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適多工況之刀具剩餘壽命智慧監測方法研究

作者 王世明黃健瑋佘家均黃郁茹

刊登日期:2025/10/29

摘要

以人工經驗進行刀具壽命費時且缺乏客觀數據支援,無法準確的預測刀具壽命會造成非必要停機、加工精度降低及刀具成本提高。本研究透過實驗設計、數據特徵分析,建立磨耗與振動的關聯,比較GRNN與LSTM預測準確度,最終選用GRNN模型,並建立等效轉換法則,最終以C#建立智慧監測人機介面,完成即時預測刀具剩餘壽命的監測系統。實驗驗證結果顯示,基於AI模型評估刀具剩餘壽命,加工後預估剩餘壽命為1435秒,仍可完成853秒加工需求;在以等效轉換模組應用於多工況驗證下,顯示預測刀具剩餘壽命為430秒,實際壽命為392秒,預測誤差為42秒,由於剩餘壽命不足以完成下次加工製程,系統自動警示換刀。驗證結果顯示,所建立的方法與系統可有效用於刀具剩餘壽命預測。

Abstract

Relying on human experience to assess tool life is time-consuming and lacks objective data support, leading to inaccurate predictions of tool life, which can cause unnecessary downtime, reduced machining accuracy, and increased tool costs. Through experimental design and data feature analysis, this study establishes the correlation between wear and vibration, compares the prediction accuracy of GRNN and LSTM, ultimately selecting the GRNN model, and develops an equivalent transformation rule. Finally, an intelligent monitoring human-machine interface is developed using C#, enabling a monitoring system for real-time prediction of tool remaining life. Experimental validation results show that, based on the AI model, the estimated remaining tool life after machining is 1435 seconds, sufficient to meet a 853-second machining requirement. In multi-condition validation using the equivalent transformation module, the predicted life is 430 seconds, while the actual life is 392 seconds, with an error of 42 seconds. Since it is insufficient for the next process cycle, the system automatically issues a tool change alert. Given the accuracy of remaining life prediction, this study holds significant reference value in the field of tool cutting.

刀具狀態直接影響加工精度、效率以及產品品質。掌握刀具品質狀態是確保加工穩定的必要條件;反之,誤判刀具狀態則可能導致加工品質不佳,造成良率下降,甚至增加生產成本。整合物聯網、即時感知、大數據分析與人工智慧(AI)技術可以實現刀具狀態的自動化監測。其優勢不僅能即時掌握刀具壽命狀態,更能有效減少因人為誤差導致的停產風險,整體提升製程的效率與穩定性。

過去業界常依經驗調整加工參數與決定刀具更換時機,然維持良好刀具狀態能滿足客戶需求,反之則可能因誤判導致重工、提高成本或延遲交貨。為解決傳統作法上由於經驗不足導致的誤判問題,透過線上監控工具機加工狀態,實現產線自動化從而減少人為誤差,在智慧製造技術支援下,成為當前國內外研究重點之。過去Wei[1] 曾用多傳感器融合與BP 神經網路預測刀具磨損;Chang[2] 基於BNN 神經網路輸入加工參數、切削速度、進給速度與材料移除率等參數來估計車刀磨損;Tsou[3] 則通過擷取主軸與進給軸電流觀察磨耗速率,於刀具磨耗末期磨耗速率加速期間作為特徵,訂定銑刀磨耗門檻值,進行模型訓練。Tengfei[4] 驗證了LSTM 在時間序列預測中的優勢,認為其適用於刀具壽命估計。Wang[5] 也提出由於刀具磨損特徵微小,較難提取且預測準確度不高,因此提出CNN-LSTM-PSO 方法改善特徵提取與精度。本研究透過實驗收集振動訊號,比較了LSTM與GRNN對於預測刀具剩餘壽命的效能,並以Visual C# 開發一套判斷刀具壽命智慧系統,功能涵蓋臨界壽命監測、磨耗預測與壽命估計,期能以客觀資料有效提升加工效益。

研究方法

刀具加工產生訊號複雜且多樣,透過準確擷取不同加工條件下建立刀具特徵訊號,完成刀具全生命周期資料收集,從而建立特徵資料與刀具壽命相對關係,完成刀具壽命監測作業的研究方法。為收集實驗數據,本研究使用亞崴公司配備Siemens828D 控制器之AF-760 三軸工具機進行加工實驗, 同時搭配NI-4431DAQ 以及ICP-M138高精度振動加速規,設定取樣頻率10240 筆/ 秒完成線上振動訊號擷取,建立加工振動變化特徵與刀具磨耗的相對關係模型,再參照ISO8688-2 端銑刀磨耗標準進行磨損量化評估預測,以能即時判斷刀具磨耗趨勢和是否即將達到磨耗標準,從而即時提出換刀建議。研究方法與步驟如下:(1)實驗設計:收集關聯加工參數與對應振動訊號(材料種類、加工參數、Chip load、切削振動等),以建立多工況切削訊號模型;(2) 分析振動訊號特徵變化與刀具磨耗量之相對關係;(3) 建立機器學習GRNN、LSTM 模型以及刀具應用多工況之等效轉換計算方法,以預測刀具剩餘壽命;(4) 基於刀具磨耗預測模型,以C# 建立智慧監測系統;(5)系統驗證,確保開發之系統之有效性。

 

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