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공작기계의 절삭용 인서트의 잔여 유효 수명 예측 모형
Machine Learning Model for Predicting the Residual Useful Lifetime of the CNC Milling Insert 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.27 no.1, 2023년, pp.111 - 118  

최원근 (국립창원대학교 전기전자제어공학부) ,  김흥섭 (국립창원대학교 산업시스템공학과) ,  고봉진 (국립창원대학교 전기전자제어공학부)

초록
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스마트팩토리의 구축을 위해서는 제조환경에서 여러 센서 및 기기 등을 연결하여 데이터를 수집하고, 데이터 분석을 통해 생산설비 등의 장애를 진단하거나 예측하여야 한다. 본 논문에서는 공작기계에서 제품을 가공하기 위해 사용되는 절삭용 인서트잔여 유효 수명을 예측하기 위해 진동 신호를 기반으로 한 가중화 k-최근접이웃(Weighted k-NN) 알고리즘, 의사결정나무(Decision Tree), 서포트벡터회귀(SVM), XGBoost, 랜덤포레스트(Random forest), 1차원 합성곱신경망(1D-CNN), 그리고 진동 신호를 FFT한 주파수 스펙트럼에 대해 알아보았다. 연구결과, 주파수 스펙트럼으로는 잔여 유효수명의 정확한 예측에 대해서는 신빙성있는 기준을 제공하지 못한다는 것을 알수 있었고, 예측 모델 중 가중화 k-최근접이웃 알고리즘이 MAE가 0.0013, MSE가 0.004, RMSE가 0.0192로 가장 우수한 성능을 나타내었다. 이는 가중화 k-최근접이웃 알고리즘에 의해 예측되는 인서트의 잔여 유효 수명의 오차가 0.001초 수준으로 평가되어, 실제 산업현장에 적용이 가능한 수준으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For the implementation of a smart factory, it is necessary to collect data by connecting various sensors and devices in the manufacturing environment and to diagnose or predict failures in production facilities through data analysis. In this paper, to predict the residual useful lifetime of milling ...

주제어

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제안 방법

  • 데이터 전처리의 첫 번째 단계는 진동 신호의 수집 시간을 바탕으로 모형의 반응변수(Response variable)로 활용할 절삭용 인서트의 잔여 유효 수명을 지정하는 것이며, 총 수명 시간에서 사용 수명시간(Working lifetime)을 제외하는 변환을 수행하였다. 이때, 진동 신호가 수집되지 않은 결측치(Missing values)가 존재하는 인서트에 대해서는 결측치 구간을 고려하여 잔여 유효 수명을 변환하였다.
  • 즉, 하이퍼 파라미터 탐색에 있어 격자 탐색법은 안정성은 우수하지만, 탐색 격자를 세분화할수록 계산시간이 증가하는 특성이 있으며, 무작위탐색법은 계산시간 측면에서는 격자 탐색법보다 유리할 수 있으나 탐색 결과에 대한 신뢰성이 부족하다. 따라서 본 연구는 격자 탐색법을 통해 넓은 영역에서 최적 하이퍼 파라미터 조합이 위치할 수 있는 격자를 탐색(전역 탐색)하고, 해당 격자 내에서는 무작위탐색법을 이용하여 보다 세부적으로 최적 하이퍼 파라미터 탐색(지역 탐색)을 시도하였다. 각 모형을 위해 탐색된 하이퍼 파라미터들은 표 2와 같다.
  • 기계학습 모델링에서 각 모형의 하이퍼 파라미터는 모형의 성능에 상당한 영향을 미치는 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 각 모형을 위한 최적의 하이퍼 파라미터들의 조합을 효율적으로 탐색하기 위해 격자 탐색법(Grid search method)과 무작위 탐색법(Random search method)을 상호보완적으로 활용하였다. 즉, 하이퍼 파라미터 탐색에 있어 격자 탐색법은 안정성은 우수하지만, 탐색 격자를 세분화할수록 계산시간이 증가하는 특성이 있으며, 무작위탐색법은 계산시간 측면에서는 격자 탐색법보다 유리할 수 있으나 탐색 결과에 대한 신뢰성이 부족하다.
  • 본래의 특성치들은 상이한 수치적 크기를 갖으며, 이는 예측 모형이 상대적으로 큰 크기를 갖는 특성치들에 편향되게 학습되거나 학습 과정의 수렴성이 저하되는 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 최대-최소 정규화를 적용하여 모든 특성치들이 [0, 1] 범위에서 정의되도록 변환하였다.
  • 본 연구는 수집된 진동 신호를 바탕으로 실시간으로 인서트의 잔여 유효 수명 예측을 수행하기 위해 시간 영역에서의 통계적, 물리적 특성치들을 활용하였다. 통계적 특성치로는 진동신호의 절대 평균, 평균, 분산, 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis)가 고려되었으며, 물리적 특성치로는 진동 신호의 Peak-to-Peak, 제곱평균제곱근(RMS; Root Mean Square), Impulse factor(IF)와 Shape factor(SF)가 고려되었다.
  • 본 연구에서는 수집된 공작기계의 절삭용 인서트의 진동 신호 데이터를 이용하여 인서트의 잔여 유효 수명을 실시간으로 예측하기 위해 진동 데이터에 대한 시간 영역의 통계적, 물리적 특성치들을 이용하여 가중화 k-최근접이웃 알고리즘, 의사결정나무 모형, 서포트벡터회귀 등 6종을 모형에 대해 검토 하였다. 수집된 데이터를 바탕으로 한 후보 모형들에 대한 예측 성능 평가에서 가중화 k-최근접이웃 알고리즘이 평균절대오차는 0.
  • 데이터 전처리의 첫 번째 단계는 진동 신호의 수집 시간을 바탕으로 모형의 반응변수(Response variable)로 활용할 절삭용 인서트의 잔여 유효 수명을 지정하는 것이며, 총 수명 시간에서 사용 수명시간(Working lifetime)을 제외하는 변환을 수행하였다. 이때, 진동 신호가 수집되지 않은 결측치(Missing values)가 존재하는 인서트에 대해서는 결측치 구간을 고려하여 잔여 유효 수명을 변환하였다. 두 번째 단계에서는, 모형에서 설명변수(Explanatory variables)로 활용할 표 1에 제시된 특성치들에 대해 식 (1)과 같은 최대-최소 정규화(Min-Max normalization)를 수행하였다.

대상 데이터

  • 본 연구를 위해 그림 1의 현대 WIA SE2200L 공작기계에서 그림 2에서와 같은 모터하우징을 멀티툴로 가공하는 공정 중 인서트로 가공 시의 진동을 Digiducer사의 333D01 진동 센서를 사용하여 0.000125초단위로 X 축과 Y축의 진동 데이터를 수집하였다.

데이터처리

  • 본 연구는 수집된 진동 신호를 바탕으로 실시간으로 인서트의 잔여 유효 수명 예측을 수행하기 위해 시간 영역에서의 통계적, 물리적 특성치들을 활용하였다. 통계적 특성치로는 진동신호의 절대 평균, 평균, 분산, 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis)가 고려되었으며, 물리적 특성치로는 진동 신호의 Peak-to-Peak, 제곱평균제곱근(RMS; Root Mean Square), Impulse factor(IF)와 Shape factor(SF)가 고려되었다. 선행연구의 고찰을 통해 잔여 유효 수명을 예측하기 위한 후보 모형으로는 가중화 k-최근접이웃(Weighted k-NN; Weighted k-Nearest Neighbor) 알고리즘, 의사결정나무(Decision Tree) 모형, 서포트 벡터회귀, 앙상블 학습(Ensemble learning) 모형 중 XGBoost 모형, 랜덤포레스트 모형, 그리고 딥러닝 모형 중 1차원 합성곱신경망(1D-CNN; 1 Dimension Convolutional Neural Network) 모형으로 고려하였다.

이론/모형

  • 이때, 진동 신호가 수집되지 않은 결측치(Missing values)가 존재하는 인서트에 대해서는 결측치 구간을 고려하여 잔여 유효 수명을 변환하였다. 두 번째 단계에서는, 모형에서 설명변수(Explanatory variables)로 활용할 표 1에 제시된 특성치들에 대해 식 (1)과 같은 최대-최소 정규화(Min-Max normalization)를 수행하였다. 본래의 특성치들은 상이한 수치적 크기를 갖으며, 이는 예측 모형이 상대적으로 큰 크기를 갖는 특성치들에 편향되게 학습되거나 학습 과정의 수렴성이 저하되는 원인이 된다.
  • 본 연구에서는 표 1에 제시된 진동 신호의 통계적/물리적 특성치를 바탕으로 절삭용 인서트의 잔여 유효 수명을 예측하기 위한 후보 모형(총 6개)으로 가중화 k-최근접이웃 알고리즘, 의사결정나무 모형, 서포트벡터회귀, 앙상블 학습 모형 중 XGBoost 모형, 랜덤포레스트 모형, 그리고 딥러닝 모형 중 1차원 합성곱신경망 모형을 선정하였다.
  • 통계적 특성치로는 진동신호의 절대 평균, 평균, 분산, 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis)가 고려되었으며, 물리적 특성치로는 진동 신호의 Peak-to-Peak, 제곱평균제곱근(RMS; Root Mean Square), Impulse factor(IF)와 Shape factor(SF)가 고려되었다. 선행연구의 고찰을 통해 잔여 유효 수명을 예측하기 위한 후보 모형으로는 가중화 k-최근접이웃(Weighted k-NN; Weighted k-Nearest Neighbor) 알고리즘, 의사결정나무(Decision Tree) 모형, 서포트 벡터회귀, 앙상블 학습(Ensemble learning) 모형 중 XGBoost 모형, 랜덤포레스트 모형, 그리고 딥러닝 모형 중 1차원 합성곱신경망(1D-CNN; 1 Dimension Convolutional Neural Network) 모형으로 고려하였다.
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참고문헌 (26)

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