鈦合金銑削刀具狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、 引言

鈦合金具有彈性模量小、導(dǎo)熱性能差等特點(diǎn) [1] ，加工過(guò)程中刀具易發(fā)生嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致切削力與切削溫度急劇增加，對(duì)加工效率與加工質(zhì)量造成嚴(yán)重影響 [2] 。因此，實(shí)現(xiàn)鈦合金加工過(guò)程中刀具狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與刀具磨損的實(shí)時(shí)預(yù)警十分重要。在實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)床操作者需要通過(guò)耳聽(tīng)加工噪聲，手摸感受機(jī)床振動(dòng)等方法判斷加工過(guò)程是否異常。該過(guò)程缺乏基于理論的判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)床操作者加工經(jīng)驗(yàn)的依賴程度高，限制了加工質(zhì)量與加工效率的進(jìn)一步提高?；谏疃葘W(xué)習(xí)方法建立刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，可以有效實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)。

深度學(xué)習(xí)方法可以自動(dòng)化地提取更具表現(xiàn)力的特征 [3] ，在加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]引入了粒子群優(yōu)化算法，用來(lái)優(yōu)化了 BP 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，提升了數(shù)控機(jī)床刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型的性能；文獻(xiàn)[5]基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行銑刀磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比準(zhǔn)確性更高。文獻(xiàn)[6]提出一種刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法，該方法可以更好地適應(yīng)實(shí)際工業(yè)環(huán)境。文獻(xiàn)[7]利用主軸功率訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金鉆孔過(guò)程中刀具狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

這里將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于鈦合金銑削刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)中。設(shè)計(jì)并搭建了刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件；采集加工過(guò)程中的振動(dòng)與功率數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練與狀態(tài)監(jiān)測(cè)；基于深度置信網(wǎng)絡(luò)建立刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型的平均準(zhǔn)確率達(dá)到 97.85%，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法具有明顯性能優(yōu)勢(shì)。

2、 深度置信網(wǎng)絡(luò)

深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep Belief Network, DBN）是一種包含多個(gè)隱藏層的概率生成模型，是一種廣泛應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)算法 [8] 。此算法有效地避免了深度網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程模型陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題，相比于傳統(tǒng)的反向傳播網(wǎng)絡(luò)，在訓(xùn)練時(shí)間與準(zhǔn)確度上具有明顯優(yōu)勢(shì)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，深度置信網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)受限玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine ,RBM）疊加而成。

2.1 受限玻爾茲曼機(jī)

受限玻爾茲曼機(jī)是一種生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由一層可見(jiàn)神經(jīng)元和一層隱藏神經(jīng)元所構(gòu)成的無(wú)向圖模型 [9] ，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。RBM 由 n 個(gè)可見(jiàn)單元 v 和 m 個(gè)隱藏單元 h 構(gòu)成，其中 v 和 h 都是二進(jìn)制形式的變量。隱藏層與可見(jiàn)層神經(jīng)元之間有連接，隱藏層之間或可見(jiàn)層之間都沒(méi)有連接。受限玻爾茲曼機(jī)是一種基于能量函數(shù)的模型，對(duì)于一組(v,h)，表示其可見(jiàn)單元與隱藏單元間聯(lián)合概率分布的能量函數(shù)可定義為：

式中：θ= (x,b,c) —RBM 模型的參數(shù)；wj 和hj —可見(jiàn)神經(jīng)元與隱藏神經(jīng)元的二進(jìn)制狀態(tài)；bj 和cj—可見(jiàn)神經(jīng)元與隱藏神經(jīng)元的偏置；xjk—第 i 個(gè)可見(jiàn)神經(jīng)元與第 j 個(gè)隱藏神經(jīng)一組給定的(w,h)，其聯(lián)合概率分布表達(dá)式如公式(2)所示。用于觀測(cè)可見(jiàn)神經(jīng)元w的概率分布表達(dá)式如公式(3)所示。

式中： Z(θ)—?dú)w一化因子，是隱藏層與可見(jiàn)層所有神經(jīng)元能量函數(shù)之和。

RBM 層間無(wú)連接，層內(nèi)全連接的結(jié)構(gòu)使得各神經(jīng)元的激活狀態(tài)相互獨(dú)立。隱藏層神經(jīng)元的激活概率可表示為：

同理，可見(jiàn)層神經(jīng)元的激活概率可表示為：

式中：σ—激活函數(shù)。

針對(duì)一個(gè)給定的樣本集Sus= {w 1 ,w 2 ,…,w N }，RBM 的訓(xùn)練過(guò)程如下：首先將樣本輸入 RBM 可見(jiàn)層，得到隱藏層各單元的狀態(tài)信息，再通過(guò)隱藏層狀態(tài)反向求出可見(jiàn)層的概率分布，并計(jì)算改分布與樣本數(shù)據(jù)的誤差。通過(guò)最大化 RBM 在訓(xùn)練樣本上的對(duì)數(shù)似然函數(shù)Lt (θ)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ的優(yōu)化，盡可能地縮小重構(gòu)誤差。

2.2 深度置信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

深度置信網(wǎng)絡(luò)由多個(gè) RBM 與頂層的判別算法堆疊而成，如圖 2 所示。DBN 的訓(xùn)練包括兩個(gè)步驟：無(wú)監(jiān)督貪婪逐層訓(xùn)練和有監(jiān)督的微調(diào)，具體描述如下：首先以訓(xùn)練集數(shù)據(jù)為輸入向量完成第一層 RBM 的訓(xùn)練；隨后固定第一層 RBM 的偏置與權(quán)重，將第一層 RBM 隱藏層神經(jīng)元的狀態(tài)作為輸入向量輸入第二層 RBM，完成第二次 RBM 的訓(xùn)練，以此類推直到隱層數(shù)量達(dá)到網(wǎng)絡(luò)要求。各層 RBM 訓(xùn)練完成后，將其堆疊起來(lái)構(gòu)成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在網(wǎng)絡(luò)最后一層增加判別層，利用有標(biāo)簽的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn) DBN 的微調(diào)。

3 、數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

為了獲取刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)，搭建了加工狀態(tài)信息采集平臺(tái)軟硬件系統(tǒng)。

刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)包括一個(gè)加速度傳感器、一個(gè)功率傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、機(jī)箱和工控機(jī)。

基于 Labview 開(kāi)發(fā)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)配置；加工狀態(tài)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)；加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型離線學(xué)習(xí)以及加工狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。

3.2 加工數(shù)據(jù)采集

利用立式加工中心切削 TA2 鈦合金工件，工件尺寸為200 × 100 × 10，切削液為乳化液。采樣頻率設(shè)置為 5kHz，原始數(shù)據(jù)為4 × 5000n的數(shù)組，其中n為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，單位為秒（s）；前三行信息分別是加速度傳感器得到的 x，y，z 三個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，第四行為功率數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：以 7 分鐘為周期進(jìn)行連續(xù)切削，每個(gè)周期結(jié)束后停止加工，卸下刀具并測(cè)量其磨損量，若磨損量超過(guò)磨損標(biāo)準(zhǔn)則停止加工，否則進(jìn)行下一周期加工。根據(jù)刀具磨損是否超過(guò)磨損標(biāo)準(zhǔn)將加工狀態(tài)數(shù)據(jù)分為正常、磨損兩類。數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)流程如圖 4 所示。

設(shè)計(jì) 7 組加工狀態(tài)采集實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)各不相同，具體加工參數(shù)如表 1 所示。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理方式評(píng)估

為了對(duì)比不同數(shù)據(jù)處理方式對(duì)于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，這里采用時(shí)域數(shù)據(jù)直接訓(xùn)練、頻域特征提取、人工特征提取三種方式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練與驗(yàn)證，通過(guò)準(zhǔn)確率以及訓(xùn)練時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。以 A 組加工狀態(tài)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練結(jié)果如表 2所示：

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)三種數(shù)據(jù)預(yù)處理方式的準(zhǔn)確率相差不大，證明了深度學(xué)習(xí)方法具備特征自適應(yīng)提取的功能。利用人工提取數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練總耗時(shí)最短，但是預(yù)處理消耗時(shí)間較長(zhǎng)，很難保證加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。此外，人工提取特征需要設(shè)計(jì)額外的特征提取模塊，不能滿足實(shí)際應(yīng)用中“端到端”的需求。綜合考慮以上因素，選擇時(shí)域數(shù)據(jù)直接訓(xùn)練作為數(shù)據(jù)預(yù)處理方案，利用 DBN 對(duì)加工狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)特征提取，充分發(fā)揮 DBN 的特征提取優(yōu)勢(shì)。

4、 深度置信網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測(cè)試

4.1 深度置信網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練

算例模型的構(gòu)建、訓(xùn)練、驗(yàn)證均在 PyTorch 環(huán)境下進(jìn)行，并利用同一臺(tái)電腦進(jìn)行計(jì)算，模型訓(xùn)練使用 CPU，其型號(hào)為Intel(R) Core(TM) i5-9300H CPU @ 2.40GHz/8.0GB RAM。

對(duì)模型進(jìn)行迭代訓(xùn)練。模型學(xué)習(xí)率設(shè)置為 1e-5，優(yōu)化器選擇 ADAM，每層 RBM 無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練輪次設(shè)置為 100，DBN整體有監(jiān)督微調(diào)輪次設(shè)置為 200。

4.2 刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型訓(xùn)練結(jié)果

利用DBN模型分別對(duì)7種不同參數(shù)下的加工狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，每組數(shù)據(jù)包含 2000 個(gè)樣本。對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。通過(guò)對(duì)結(jié)果分析可知，基于 DBN的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型在7組數(shù)據(jù)上均取得了很好的預(yù)測(cè)精度。

將前文提出的模型與傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表 4 所示?？梢钥闯?，基于 DBN 的加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率上相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法具有較大優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明這里提出的加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型在特征提取、加工狀態(tài)預(yù)測(cè)等方面具有較好的性能。

4.3 深度置信網(wǎng)絡(luò)模型特征可視化

為了直觀地體現(xiàn) DBN 模型的特征提取過(guò)程，采用 TSNE降維方法 [10] 將 DBN 模型各層特征降維至 2 維，繪制散點(diǎn)圖，如圖 5 所示。從圖中可以看出不同標(biāo)簽數(shù)據(jù)的特征分布隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加而逐漸分離，證明了本方法在數(shù)據(jù)特征提取、加工狀態(tài)預(yù)測(cè)方面的有效性。

5 、結(jié)論

以鈦合金銑削加工為背景，提出了基于深度學(xué)習(xí)的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型的平均準(zhǔn)確率達(dá)到 97.85%，相較于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。這里提出的方法可以有效降低實(shí)際加工過(guò)程中對(duì)工人經(jīng)驗(yàn)的依賴，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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