KR102550417B1 - Apparatus and method for notifying calibration alarms for cnc machine device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공작기계용 공구의 보정 시기를 자동 알람 해주는 공작기계용 공구의 보정 알람 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 보정 알람 장치는 CNC 제어부의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값과 생산 제품 수량에 관한 데이터를 수집하는 데이터 수집부와, 데이터 수집부를 통해 수집된 데이터를 AI 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 데이터 분석부와, 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서 공구 보정 시점을 검출하는 공구보정시점 검출부, 및 공구보정시점 검출부에서 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알리는 알림부를 포함한다. The present invention relates to a tool calibration alarm device and method for automatically alarming the calibration timing of a machine tool tool. A data collection unit that collects data about, a data analysis unit that learns the data collected through the data collection unit by an AI algorithm to derive an AI prediction value for predicting tool wear, and an AI prediction value derived through the data analysis unit , It includes a tool correction point detection unit that detects the tool correction time point while comparing it with data collected while applying to the actual process, and a notification unit that displays and informs the tool correction point detected by the tool correction point detection unit through a visual or audible method.
Description
본 발명은 공작기계용 공구의 보정 시기를 자동 알람 해주는 공작기계용 공구의 보정 알람 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tool calibration alarm device and method for automatically alarming the calibration timing of a tool for a machine tool.
일반적으로 공작기계를 이용하여 가공물을 가공할 때 가공물의 위치제어가 아무리 정밀하여도, 가공하는 공구(가공TIP)의 길이와 직경이 부정확하거나 가공 시 발생되는 열에 의해 변형이 되어 정확한 가공이 불가능하게 된다. 또한, 지속적으로 가공을 하다 보면 공구 자체가 마모되어 가공물의 외경이 실제 크기보다 커지게 되어 정밀도가 더욱 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 가공 전이나 가공 중, 또는 작업자의 요구에 따라 공구의 위치에 대한 오차를 보상해야 할 필요성이 있다. In general, when processing a workpiece using a machine tool, no matter how precise the position control of the workpiece is, the length and diameter of the tool (processing tip) to be processed are inaccurate or deformed by the heat generated during processing, making accurate processing impossible. do. In addition, as the machining continues, the tool itself wears out and the outer diameter of the workpiece becomes larger than the actual size, resulting in a further decrease in precision. Therefore, there is a need to compensate for an error in the position of a tool before or during processing or according to a request of an operator.
도 1은 종래 공작기계용 공구의 보정 프로세스를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a calibration process of a tool for a conventional machine tool.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 보정 프로세스에 따르면, 공작기계 장비로부터 가공설비 데이터(data)를 수집하지만 경험에 의거한 값으로 관리 및 제어하고 있다. 데이터는 이력만 조회하고 그에 따른 문제를 주관적으로 해석하여 문제를 해결하고 있다. As shown in FIG. 1, according to the conventional calibration process, processing equipment data is collected from machine tool equipment, but managed and controlled with values based on experience. The data only searches the history and solves the problem by subjectively interpreting the problem.
도 2는 종래 프로세스에 의해 동작한 결과 제품수량에 따른 가공물의 외경 및 공구의 마모량을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the outer diameter of a workpiece and the wear amount of a tool according to the product quantity as a result of operation by a conventional process.
왼쪽 그래프를 살펴보면, 생산 제품 수량에 따라 가공물의 외경이 변화하는 그래프이다. 즉, 생산 제품 수량이 증가할수록 가공물의 외경이 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 가공물의 외경이 점점 증가하다가 급격히 작아지는 구간 즉, A, B, C는 작업자들의 수작업에 의해 공구가 보정된 구간이다. 도시된 바와 같이 공구의 오차가 보정되면 가공물의 외경이 실제 크기로 줄어들지만 제품수량이 누적됨에 따라 가공물의 외경이 다시 증가하게 되는데, 한 번 보정한 이후에는 오히려 공구가 급속히 마모되어 그래프의 기울기가 점점 급경사로 변하는 것을 알 수 있다. Looking at the graph on the left, it is a graph in which the outer diameter of the workpiece changes according to the number of products produced. That is, it can be seen that the outer diameter of the workpiece gradually increases as the number of manufactured products increases. However, the sections where the outer diameter of the workpiece gradually increases and then rapidly decreases, that is, sections A, B, and C, are sections in which the tool is calibrated manually by workers. As shown, when the error of the tool is corrected, the outer diameter of the workpiece is reduced to the actual size, but as the number of products is accumulated, the outer diameter of the workpiece increases again. You can see that it gradually changes to a steep slope.
오른쪽 그래프는 누적 작업 수량에 따른 가공TIP(공구)의 마모량을 나타낸 그래프이다. 누적 작업 수량이 증가함에 따라 가공TIP(공구)의 마모량이 점점 커지는 것을 확인할 수 있다. The graph on the right shows the amount of wear of machining tips (tools) according to the cumulative number of jobs. It can be seen that the wear amount of the machining TIP (tool) gradually increases as the cumulative number of operations increases.
이처럼, 종래 기술은 생산 제품 수량이 증가함에 따라 공구의 마모량이 증가하는 특성을 이용하여 생산 제품 수량이 일정 수량에 도달하게 되면 작업자의 경험 또는 육안 확인을 통해 공구를 보정하게 된다. 이때, 생산 제품 수량이 일정 수량에 도달하는지 조차도 종래 CNC 자체에 알람 체계가 없어 작업자의 경험 또는 육안 확인을 통해 발견하였다. As such, in the prior art, when the quantity of produced products reaches a certain quantity by using the characteristic that the wear amount of tools increases as the quantity of manufactured goods increases, the tools are calibrated through the operator's experience or visual confirmation. At this time, even if the quantity of produced products reaches a certain quantity, it is found through the operator's experience or visual confirmation because there is no alarm system in the conventional CNC itself.
즉, 종래 보정 프로세스는 자동 시스템에 의한 관리 및 제어가 아니라, 관리자 및 현장 작업자의 순찰 활동 중 육안으로만 의지하여 제어하기 때문에 사람이 발견하지 못하면 설비는 장시간 공회전 부하에 노출되어 공구가 파손되고 설비의 유지보수 측면에서 막대한 손실을 줄 수 있다. In other words, the conventional calibration process is not managed and controlled by an automatic system, but is controlled only by relying on the naked eye during patrol activities by managers and field workers. It can cause huge losses in terms of maintenance.
따라서, 종래 기술은 경험에 의거한 셋팅 및 해석하는 것이 아닌, 보다 객관적이고 과학적인 의사 결정을 할 수 있도록 하는 프로세스가 요구되고 있다. Therefore, in the prior art, there is a need for a process that enables more objective and scientific decision-making, rather than setting and interpreting based on experience.
본 발명은 상기와 같은 필요성을 달성하기 위한 것으로서, 공작기계를 통한 가공 시 발생하는 스핀들 로드(load)와 생산제품수량을 이용하여 공구 마모량을 예측하고, 공작기계용 공구의 보정 시기를 알람으로 알려 현장 작업자에게 정확한 보정 시기를 알려주는 공작기계용 공구의 보정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention is to achieve the above needs, predicting the amount of tool wear using a spindle load and the quantity of products produced during processing through a machine tool, and notifying the correction time of the tool for the machine tool with an alarm. An object of the present invention is to provide a correction device and method for a tool for a machine tool that informs field workers of an accurate correction time.
특히, 본 발명은 생산 제품 수량에 따른 공작기계의 스핀들 부하를 AI 알고리즘으로 학습시켜 실제 공구 보정 시기의 패턴과 유사하게 예측할 수 있는 AI 모델링을 적용함으로써 품질문제 제로화(Zero)와 생산성 향상 극대화를 목적으로 하고 있다. In particular, the present invention is aimed at zeroing quality problems and maximizing productivity improvement by applying AI modeling that can be predicted similarly to the pattern of actual tool calibration by learning the spindle load of a machine tool according to the quantity of products produced by an AI algorithm is doing
이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 장치는, CNC 제어부의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값과 상기 CNC 제어부의 동작에 의해 가공 완료된 생산 제품 수량에 관한 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부를 통해 수집된 데이터를 AI 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 데이터 분석부; 상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서 공구 보정 시점을 검출하는 공구보정시점 검출부; 및 및 상기 공구보정시점 검출부에서 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알리는 알림부를 포함하고, 상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값은 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴과 유사하게 대응되어 나타나며, 상기 공구보정시점 검출부는, 상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하여 공구 보정 시점을 예측하고, 상기 도출된 AI 예측값과 상기 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴을 비교하면서 상기 도출된 AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 공구 보정시점을 검출할 수 있다.To this end, the calibration alarm device for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention collects data on the spindle load value generated by the operation of the CNC control unit and the quantity of products processed by the operation of the CNC control unit. collection department; a data analysis unit learning the data collected through the data collection unit by an AI algorithm to derive an AI prediction value for predicting tool wear; a tool correction point detector for detecting a tool correction point while comparing the predicted AI value derived through the data analysis unit with data collected while applying the data to an actual process; and a notification unit for displaying and notifying the tool correction time point detected by the tool correction point detection unit through a visual or audible method, wherein the AI prediction value derived through the data analysis unit is similar to a spindle load value pattern appearing in an actual process. The tool correction time point detection unit compares the AI prediction value derived through the data analysis unit with data collected while applying to the actual process to predict the tool correction time point, and the derived AI prediction value and the actual process While comparing patterns of spindle load values appearing in , it is possible to detect a tool correction point immediately before the point at which the derived AI predictive value rapidly decreases.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 방법은, 공작기계용 공구의 보정 알람 장치의 방법으로서,상기 장치의 데이터 수집부가, CNC 제어부의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값과 상기 CNC 제어부의 동작에 의해 가공 완료된 생산 제품 수량에 관한 데이터를 수집하는 단계; 상기 장치의 데이터 분석부가, 상기 데이터 수집 단계를 통해 수집된 데이터를 AI 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 단계; 상기 장치의 공구보정시점 검출부가, 상기 분석하는 단계를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서 공구 보정 시점을 검출하는 단계; 및 상기 장치의 알림부가, 상기 공구보정시점을 검출하는 단계를 통해 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알리는 단계;를 포함하고, 상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값은 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴과 유사하게 대응되어 나타나며, 상기 공구 보정 시점을 검출하는 단계는, 상기 분석하는 단계를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하여 공구 보정 시점을 예측하고, 상기 도출된 AI 예측값과 상기 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴을 비교하면서 상기 도출된 AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 공구 보정시점을 검출한다. Meanwhile, a correction alarm method for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention is a method for a correction alarm device for a tool for a machine tool, wherein the data collection unit of the device measures the spindle load value generated by the operation of the CNC control unit and Collecting data on the quantity of products processed by the operation of the CNC control unit; Deriving, by the data analysis unit of the device, an AI prediction value for predicting tool wear by learning the data collected through the data collection step by an AI algorithm; Detecting, by a tool correction point detection unit of the device, a tool correction point of time while comparing the AI prediction value derived through the analyzing step with data collected while applying it to an actual process; and notifying, by a notification unit of the device, the tool correction time point detected through the step of detecting the tool correction time point, expressed in a visual or auditory method, and the AI predicted value derived through the data analysis unit is actually It corresponds similarly to the pattern of the spindle load value appearing in the process, and the step of detecting the tool correction time point compares the AI prediction value derived through the analysis step with the data collected while applying it to the actual process to correct the tool. The time point is predicted, and the tool correction time point is detected immediately before the point at which the derived AI prediction value rapidly decreases while comparing the derived AI prediction value with the pattern of the spindle load value appearing in the actual process.
이러한 본 발명에 따르면, 공작기계용 공구에 대하여 AI 모델링을 통해 학습시킨 데이터를 참조하여 공구의 보정 시점을 예측하고 이를 자동 알람함으로써 현장 작업자에게 정확한 보정 시기를 알려주어 공구의 보정 시기를 놓치지 않도록 하는 효과가 있다. According to the present invention, the correction time of the tool is predicted by referring to the data learned through AI modeling for the tool for the machine tool and automatically alarmed to notify the field worker of the correct correction time so as not to miss the correction time of the tool It works.
특히, 본 발명은 작업자의 경험 또는 육안에 의해 관리하는 것이 아닌, 자동 시스템에 의해 의사 결정을 할 수 있도록 하고, 더욱이 공구의 실제 상태에 따라 달라질 수 있는 공구의 보정 시점을 실시간 모델링을 통해 예측 가능하므로, 기존보다 정확한 보정 시기를 알람할 수 있는 현저한 효과가 있다.In particular, the present invention allows decision-making to be made by an automatic system, not managed by the operator's experience or the naked eye, and moreover, the tool's correction point, which may vary depending on the actual state of the tool, can be predicted through real-time modeling. Therefore, there is a remarkable effect of alarming a more accurate correction time than before.
이로써, 본 발명은 공작기계의 공정 관리를 개선할 수 있으므로 생산성을 향상시킬 수 있고, 무엇보다 품질 문제를 제로(zero)화하여 정밀도를 극대화할 수 있다.As a result, the present invention can improve process management of machine tools, thereby improving productivity, and, above all, zeroing out quality problems to maximize precision.
도 1은 종래 공작기계용 공구의 보정 프로세서를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 프로세스에 의해 동작한 결과 제품수량에 따른 가공물의 외경 및 공구의 마모량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 상세도이다.
도 5는 도 3의 데이터 수집부에서 스핀들 속도와 부하를 수집하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 4의 데이터 정규화부에서 스핀들 속도와 부하를 정규화하여 가시화한 그래프이다.
도 7은 도 4의 AI 모델링부에서 RNN 기본 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4의 AI 모델링부에서 LSTM 기본 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 4의 AI 모델링부를 통해 학습된 예측값을 도식화한 그래프이다.
도 10은 실 공구부하 대 AI 예측값으로부터 검출되는 보정 시점을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a view showing a calibration processor of a tool for a conventional machine tool.
2 is a graph showing the outer diameter of a workpiece and the wear amount of a tool according to the product quantity as a result of operation by a conventional process.
3 is a diagram showing a calibration alarm device for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a detailed view of Figure 3;
FIG. 5 is a graph showing spindle speed and load collected by the data collection unit of FIG. 3 .
FIG. 6 is a graph visualized by normalizing the spindle speed and load in the data normalization unit of FIG. 4 .
7 is a diagram showing the RNN basic structure in the AI modeling unit of FIG. 4 .
8 is a diagram showing the LSTM basic structure in the AI modeling unit of FIG. 4.
9 is a graph illustrating predicted values learned through the AI modeling unit of FIG. 4 .
10 is a diagram showing a correction time point detected from an actual tool load versus an AI prediction value.
11 is a flowchart for explaining a calibration alarm method for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 상세도이다.3 is a view showing a correction alarm device for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a detailed view of FIG. 3 .
먼저 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 장치는 데이터 수집부(120), 데이터 분석부(130), 공구보정시점 검출부(140), 알림부(150)를 포함한다. First, referring to FIG. 3 , the correction alarm device for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention includes a
데이터 수집부(120)는 CNC 제어부(110)의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값(load)과, CNC 제어부(110)의 동작에 의해 가공 완료된 생산 제품 수량에 관한 데이터들을 수집한다. The
여기서 CNC 제어부(110)는 공작기계를 이용한 가공 공정에 있어 공작기계의 전반적인 동작을 관여하는 기능부를 의미한다. CNC 제어부(110)는 가공물을 안착시키기 위한 선반, 선반을 회전시키기 위한 스핀들(spindle)과 모터, 선반에 안착된 가공물을 가공하는 공구(가공 TIP) 등을 동작시키기 위한 제어를 말한다. Here, the
즉, 공작기계가 동작하게 되면 컴퓨터 수치제어(CNC; Computerized Numerical Control)에 의해 CNC 제어부(110)로부터 공작기계의 동작에 의해 발생되는 스핀들 부하, 가공 완료된 생산 제품 수량에 관한 데이터를 획득할 수 있다. That is, when the machine tool operates, data on the spindle load generated by the operation of the machine tool and the number of finished products can be obtained from the
데이터 분석부(130)는 데이터 수집부(120)를 통해 수집된 데이터를 분석하여 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출한다. The
특히, 본 발명의 실시예에 따른 데이터 분석부(130)는 AI(Artificial Intelligence) 알고리즘으로 스핀들 로드값과 생산 제품 수량에 관한 데이터를 학습시켜 이로부터 공구 마모량을 예측하는 것에 특징이 있다. 이를 위해 데이터 분석부(130)는 AI 알고리즘으로 학습시킨 모델링을 포함한다. 이의 구성에 대해서는 도 4에서 구체적으로 다시 설명한다. In particular, the
공구보정시점 검출부(140)는 데이터 분석부(130)를 통해 출력된 예측값에서 급격하게 감소하는 시점을 공구 보정 시점으로 검출한다. 이때, 공구보정시점 검출부(140)는 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와, 데이터 분석부(130)를 통해 출력된 예측값을 비교하면서 공구 보정 시점을 추출할 수 있다(도 10의 T 참조). The tool correction time
예컨대, 공구보정시점 검출부(140)는 데이터 분석부를 통해 출력된 예측값과 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서, AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 이와 동시에 스핀들 로드값이 급격하게 감소하는 시점을 공구 보정 시점으로 검출할 수 있다. For example, the tool correction
알림부(150)는 공구보정시점 검출부(140)에서 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알린다. 시각적 방법은 화면에 공구의 보정을 요청하는 안내 메시지를 표시하는 것으로, 공작기계의 화면 또는 별도의 화면에 표시하거나, 필요에 따라 작업자의 단말로 메시지를 전송하는 방식에 의해 표시하는 방법 또한 포함될 수 있다. 청각적 방법은 소리 재생 등으로 표출하는 방법을 포함한다. The
이러한 구성에 의해 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구 보정 알람 장치는 실제 공정에 대응하여 공구를 보정할 시기를 모델링을 통해 실시간 검출하여 작업자에게 정확한 보정 시기를 알려준다. 이후 작업자에 의해 또는 자동 시스템에 의해 공구 보정이 이루어지면 CNC 제어부(110)는 보정 데이터를 업데이트하여 동작하고, 데이터 수집부(130)는 보정 데이터에 기초하여 동작하는 데이터를 다시 수집하게 될 것이다.With this configuration, the tool calibration alarm device for a machine tool according to an embodiment of the present invention detects a tool calibration time in real time through modeling in response to an actual process, and informs the operator of an accurate calibration time. Then, when tool calibration is performed by a worker or by an automatic system, the
도 4는 도 3의 데이터 분석부(130)의 상세 도면이다. FIG. 4 is a detailed view of the
데이터 분석부(130)는 데이터 설계부(131), 데이터 정제부(132), AI 모델링부(133)를 포함한다. The
데이터 설계부(131)는 데이터 수집부에서 수집된 데이터에 대하여 정의하고 수집된 데이터를 분석하기에 용이하도록 조합, 통합, 또는 분리한다. The
데이터 설계부(131)는 먼저 명확한 원천 데이터의 정의를 해야 한다. 예를 들어, 스핀들 로드값(spindle load)은 공구를 회전시키는 설비의 발생 부하이며, 생산 제품 수량은 시간별 생산수량을 의미하며, 스핀들 스피드(spindle speed)는 공구를 회전시키는 설비의 분당 회전수로 정의할 수 있다.The
데이터 정제부(132)는 데이터 설계부(131)에서 정의된 데이터로부터 실제 가공이 이루어지는 실가공 구간만 축소 통합하여 정규화한다. The
원천 데이터를 그대로 사용할 경우 데이터의 구성이 일관되지 않아 분석을 진행하는데 효율적인 분석을 할 수 없게 된다. 따라서, 데이터 정제는 데이터 분석이 효율적으로 이루어질 수 있도록 정규화하는 과정이다. If the original data is used as it is, the composition of the data is inconsistent, making it impossible to perform efficient analysis in the analysis process. Therefore, data cleaning is a process of normalizing data so that data analysis can be performed efficiently.
정규화하는 과정으로는 하기의 3단계로 구분할 수 있다. The normalization process can be divided into the following three steps.
첫째, 데이터를 축소, 통합한다. 원천 데이터는 가공물과 공구가 맞닿아 실제 가공이 이루어지고 있는 데이터와, 가공물과 공구가 떨어져 가공과 무관한 작업들 예컨대, loading, unloading, cleaning 등이 함께 뒤섞여 있는 데이터 셋(set)이다. 여기서, 가공과 무관한 작업들간 데이터 셋은 과감히 버리고 실제 가공과 밀접한 데이터만을 축소한다.First, reduce and integrate data. The original data is a data set in which actual machining is performed when the workpiece and the tool come into contact with each other, and a data set in which operations unrelated to machining, such as loading, unloading, and cleaning, are mixed together. Here, data sets between tasks unrelated to machining are discarded and only data closely related to actual machining are reduced.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 도 5의 그래프는 실제 가공할 때의 스핀들 로드값(부하)과 스핀들 스피드(속도)를 수집한 데이터이다. 스핀들 로드값은 거의 변화가 없다가 Q원 안에서 소폭 상승하는 것이 보이는데, 이때 실제 가공물과 공구가 맞닿아 가공이 이루어지는 부분인 것이다. 스핀들 스피드의 데이터에 따르면 스핀들의 속도가 갑자기 줄어드는 시점이 가공이 시작되는 것이고 스핀들의 속도가 갑자기 증가하는 시점은 가공이 종료되는 시점이다. For example, referring to FIG. 5 , the graph of FIG. 5 is data obtained by collecting spindle load value (load) and spindle speed (speed) during actual machining. The spindle load value shows almost no change and then rises slightly within the Q circle. According to the data of spindle speed, machining starts when the spindle speed suddenly decreases, and machining ends when the spindle speed suddenly increases.
따라서, 정규화하는 과정의 첫 번째 과정에서, 실제 가공이 이루어지는 실가공 구간(P)만 축소하여 도 6의 (a)와 같이 통합, 정제할 수 있다.Therefore, in the first step of the normalization process, only the actual machining section (P) in which actual machining is performed can be reduced and integrated and refined as shown in FIG. 6 (a).
둘째, 축소 또는 통합된 데이터를 변환을 통화여 이상치 및 노이즈 데이터를 교정한다.Second, it corrects outliers and noise data by converting the reduced or integrated data.
이 과정에서는 z점수 정규화(Z-Score Normalization) 수학식을 이용하여 각각의 데이터를 정규화하고 평균에서 너무 멀리 떨어져 있는 데이터(예컨대, z≥3)는 제거하고, 노이즈같이 보이지만 중요하다고 생각하는 데이터는 교정을 통해 정규화한다. In this process, each data is normalized using the Z-Score Normalization formula, data that are too far from the mean (eg z≥3) are removed, and data that looks like noise but are considered important are removed. Normalize through calibration.
셋째, 효율적인 분석을 활용하기 위해 정규화된 각 데이터를 다시 한번 sliding window 기법을 적용해 변환한다. Sliding window 기법이란 시계열 데이터를 분석하고 학습하는 데 유용한 기법이다. Third, in order to utilize efficient analysis, each normalized data is transformed by applying the sliding window technique once again. The sliding window technique is a useful technique for analyzing and learning time series data.
전체집합 X={x1, x2, x3, …, xi}에 대하여 서로 다른 n 개의 원소로 이루어진 원소로 이루어진 부분집합 s={x1, x2, x3, …, xn}이라고 한다면, Sliding Window는 고정된 동일한 수만큼의 원소들로 구성되어 저장한다. 이때 저장되는 과정에서 메모리가 가득 찬 후 새롭게 도착하는 데이터가 존재하면, Window에서 가장 오래된 정보를 제거하고, 최신 원소를 추가하여 새로운 데이터 정보를 저장한다. Wholeset X={x1, x2, x3, … , xi}, the subset s={x1, x2, x3, ... , xn}, the sliding window is composed of the same fixed number of elements and stored. At this time, if there is newly arriving data after the memory is full during the saving process, the oldest information is removed from the window, and the new data information is saved by adding the latest element.
도 6은 도 4의 데이터 정규화부에서 스핀들 속도와 부하를 정규화하여 가시화한 그래프이다.FIG. 6 is a graph visualized by normalizing the spindle speed and load in the data normalization unit of FIG. 4 .
도 6의 (c)그래프를 살펴보면, 스핀들 로드값의 패턴이 시간이 흐름에 따라 소폭 증가하다가 임의의 시점에서 짧은 시간에 대폭 감소하고 다시 점차 소폭 증가하는 형태를 보이고 있고, 위 그래프를 다음 AI 모델링부(133)에서 인식할 수 있도록 학습화하였다. Looking at the graph (c) of FIG. 6, the pattern of the spindle load value slightly increases over time, then decreases significantly in a short time at an arbitrary point in time, and then gradually increases slightly again. It is learned so that it can be recognized in the
다시 도 4를 참조하면, AI 모델링부(133)는 데이터 정제부를 통해 정규화된 데이터를 AI모델링에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측한다. 이때, AI 모델링부(133)는 LSTM(Long Short-Term Memory)기법을 이용한 알고리즘을 이용하여 학습시킨다. Referring back to FIG. 4 , the
도 7은 AI 모델링의 RNN 기본 구조를 나타낸 도면이고, 도 8은 AI 모델링의 LSTM 기본 구조를 나타낸 도면이다. 7 is a diagram showing the RNN basic structure of AI modeling, and FIG. 8 is a diagram showing the LSTM basic structure of AI modeling.
LSTM은 RNN 기법 중 하나이지만 LSTM은 장기기억을 보존하는 능력을 가지고 있어 단기억 보존 능력을 가진 RNN 기법의 단점을 보완하고 있다. LSTM is one of the RNN techniques, but LSTM has the ability to preserve long-term memory, making up for the shortcomings of RNN techniques with short-term memory preservation ability.
일반적인 RNN 기법은 도 7에 도시된 바와 같이 학습하는 데 있어 순차적인 방식으로 input(x1, x2, …, xt)을 처리한다. 순차적인 방식이란 현재 단계(step)의 output(y1, y2, …, yt)을 계산할 때 이전 단계의 정보를 받는다는 것을 의미한다. 이 방식은, 체인처럼 연결되어 현재 단계의 input이 다음 단계에 걸쳐서도 자신의 정보를 전달한다. 그런데, 학습하는 데 있어, RNN 기법은 Gradient Vanishing(0으로 수렴) 문제와 Gradient Exploding(발산)하는 문제가 있기 때문에, 도 8과 같이 시간이 흘러감에 따라 오래된 데이터는 잊고 최신 데이터를 기억하는 메커니즘을 도입하게 되었다.A typical RNN technique processes inputs (x1, x2, ..., xt) in a sequential manner in learning as shown in FIG. The sequential method means that the information of the previous step is received when calculating the output (y1, y2, ..., yt) of the current step. In this way, it is connected like a chain so that the input of the current stage carries its own information throughout the next stage. However, in learning, since the RNN technique has a gradient vanishing (convergence to 0) problem and a gradient exploding problem, a mechanism to forget old data and remember the latest data as time passes, as shown in FIG. has been introduced
본 발명의 실시예에서는 LSTM 기법을 그대로 이용하지 않고 활성함수를 변경하여 적용하였다. 즉, 기본 LSTM에 사용된 sigmoid 함수를 사용하지 않고 Relu함수를 사용하였는데, 이는 sigmoid의 최대 단점인 중앙값이 0이 아니며, Gradient Vanishing 문제를 보완하기 위함이다. 중앙값이 0이 아니면 학습하는데 오래 걸릴 뿐 아니라, input 데이터에 의해 부호가 결정되어 학습데이터가 지그재그같이 발산하는 형태로 학습하기 때문에 비효율적이다.In the embodiment of the present invention, the activation function was changed and applied without using the LSTM technique as it is. That is, the Relu function was used instead of the sigmoid function used in the basic LSTM. If the median value is not 0, not only does it take a long time to learn, but it is inefficient because the learning data diverges like a zigzag because the sign is determined by the input data.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 Relu함수 기반 LSTM 모델은 하기와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.Therefore, the LSTM model based on the Relu function according to an embodiment of the present invention can be expressed by the following formula.
위 수식은 하기와 같이 풀이할 수 있다.The above formula can be solved as follows.
이때, ct및 ht는 아래 식으로 구할 수 있다.At this time, ct and ht can be obtained by the following formula.
따라서, 위 LSTM 모델을 적용하여 학습 데이터로 공구 보정 관리의 패턴을 예측하고 테스트(test) 데이터로 검증해 본다. Therefore, by applying the above LSTM model, the pattern of tool compensation management is predicted with learning data and verified with test data.
본 발명의 실시예에 따른 AI 모델링부(133)는, LSTM 모델의 노드수를 8개로 정의하고 주어진 데이터를 학습 셋 대 테스트 셋을 8:2 비율로 나누어 500번의 학습을 진행하였다(아래표 참조). The
도 9는 도 4의 AI 모델링부를 통해 학습된 예측값을 도식화한 그래프이다.9 is a graph illustrating predicted values learned through the AI modeling unit of FIG. 4 .
파란색 그래프는 AI 모델링부(133)의 학습을 통해 도출된 예측값이고, 주황색 그래프는 공구보정 테스트 셋을 나타낸 값이다. 두 그래프의 패턴은 실제로 유사함을 보이며 AI 알고리즘의 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다. 즉, AI 모델링부(133)의 학습을 통해 도출된 AI 예측값은 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴과 유사하게 대응되어 나타난다.The blue graph is a predicted value derived through learning by the
도 10은 실 공구부하 대 AI 예측값으로부터 추출되는 보정 시점을 나타낸 도면이다. 10 is a diagram showing a correction time point extracted from actual tool load versus AI prediction value.
즉, 도 10은 AI 모델링을 통한 알고리즘을 실제 공정에 적용하면서 추가로 수집한 CNC 스핀들 로드값 데이터와 대조한 그래프이다. 오렌지색 그래프는 실 데이터를, 파란색 데이터는 AI 모델링을 통해 도출된 AI 예측값이다. 두 그래프는 위 아래로 요동치듯 움직이고 있지만, AI 예측값(파란색)이 실 데이터(주황색)의 패턴과 유사하게 대응되는 것을 알 수 있다. 즉, 실 데이터의 패턴을 잘 따라가고 있는 것을 확인할 수 있다.That is, FIG. 10 is a graph contrasted with CNC spindle load value data additionally collected while applying an algorithm through AI modeling to an actual process. The orange graph is the actual data, and the blue data is the AI prediction value derived through AI modeling. Although the two graphs fluctuate up and down, it can be seen that the AI predicted value (blue) corresponds similarly to the pattern of the actual data (orange). That is, it can be confirmed that the pattern of the real data is well followed.
도 10에서 표기된 T는 AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점으로 공구 보정 시점이 된다. 공구 보정 시점은 앞서 설명한 공구보정시점 검출부(도 3의 140)를 통해 검출되고, 알림부(도 3의 150)에서 이를 알리기 위한 알람이 출력된다. T indicated in FIG. 10 is a time point at which the predicted AI value rapidly decreases, and becomes a tool correction time point. The tool correction time point is detected through the tool correction time point detection unit (140 in FIG. 3) described above, and an alarm for notifying this is output from the notification unit (150 in FIG. 3).
이처럼, 실제 공정시 발생하는 스핀들 로드값이 도 10에서와 같이 위 아래로 요동치듯 불규칙하게 나타나기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 스핀들 로드값의 패턴을 찾기 위해 AI 모델을 적용하였고, 이의 학습을 통해 도출된 AI 예측값과 스핀들 로드값의 패턴을 비교하여, 도출된 AI예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 공구 보정 시점을 찾게 되었다. As such, since the spindle load value generated during the actual process appears irregularly as if it fluctuates up and down as shown in FIG. 10, the embodiment of the present invention applied the AI model to find the pattern of the spindle load value, By comparing the pattern of the derived AI predicted value and the spindle load value, the tool correction point was found just before the point at which the derived AI predicted value rapidly decreased.
다음으로, 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공작기계용 공구의 보정 알람 방법을 설명한다.Next, with reference to FIG. 11, a correction alarm method for a tool for a machine tool according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저 데이터 수집 단계(S100)에서, 본 발명의 실시예에 따른 장치의 데이터 수집부가, CNC 제어부의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값과 생산 제품 수량에 관한 데이터를 수집한다. First, in the data collection step (S100), the data collection unit of the device according to the embodiment of the present invention collects data on the spindle load value and the quantity of products generated by the operation of the CNC control unit.
다음 데이터 분석 단계에서, 장치의 데이터 분석부가, 데이터 수집 단계를 통해 수집된 데이터를 분석하고 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측한다.In the next data analysis step, the data analysis unit of the device analyzes the data collected through the data collection step and predicts the tool wear amount by learning by an algorithm.
이의 데이터 분석 단계는 구체적으로 데이터 설계 단계(S110), 데이터 정제 단계(S120), AI 모델링 단계(S130)를 포함한다. This data analysis step specifically includes a data design step (S110), a data refinement step (S120), and an AI modeling step (S130).
구체적으로 데이터 설계 단계(S110)에서, 장치의 데이터 설계부가, 상기 데이터를 수집하는 단계(S100)에서 수집된 데이터에 대하여 정의하고 수집된 데이터를 분석하기에 용이하게 조합, 통합, 또는 분리한다. Specifically, in the data design step (S110), the data design unit of the device defines the data collected in the data collection step (S100) and combines, integrates, or separates the collected data to facilitate analysis.
다음 데이터 정제 단계(S120)로서, 장치의 데이터 정제부가 데이터 설계 단계(S110)에서 정의된 데이터로부터 실제 가공이 이루어지는 실가공 구간만 축소 통합하여 정규화한다. 정규화하는 과정은 앞서 설명한 3가지 동작을 적용할 수 있다. As the next data refinement step (S120), the data refinement unit of the device normalizes by reducing and integrating only the actual processing section in which actual processing is performed from the data defined in the data design step (S110). The normalization process can apply the three operations described above.
다음 AI 모델링 단계(S130)에서, 장치의 AI 모델링부가, 데이터 정제 단계(S120)를 통해 정규화된 데이터를 AI모델링에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측한다. In the next AI modeling step (S130), the AI modeling unit of the device learns the data normalized through the data refinement step (S120) by AI modeling to predict the amount of tool wear.
다음 공구보정시점 검출 단계(S140)에서, 장치의 공구보정시점 검출부가, AI 모델링 단계(S130)를 통해 도출된 예측값에서 급격하게 감소하는 시점을 공구 보정 시점으로 검출한다. In the next tool correction point detection step ( S140 ), the tool correction point detection unit of the device detects a point in time when the predicted value derived through the AI modeling step ( S130 ) rapidly decreases as the tool correction point in time.
검출 시, 장치의 공구보정시점 검출부는 AI 모델링 단계(S130)를 통해 도출된 예측값과 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터를 비교하면서, 예측값이 급격하게 감소하는 시점이면서 이와 동시에 스핀들 로드값이 급격하게 감소하는 시점을 공구보정시점으로 검출한다. At the time of detection, the tool calibration point detection unit of the device compares the predicted value derived through the AI modeling step (S130) with the data collected while applying it to the actual process, and at the same time, the predicted value rapidly decreases, and at the same time, the spindle load value rapidly increases. The point of decrease is detected as the tool compensation point.
다음 알람 단계(S150)에서, 장치의 알림부가, 공구보정시점 검출 단계(S140)를 통해 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알린다.In the next alarm step (S150), the notification unit of the device displays and informs the tool correction time point detected through the tool correction point detection step (S140) through a visual or auditory method.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be construed by the claims below, and various equivalents and modifications that can replace them at the time of this application should be construed as being included in the scope of the present invention.
120: 데이터 수집부 130: 데이터 분석부
131: 데이터 설계부 132: 데이터 정제부
133: AI 모델링부 140: 공구보정시점 검출부
150: 알림부120: data collection unit 130: data analysis unit
131: data design unit 132: data refinement unit
133: AI modeling unit 140: tool correction point detection unit
150: notification unit
Claims (8)
상기 데이터 수집부를 통해 수집된 데이터를 AI 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 데이터 분석부;
상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서 공구 보정 시점을 검출하는 공구보정시점 검출부; 및
상기 공구보정시점 검출부에서 검출된 공구 보정시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알리는 알림부;를 포함하고,
상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값은 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴과 유사하게 대응되어 나타나며,
상기 공구보정시점 검출부는,
상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하여 공구 보정 시점을 예측하고, 상기 도출된 AI 예측값과 상기 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴을 비교하면서 상기 도출된 AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 공구 보정시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구의 보정 알람 장치. a data collection unit that collects data on a spindle load value generated by the operation of the CNC control unit and the quantity of products processed by the operation of the CNC control unit;
a data analysis unit learning the data collected through the data collection unit by an AI algorithm to derive an AI prediction value for predicting tool wear;
a tool correction point detector for detecting a tool correction point while comparing the predicted AI value derived through the data analysis unit with data collected while applying the data to an actual process; and
Including; a notification unit for displaying and notifying the tool correction point detected by the tool correction point detection unit in a visual or auditory manner,
The AI prediction value derived through the data analysis unit appears in correspondence with the pattern of the spindle load value appearing in the actual process,
The tool correction point detection unit,
The tool correction time is predicted by comparing the AI prediction value derived through the data analysis unit with data collected while applying it to the actual process, and the derived AI prediction value is compared with the pattern of the spindle load value appearing in the actual process. A correction alarm device for a tool for a machine tool, characterized in that for detecting the tool correction point just before the point at which the predicted AI value rapidly decreases.
상기 데이터 분석부는,
상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터에 대하여 정의하고 상기 수집된 데이터를 분석하기에 용이하도록 조합, 통합, 또는 분리하는 데이터 설계부;
상기 데이터 설계부에서 정의된 데이터로부터 실제 가공이 이루어지는 실가공 구간만 축소 통합하여 정규화하는 데이터 정제부;
상기 데이터 정제부를 통해 정규화된 데이터를 AI모델링을 통해 학습하여 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 AI 모델링부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구의 보정 알람 장치.According to claim 1,
The data analysis unit,
a data design unit that defines the data collected by the data collection unit and combines, integrates, or separates the collected data to facilitate analysis;
a data refinement unit for normalizing by reducing and integrating only the actual processing section in which actual processing is performed from the data defined in the data design unit;
an AI modeling unit learning the data normalized through the data refinement unit through AI modeling to derive an AI prediction value for predicting tool wear;
Calibration alarm device for a tool for a machine tool comprising a.
상기 AI 모델링부는,
LSTM(Long Short-Term Memory)기법을 이용한 알고리즘을 이용하여 학습시킨 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구의 보정 알람 장치. According to claim 4,
The AI modeling unit,
A calibration alarm device for a tool for a machine tool, characterized in that it is learned using an algorithm using a long short-term memory (LSTM) technique.
상기 장치의 데이터 수집부가, CNC 제어부의 동작에 의해 발생되는 스핀들 로드값과 상기 CNC 제어부의 동작에 의해 가공 완료된 생산 제품 수량에 관한 데이터를 수집하는 단계;
상기 장치의 데이터 분석부가, 상기 데이터 수집 단계를 통해 수집된 데이터를 AI 알고리즘에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 단계;
상기 장치의 공구보정시점 검출부가, 상기 분석하는 단계를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하면서 공구 보정 시점을 검출하는 단계; 및
상기 장치의 알림부가, 상기 공구보정시점을 검출하는 단계를 통해 검출된 공구 보정 시점을 시각적 또는 청각적 방법에 의해 표출하여 알리는 단계;를 포함하고,
상기 데이터 분석부를 통해 도출된 AI 예측값은 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴과 유사하게 대응되어 나타나며,
상기 공구 보정 시점을 검출하는 단계는,
상기 분석하는 단계를 통해 도출된 AI 예측값을, 실제 공정에 적용하면서 수집된 데이터와 비교하여 공구 보정 시점을 예측하고, 상기 도출된 AI 예측값과 상기 실제 공정에서 나타나는 스핀들 로드값의 패턴을 비교하면서 상기 도출된 AI 예측값이 급격하게 감소하는 시점 직전에 공구 보정시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구의 보정 알람 방법.As a method of a calibration alarm device for a tool for a machine tool,
Collecting, by the data collection unit of the device, data related to a spindle load value generated by an operation of the CNC control unit and a quantity of products processed by the operation of the CNC control unit;
Deriving, by the data analysis unit of the device, an AI prediction value for predicting tool wear by learning the data collected through the data collection step by an AI algorithm;
Detecting, by a tool correction point detection unit of the device, a tool correction point of time while comparing the AI prediction value derived through the analyzing step with data collected while applying it to an actual process; and
Including; displaying and notifying, by a notification unit of the device, the tool correction time point detected through the step of detecting the tool correction point by a visual or auditory method,
The AI prediction value derived through the data analysis unit appears in correspondence with the pattern of the spindle load value appearing in the actual process,
The step of detecting the tool correction time point,
The AI prediction value derived through the analysis step is compared with data collected while applying to the actual process to predict the tool correction time, and while comparing the derived AI prediction value with the pattern of the spindle load value appearing in the actual process, the A correction alarm method for a tool for a machine tool, characterized in that the tool correction point is detected immediately before the point at which the derived AI prediction value rapidly decreases.
상기 공구 마모량을 예측하는 단계는,
상기 장치의 데이터 설계부가 상기 데이터를 수집하는 단계에서 수집된 데이터에 대하여 정의하고 상기 수집된 데이터를 분석하기에 용이하도록 조합, 통합, 또는 분리하는 데이터 설계 단계;
상기 장치의 데이터 정제부가 상기 데이터 설계 단계에서 정의된 데이터로부터 실제 가공이 이루어지는 실가공 구간만 축소 통합하여 정규화하는 데이터 정제 단계; 및
상기 장치의 AI 모델링부가, 상기 데이터 정제 단계를 통해 정규화된 데이터를 AI모델링에 의해 학습시켜 공구 마모량을 예측하기 위한 AI 예측값을 도출하는 AI 모델링 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 공구의 보정 알람 방법.According to claim 6,
The step of predicting the amount of tool wear,
a data design step of defining the data collected in the data collection step by the data design unit of the device and combining, integrating, or separating the collected data to facilitate analysis;
a data refinement step of normalizing by reducing and integrating only the actual processing section in which actual processing is performed from the data defined in the data design step by the data refining unit of the device; and
An AI modeling step of deriving an AI prediction value for predicting tool wear amount by learning the data normalized through the data refinement step by AI modeling by the AI modeling unit of the device;
Compensation alarm method of a tool for a machine tool comprising a.
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