    图  15  BP神经网络分类结果

    Figure  15.  BP neural network classification results

    图  16  GA-BP分类结果

    Figure  16.  GA-BP classification results

    图  17  实时监测界面

    Figure  17.  Real time monitoring interface

    表  1  钻头的主要磨损形式

    Table  1.   Wear form of a drill bit

    磨损形式 具体类型 产生原因
    前刀面磨损 切削温度过高, 运动中的钻头将与其粘接的工件材料带走, 从而产生“月牙洼”
    正常磨损 后刀面磨损 后刀面与工件持续挤压与摩擦, 产生较大的压力, 引起后刀面磨损
    横刃磨损 横刃主要承担定心的作用, 受到的轴向力最大, 且回转半径较小, 切削时挤压严重, 容易造成磨损
    崩刃 切削刃上应力较集中且受机械振动及切屑的影响, 容易产生崩刃
    非正常磨损 剥落 切削不稳定或钻头承受交变接触应力, 易产生表层剥落
    折断 钻头材料有缺陷, 在恶劣条件下加工, 可能造成钻头折断
    下载: 导出CSV

    表  2  预实验切削参数

    Table  2.   Pre experimental cutting parameters

    编号 主轴转速/(r·min-1) 进给量/(mm·min-1) 钻孔深度/mm 机床负载/%
    1 270 15 12 30~40
    2 270 10 12 20~30
    3 270 15 18 30~50
    4 300 10 12 25~35
    5 300 15 12 30~60
    下载: 导出CSV

    表  3  标签划分标准

    Table  3.   Label classification standards

    刀具磨损值VB 刀具磨损状态 标签
    VB≤0.2 mm 初期磨损 [1, 0, 0]
    0.2 mm≤VB≤0.3 mm 正常磨损 [0, 1, 0]
    VB≥0.3 mm 急剧磨损 [0, 0, 1]
    下载: 导出CSV

    表  4  弱分类器累计误差和分类权重结果

    Table  4.   Cumulative error and classification weight results of the weak classifier

    序号 累计误差en 分类权重an
    1 0.350 0 0.309 5
    2 0.304 4 0.413 3
    3 0.307 9 0.405 1
    4 0.321 8 0.372 8
    5 0.332 4 0.348 6
    6 0.312 0 0.395 4
    7 0.308 7 0.403 2
    8 0.309 1 0.402 2
    9 0.302 1 0.418 7
    10 0.344 4 0.322 0
    下载: 导出CSV

    表  5  模型测试结果

    Table  5.   Model test results

    加工孔数 磨损状态 期望输出 实际输出
    2 初期磨损 [1, 0, 0] [0.872 3, 0.008 9, 0.045 3]
    7 初期磨损 [1, 0, 0] [0.694 5, 0.397 7, 0.001 5]
    15 正常磨损 [0, 1, 0] [0.006 2, 0.816 0, 0.117 8]
    24 正常磨损 [0, 1, 0] [-0.115 7, 1.215 9, 0.390 1]
    35 急剧磨损 [0, 0, 1] [0.005 4, 0.334 2, 0.641 9]
    38 急剧磨损 [0, 0, 1] [0.140 5, -0.064 2, 1.168 0]
    下载: 导出CSV
  • [1] 徐彦伟, 陈立海, 袁子皓, 等. 基于信息融合的刀具磨损状态智能识别[J]. 振动与冲击, 2017, 36(21): 257-264. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201721037.htm

    XU Y W, CHEN L H, YUAN Z H, et al. Intelligent recognition of tool wear conditions based on the information fusion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(21): 257-264. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201721037.htm
    [2] 郝碧君. 钻削刀具状态监测技术的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2019.

    HAO B J. Research on tool condition monitoring technology in drilling[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2019. (in Chinese)
    [3] 赵京鹤, 刘宏岩, 胡晶. 基于BP神经网络的超声振动钻削钻头磨损状态监测试验研究[J]. 机械设计与研究, 2020, 36(2): 83-86. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYY202002023.htm

    ZHAO J H, LIU H Y, HU J. Experimental study on wear monitoring of ultrasound vibration drilling bit based on BP neural network[J]. Machine Design & Research, 2020, 36(2): 83-86. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYY202002023.htm
    [4] 穆殿方, 刘献礼, 岳彩旭, 等. 深度学习与多信号融合在铣刀磨损状态识别中的研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(10): 1581-1589. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200209

    MU D F, LIU X L, YUE C X, et al. Study on wear state recognition of milling cutter via deep learning and multi-signal fusion[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(10): 1581-1589. (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200209
    [5] 张学忱, 刘红岩, 史尧臣, 等. 基于声发射信号的振动钻削刀具磨损状态监测试验研究[J]. 机床与液压, 2020, 48(13): 189-192. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JCYY202013045.htm

    ZHANG X C, LIU H Y, SHI Y C, et al. Experimental study on vibration drilling tool wear monitoring based on AE signal[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2020, 48(13): 189-192. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JCYY202013045.htm
    [6] WANG G F, YANG Y W, XIE Q L, et al. Force based tool wear monitoring system for milling process based on relevance vector machine[J]. Advances in Engineering Software, 2014, 71: 46-51. doi: 10.1016/j.advengsoft.2014.02.002
    [7] YU J S, LIANG S, TANG D Y, et al. A weighted hidden Markov model approach for continuous-state tool wear monitoring and tool life prediction[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 91(1-4): 201-211. doi: 10.1007/s00170-016-9711-0
    [8] 郝碧君, 陈妮, 李亮, 等. 基于小波包分析和LS-SVM的钻削刀具状态识别研究[J]. 工具技术, 2019, 53(12): 3-9. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS201912001.htm

    HAO B J, CHEN N, LI L, et al. Tool wear condition recognition in drilling based on wavelet packet analysis and LS-SVM[J]. Tool Engineering, 2019, 53(12): 3-9. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS201912001.htm
    [9] 樊红卫, 杨一晴, 马宏伟, 等. 一种转子振动故障诊断及预警的虚拟仪器系统开发与验证[J]. 机械设计与制造, 2019(6): 77-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYZ201906020.htm

    FAN H W, YANG Y Q, MA H W, et al. Development and validation of virtual instrument system for vibration fault diagnosis and warning of rotor[J]. Machinery Design & Manufacture, 2019(6): 77-79. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYZ201906020.htm
    [10] 杨一晴, 马宏伟, 樊红卫, 等. 煤矿旋转机械在线故障诊断及预警系统设计[J]. 工矿自动化, 2019, 45(10): 104-108. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201910020.htm

    YANG Y Q, MA H W, FAN H W, et al. Design of online fault diagnosis and early warning system for coal mine rotating machinery[J]. Industry and Mine Automation, 2019, 45(10): 104-108. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201910020.htm
    [11] 刘子安, 刘建春, 苏进发, 等. 刀具磨损感知数据驱动下的DBN预测模型研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(7): 1043-1050. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200178

    LIU Z A, LIU J C, SU J F, et al. Study on DBN prediction model driven by tool wear sensing data[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(7): 1043-1050. (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200178
    [12] 刘红岩. 多传感器融合振动钻削磨损状态监测研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2020.

    LIU H Y. Research on wear condition monitoring of multi-sensor fusion vibration drilling[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2020. (in Chinese)
    [13] 陈洪涛. 基于多参量信息融合的刀具磨损状态识别及预测技术研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013.

    CHEN H T. Study on tool wear monitoring and prediction technology based on multi-parameter information fusion[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013. (in Chinese)
    [14] 宗姝. 振动钻削钻头状态监测技术研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2019.

    ZONG S. Research on drill bit condition monitoring technology of vibration drilling[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2019. (in Chinese)
    [15] ZHAO D B, WANG K S, KRIMMEL O. Intelligent tool state detection system based on neural network[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronau, 2000(2): 169-175.
  • 加载中
图(17) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  50
  • HTML全文浏览量:  44
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-21
  • 刊出日期:  2023-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回