论文题目:
A novel exponential model for tool remaining useful life prediction
论文期刊:Journal of Manufacturing Systems
论文日期:2024年
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2024.01.009
作者:
Mingjian Sun (a), Kai Guo (a), Desheng Zhang(b) , Bin Yang (a) , Jie Sun (a) , Duo Li (c) , Tao Huang (d)
机构:
a: Department of Mechanical Engineering, Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China;
b: Guangzhou Intelligent Equipment Research Institute Co., Ltd, Guangzhou, China;
c: Centre for Precision Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, China;
d: The State Key Laboratory of Mechanical Transmissions and the College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China.
通讯作者邮箱:
5.4 指数模型泛化能力验证
关键词:剩余使用寿命,切削刀具,指数模型,首次预测时间,概率密度函数
刀具是制造过程的重要组成部分,由于它与工件直接接触[1,2]。因此,刀具的退化和磨损将显著影响产品的质量和精度。有研究指出,刀具故障约占机床总故障的20%[3]。此外,刀具维护费用在总生产成本中占很大比例,从15%到40%不等[4]。实时的对刀具状态进行监测并准确预测剩余使用寿命(Remaining Useful Life, RUL),可以有效防止机床意外停机和工件报废等潜在灾难性事故[5,6]。在线刀具状态监测系统对于现代制造业降低成本和提高加工质量至关重要[9,10]。因此,学者们对切削刀具RUL的预测进行了广泛研究[7,8]。
刀具的 RUL 预测模型主要包括退化模型和数据驱动模型。数据驱动模型通过模式识别和机器学习算法检测系统退化过程[11, 12]。Yu 等人[13]开发了一个双向循环神经网络来预测切削刀具的 RUL。Sun 等人[14]提出了一种利用深度迁移学习和稀疏自动编码器预测刀具 RUL 的方法。此外,基于模糊神经网络[15]、贝叶斯网络[16]、支持向量机[17,18]、相关向量机[19]和随机过程[20,21]的预测方法也常用于RUL预测。数据驱动模型通过学习相关变量与刀具退化状态之间的相关关系来输出预测结果。然而,这些预测的准确性取决于测量数据的数量和质量。这给实际应用带来了重大挑战[22,23]。
退化模型基于领域知识[24]构建精确的失效模型,如Paris、Taylor和Forman裂纹扩展模型[25,26]。因此,这些模型在RUL预测中可能表现出很强的性能。在关于退化模型的各种研究中,指数模型是一种广泛使用的方法。Gebraeel 等人在其发表于 [27] 的著作中首次提出了这一概念。到目前为止,基于指数模型的大量迭代模型已被建立并用于机械系统的 RUL 预测 [28]。Wang 等人[29] 研究了随机噪声对四种退化模型性能的影响: 贝叶斯法 (Bayesian Method, BM)、粒子滤波器 (Particle Filter, PF)、扩展卡尔曼滤波器 (Extended Kalmanfilter, EKF) 和非线性最小平方 (Nonlinear Least Square, NLS)。从实验结果的平均表现来看,前两个基于贝叶斯推理的故障模型明显优于其他两个模型。此外,Liu 等人[28] 建立了基于广义柯西的指数预测模型,利用最大的 Lyapunov 指数揭示了最大 RUL 预测范围,并取得了比长短期记忆的神经网络更高的预测精度。从上述研究中可以看出,指数模型可以成功地预测呈现指数退化过程的系统的 RUL。尽管如此,它们仍然存在一些固有的缺陷。
一方面,在实际生产中,有意义的 RUL 预测往往发生在刀具寿命的中后期阶段 [30]。然而,现有研究通常的做法是主观选择首次预测时间
(First Predicting Time, FPT),从而增加了预测的不确定性。此外,在稳定的切削条件下,刀具的早期磨损退化相对稳定,这使得早期预测切削刀具的剩余寿命大多没有意义。因此,何时开始 RUL 预测仍需进一步分析。图 1 显示了刀具的退化过程,进一步说明了 FPT 的概念。在这个例子中,采用了健康指标的二阶导数(Second-Order Derivative of the Health Index, SDHI)作为退化监测的新指标。从本质上讲,刀具退化包括两个阶段:正常磨损和异常磨损。正常磨损时,监测指标 SDHI 较低且稳定,表明刀具功能正常。异常磨损时,SDHI 会稳步上升,随后出现剧烈震荡,从而触发退化过程从正常磨损向异常磨损的过渡。监测健康状况是正常磨损阶段的主要目标,当检测到刀具达到异常磨损时,将自动触发 RUL 预测过程,RUL 预测应从 FPT 开始。RUL 预测模型需要一个值得信赖的 FPT,以避免 “预测不足”(对 RUL 的估计过于谨慎)或 “预测过度”(对 RUL 的估计过于保守)。然而,在指数模型中,FPT的选择通常基于主观标准,限制了其潜在用途。Ginart等人[31]总结了在自动健康监测系统中选择FPT的几种常见方法,例如,基于统计特征建立候选基线。然而,FPT是由许多系统的统计数据建立的,因此不能根据单个系统进行自适应调整。
图1 刀具磨损退化过程
此外,指数模型的参数通常是通过实验确定的,而刀具使用前期的可观测数据量较少,导致退化模型参数估计的准确性较低,这使得处理刀具磨损进程的不可预测性成为一项挑战[32]。本文提供了一种新的指数模型来预测切削刀具的 RUL,以克服这些局限性。以下是所提出方法的贡献:
(1) 构建了一种新型健康监测指标 SDHI,并在此基础上提出了一种基于 3𝜎 间隔的 FPT 自适应选择方法,将可观测的 SDHI 与不可观测的刀具磨损率相关联,在无需人工干预的情况下自动判断刀具的异常磨损状态。
(2) 粒子滤波(PF)和期望最大化(Expectation Maximization, EM)算法有效减少了 RUL 预测过程中的随机误差,提高了预测精度。
(3) 采用概率密度函数(Probability Density Function, PDF)来解决与 RUL 预测相关的固有不确定性,从而提高了 RUL 预测的可靠性和可信度。
(4) 通过在各种切削情况下进行的铣削试验,证明了所建议的方法在预测刀具 RUL 方面的通用性。通过误差评估验证了该方法的可行性。
本文的后续部分包括: 第 2 节简要概述了 PF 和指数模型的基本理论框架。第 3 节详细介绍了提出的指数模型。第 4 节通过对不同工件进行铣削试验来评估所建议方法的可行性及其推广到各种切削环境的能力。最后,在第 5 节给出了结论。
指数退化模型广泛应用于轴承和刀具等机械装备的RUL预测。该模型能够有效地捕捉系统的退化趋势[23,33]。在本研究中,每当获得新数据时,模型参数都会通过融合贝叶斯推理与EM算法进行迭代更新。这种方法有助于减少对系统先验信息的依赖。
3.1.1 指数退化模型的发展
考虑在指数模型中通过退化信号来表示刀具的状态,用 表示。刀具在时间 时的状态可以表示为:
其中, 是固定的确定性变量, 和 是随机变量, 服从对数正态分布 , 服从正态分布 , 是误差项,其均值为0,方差为 。为方便表示,对指数的模型进行以下对数形式处理:
其中, ,服从正态分布 。为简化分析,假设 。
3.1.2 基于EM算法的参数估计
考虑一组在时间 获取的观测值 。假设独立同分布(i.i. d.)的误差项 遵循正态分布,只要知道 和 ,就可以利用公式 (3) 确定 的条件联合概率密度函数 (PDF)。
随后,根据观测数据 推断出 的联合后验概率分布,服从具有后验均值为 ,后验方差为 , 相关系数为 的二元正态分布,其中
式中
通常情况下,通过贝叶斯方法,利用最新的观测数据
值得注意的是,传统指数退化模型[27]的先验分布中的方差参数
粒子过滤(PF),也称为序列蒙特卡洛技术[34,35],使用随机选择的粒子和分配的权重来近似后验 PDF。本研究使用 PF 和贝叶斯推断法递归估计刀具磨损状况。通过最新的观测数据确定模型参数,然后利用这些获得的参数预测刀具未来的磨损状况。
3.2.1贝叶斯推理
所提出的状态空间模型被认为能够代表任何给定时刻
其中,
在铣削加工中,一旦切削刀具的累计磨损量达到预定极限,即被视为失效效,这标志着相应切削刀具寿命的终止点。本研究遵循 ISO3685 标准刀具失效标准(
图2 铣削过程中刀具磨损的时变机制示意图
由于缺乏昂贵的离线测量设备(如显微镜或表面轮廓仪),在加工过程中监测刀具磨损以预测 RUL 时可能会遇到困难[36]。因此,预测刀具磨损需要考虑测量误差。在在线测量和不可观测的刀具磨损状况之间建立联系的方程式为:
其中,
利用贝叶斯推理,我们确定了后验 PDF,表示为
在预测阶段,Chapman-Kolmogorov 方程[34]的操作如下,
其中,状态转换的 PDF
当
其中
随后,将公式 (7) 中的系统方程与公式 (10) 中的后验估计相结合,就得到了
3.2.2粒子滤波
在公式(12)中,后验 PDF 的迭代传播更具概念性。高维积分的复杂性给分析计算带来了挑战。粒子滤波通过贝叶斯推理提供了一种数值近似方法,被证明是预测后验分布的一种非常有效的方法。具体来说,公式 (12) 的后验 PDF 是通过粒子群
其中,
其中
当有新的测量结果
3.2.3 重采样步骤
公式 (15) 中更新粒子权重的过程需要计算公式 (10) 中的似然函数,这就带来了粒子贫化的挑战。当迭代几次后,除一个粒子外,其他粒子的权重都可以忽略不计时,就会出现这种现象。
解决方法之一是利用反变换对粒子群进行重新采样[37]。重新采样的基本概念是剔除权重较小的粒子,转而关注权重较大的粒子。这是通过比较累积分布函数(CDF)
粒子贫化通常是通过有效样本大小来评估的[38],在实际计算中可以方便地对其进行近似:
当
3.3 RUL 预测机制
一旦确定了
随后,令
其中,
计算剩余寿命的 CDF 需要评估退化信号
给定剩余寿命
图 3 中的流程图描述了所以提出的基于指数模型的预测 RUL 方法。首先,从实时退化信号中提取表明刀具退化状态的多域特征。随后,进行特征适配性分析,建立健康指标。然后,根据
图3 提出指数退化模型RUL预测方法流程图
系统状态预测需要建立刀具磨损预测状态演变和测量模型。状态模型源自第 2.1 节中介绍的指数退化模型。同时,利用健康指标(Health Index, HI)建立测量方程。
首先,通过信号采集系统在线采集铣削试验中的三轴切削力、三轴振动和声发射(AE)信号,采样频率分别为 5 kHz、10.24 kHz 和 51.2 kHz。然后从这七个测量信号中提取表 1 所示的多域特征。在时域中,提取了平均值、峰峰值、方差、偏斜系数和峰度系数。方差、偏斜系数和峰度系数是信号离散度的指标,而平均值和峰峰值则是信号幅度和能量随时间变化的特征。
从频域中表示为
表1 提取的特征列表
合适的特征应显示出与磨损退化相一致的趋势。因此,特征相似性分析的主要目的是找出能够恰当捕捉刀具磨损过程细微差别的特征[39]。在退化过程中,刀具磨损会不断加剧。在这种情况下,最佳预测特征应表现出连续增加或减少的明显模式。单调性是一种用于评估特征演变轨迹的数学标准,其正式定义如下[40]:
其中,
通过采用指数平滑方法优化 HI,可以减轻噪声对 RUL 预测的不利影响。指数平滑策略如式 (22) 所示。这里,
本节介绍了一种基于
这种触发机制的基本原理是,利用可观测的 SDHI 代表不可观测的刀具磨损率。如果 SDHI 偏离
一旦确定了 FPT,HI 将作为退化模型的输入,采用指数模型对刀具的 RUL 进行预测。
首先,将模型参数初始化为
表 2 指数模型预测 RUL 的过程
在两种铣削情况下进行的加工测试证明了该方法的有效性。这两种加工情况下的工件、刀具和切削参数完全不同,如表 3 所示。首先使用 PHM 2010 挑战数据集 [41,42],对铣削传统工件的刀具寿命进行估算。然后,通过不同切削环境下的实验数据,预测了铣削钛合金工件时铣刀的 RUL,并验证了该方法在实际加工环境中的通用性和适用性。
表3 铣削实验的加工参数
如图 4 所示,在整个切削操作过程中,利用力传感器、加速度传感器和声发射传感器同时采集切削力、振动和声发射数据。信号采样频率为 50 kHz,所有输出均通过电荷放大器和 NI DAQ PCI 信号采集卡传输到计算机进行存储。表 3 中的案例 1 显示了实验的具体细节。每个刀具被铣削 315 次,每次铣削操作后都使用 LEICA MZ12 显微镜测量磨损情况。使用刀具 C1、C2、C4 和 C6 的切削数据对案例 1 进行了验证。
图4 案例 1 的实验装置
此外,钛合金零件具有强度高、韧性强、防锈性好等优点,因此在飞机制造业中被大量使用[43]。然而,与钢和铝等传统铣削材料相比,钛合金材料的导热率较低。切削时散热和冷却效果差,容易在切削区域产生危险的高温,从而加速刀具磨损。由于铣削钛合金零件的复杂性,我们使用钛合金零件的加工数据对所建议的方法进行了进一步测试。在加工钛合金零件的情况下验证了提出的指数模型的在实际加工环境中的适应性。铣削实验在 DECKEL MAHO DMU 70 V 加工中心上进行。工件材料为 Ti-6Al-4V,尺寸如下: 177 mm × 40 mm × 112 mm,铣刀为直径为 𝜑 = 10 mm 的金刚石涂层石墨四刃平面铣刀,具体的工艺参数在表 3 中的工况 2 中进行了说明。
如图 5 所示,加工过程中通过力、加速度和声音采集系统采集三轴切削力、机床主轴振动和切削声音信号。力采集系统包括奇石乐传感器刀架、无线传输模块和可视化软件,采样频率为 5 kHz。加速度采集系统由三轴压电加速度计(Kistler-8763B)、NI cDAQ-9171 采集板和可视化软件组成。加速度计使用磁性底座固定在机床主轴上,采样频率为 10.24 kHz。声音采集系统由麦克风(GRAS 46AE)、NI cDAQ-9171 采集板和可视化软件组成。麦克风使用磁性支架固定在工作台上,直接指向切割区域,采样频率为 51.2 kHz。具体细节将在第 5.4 节中详细介绍。
图5 案例 2的实验装置
本文首先基于实例 1 阐述了SDHI构建和 FPT 自适应选择策略实施的具体过程。案例 1 中刀具 C1 的侧面磨损曲线如图 6(a)所示,包括三个切削刃各自的磨损值和平均磨损量。刀具的磨损退化过程与典型的泰勒刀具寿命曲线[5]一致。因此,根据观察到的刀具磨损变化,将磨损状况分为三种不同的状态:初始磨损、正常磨损和严重磨损。图 6(b) 显示了整个磨损过程中的磨损率变化。图 6(a) 所示的磨损曲线和图 6(b) 所示的磨损率可用于定义磨损状态:在铣削过程的第 0 至第 28 刀期间,为初始磨损,刀具处于快速磨损阶段。在第 28 刀之后,磨损率曲线发生了明显变化,磨损率开始下降,刀具呈现出持续的渐进磨损。因此,从第 29 刀到第 135 刀的铣削过程属于正常磨损阶段。从第 136 刀到第 315刀随着切削次数的增加,刀具磨损率继续增加。此时,刀具进入加速磨损阶段,属于异常加工状态。刀具进入异常加速磨损阶段后,切削刃的加工状态非常不稳定,极易损坏加工零件表面,甚至导致零件报废[44]。因此,必须准确识别刀具达到异常磨损状态的时刻,选择合适的 FPT、估计刀具状态并预测 RUL。根据预期的健康状况及时更换刀具。
图6 刀具磨损趋势和刀具磨损状况的划分依据
然而,由于测量噪声的存在,准确建立原始数据与刀具退化之间的相关关系是具有挑战性的。为此,我们从原始信号中提取如表1中所列的多位特征。然后,进行了特征拟合度分析,以确定哪些特征对磨损过程最为重要。提取特征的适配度得分排序如图 7 所示。特征拟合度分析结果表明,X轴切削力信号的方差拟合度最好,单调性得分为 0.998,因此选择X轴 切削信号力的方差作为 HI 来表征刀具的磨损过程。通常情况下,单调性对噪声不具有鲁棒性[40],因此提取的特征会通过公式 (22) 所描述的立方一阶指数平滑滤波器进行平滑处理。图 8(a) 展示了平滑前后的 HI。可以看出,平滑后的 HI 是单调的,这符合刀具累积磨损的物理规律。
图7 多域特征适应度评估
图8(b)显示了试验中C1的平均磨损率和SDHI。图中,紫色实线表示平均磨损率,红色虚线表示正常磨损和异常磨损之间按磨损率划分的线,蓝色实线表示SDHI。可以看出,当工具处于正常阶段时,SDHI的振幅通常较低且稳定,完全包含在
因此,SDHI对刀具的早期异常状态很敏感,可用于触发RUL预测过程,但不能提供有关磨损后期发展的有效信息。从图8(a)中的可以看出,HI在FPT后显示出明显的指数增长,这很好地表征了刀具的磨损退化过程,可用于预测RUL。因此,采用SDHI作为监测指标和HI作为预测指标。
图8 健康指标构建和FPT选择结果
为了进一步验证自适应FPT选择策略的有效性,将两个刀具C4和C6的真实FPT与根据
图8 FPT选择结果(a)刀具C4,(b)刀具C6
表4 3把刀的FPT选择结果
为了进一步证明SDHI作为监测刀具异常磨损状态的指标的合理性,以刀具C1、C4和C6为例,图10-12分别显示了使用HI的原始值、HI的一阶导数(FDHI)、HI的三阶导数(TDHI)和HI的四阶导数(FDHI)通过
图10 分别使用HI、FDHI、TDHI和FDHI对刀具C1的FPT结果进行比较
图11 分别使用HI、FDHI、TDHI和FDHI对刀具C4的FPT结果进行比较
图12 分别使用HI、FDHI、TDHI和FDHI对刀具C6的FPT结果进行比较
图13 分别使用HI、FDHI、SDHI、TDHI和FDHI选择的FPT误差的比较
在选择FPT后,应用了具有1000个粒子的指数模型RUL预测方法,并使用HI作为预测指标来预测RUL。图14显示了EM参数更新过程。在预测过程开始时,并非所有参数都能准确估计。随着参数估计中使用的观测值数量的增加,这些参数的估计值逐渐接近其真实值。相比之下,Gebraeel的方法[27]不能像所提出的方法那样自适应地调整实时观测数据。
图14 RUL预测过程中的参数估计
图15(a)显示了刀具C1在监测时间
此外,图15(b)-(d)显示了监测时间
图15 案例1在时时的刀具退化过程和退化趋势预测结果
图16(a)-(d)描述了刀具C1、C2、C4和C6的RUL预测结果,精度为
此外,使用概率方法对RUL不确定性进行量化。图16(a)中的青色阴影部分表示RUL的PDF,用于评估RUL预测的置信区间。RUL的PDF越窄,表示预测置信度越高,PDF的峰值对应于RUL的估计值。如图16(a)所示,在FPT时刻,通过选择最高概率,使用新型指数模型估计的RUL约为165刀,而实际剩余使用寿命约为175刀。
图16 案例1使用的提出的方法的RUL估计结果
图17 案例1使用的原始指数模型的RUL估计结果
图18 案例1使用的Paris模型的RUL估计结果
此外,通过与原始指数模型(图17)和Paris模型(图18)的RUL预测结果进行比较,以及对这三种不同算法预测的RUL误差进行总体比较。为了进一步证明所提出方法的优越性。通过MAE和RMSE定量评估模型的预测表现。
其中
从结果中可以看出,尽管所提出的方法在刀具C4的RUL预测结果精度略低刀具C1、C2和C6,但它仍然明显优于其他算法证实了所提出方法在预测刀具剩余寿命的优越性。表5和图19显示了从FPT到终止时刻的三种算法预测的RUL得分。为简单起见,三种算法的MAE和RMSE分别用ER1-ER6表示,例如,ER1代表指数模型预测的MAE,ER2代表指数模型预测的RMSE,以及ER3和ER4分别表示Paris模型的MAE和RMSE。然后,ER5和ER6代表拟议算法的MAE和RMSE评分指标。
相较于第二种方法中,我们的方法对主观因素的依赖程度较低,RUL预测结果更可靠、更一致。因此,可以得出结论:提出的指数模型将贝叶斯更新和EM方法用于参数估计的优点与粒子滤波器用于状态估计的优点相结合,并在三种模型中显示出更好的预测效果。
图19 这三种方法的性能定量比较结果
如第4.1节所述,通过预测钛合金部件铣削过程中的刀具寿命,验证了所提出的方法对加工环境的泛化能力。钛合金零件的铣削实验使用2个相同的刀具,每个刀具用于60次切削,在每次数据采集实验后使用Dino Lite AM3113数字显微镜测量刀具磨损。共获得了2组切削信号和磨损值数据。将每个刀具的磨损数据视为一个单独的数据集,分别表示为T1和T2。钛合金零件每次切削后各切削刃的侧面磨损和平均磨损如图20所示。
图20 案例2中每个刀具的后刀面磨损过程
RUL的预测方法与案例1相同,刀具T1和T2的FPT由提出的
图21 案例2中刀具T1铣削Ti-6Al-4V零件的RUL预测结果
图22 案例2中刀具T2铣削Ti-6Al-4V零件的RUL预测结果
本文提出了一种基于指数模型的刀具RUL预测方法,以解决RUL预测中健康指标构建和预测不确定性量化两个问题。以下是这项工作的主要贡献:
本研究中提出的方法建议用于以系统退化信号呈指数趋势为特征的RUL预测场景。这是因为指数退化模型基于以指数函数形式跟踪退化信号轨迹的基本原理,因此当系统或构建的健康指标的退化信号呈指数增加或指数减少形式时,所提出的方法将很好地工作。当然,该方法仍有一些局限性。例如,特征适应度分析的目的是找到一个具有指数单调趋势的健康指标。但是,在某些实际情况下,退化趋势可能是非单调的,甚至会突然变化,例如刀具的碎裂和边缘断裂。在这种情况下,所提出的方法无法有效预测刀具的未来退化趋势。未来,将开发出更稳健的退化模型,不仅能够描述单调的磨损退化趋势,而且能够描述非单调或突然的退化趋势。
编辑:Tina
校核:李正平、陈凯歌、赵栓栓、曹希铭、赵学功、白亮、任超、陈宇航、海洋、陈莹洁、王金、赵诚、肖鑫鑫
该文资料搜集自网络,仅用作学术分享,不做商业用途,若侵权,后台联系小编进行删除
点击左下角阅读原文,即可在线阅读论文。