吉林大学学报(工学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (2): 329-337.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20211079

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考虑工况变化的数控刀架运行状态异常检测方法

胡炜1,2,3(),陈传海1,2,郭劲言1,2(),刘志峰1,2,申桂香1,2,于春明4   

  1. 1.吉林大学 数控装备可靠性教育部重点实验室，长春 130022
    2.吉林大学 机械与航空航天工程学院，长春 1300225
    3.瑞典皇家理工学院，瑞典 斯德哥尔摩 25175
    4.沈阳机床股份有限公司，沈阳 110142
  • 收稿日期:2021-10-22 出版日期:2022-02-01 发布日期:2022-02-17
  • 通讯作者: 郭劲言 E-mail:weihu19@mails.jlu.edu.cn;gjy_jlu@163.com
  • 作者简介:胡炜（1994-），女，博士研究生.研究方向：数控装备可靠性评估与状态监测.E-mail：weihu19@mails.jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51975249);吉林省重点科技攻关项目(20190302017GX)

An Anomaly detection method for numerical control turrets considering working conditions

Wei HU1,2,3(),Chuan-hai CHEN1,2,Jin-yan GUO1,2(),Zhi-feng LIU1,2,Gui-xiang SHEN1,2,Chun-ming YU4   

  1. 1.Key Laboratory of CNC Equipment Reliability，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130022，China
    2.College of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China
    3.KTH Royal Institute of Technology，Stockholm 25175，Sweden
    4.Shenyang Machine Tool Co. ，Ltd. ，Shenyang 110142，China
  • Received:2021-10-22 Online:2022-02-01 Published:2022-02-17
  • Contact: Jin-yan GUO E-mail:weihu19@mails.jlu.edu.cn;gjy_jlu@163.com

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摘要：

针对数控刀架故障数据少、难获取，且运行数据随工况变化致使故障诊断困难的问题，提出了一种基于非故障数据并考虑工况变化的运行状态异常检测方法。该方法通过多元高斯分布模型和考虑工况变化的偏差特征建模，确定刀架运行状态异常数据的评判依据。首先，通过统计分析找到刀架在不同工作过程中的关键工况与信号特征；其次，分别选择线性回归、信息增益判别、广义回归神经网络方法建立工况与信号特征的关系模型，得到观测信号特征与给定信号特征之间的偏差；最后，采用刀架正常状态时的数据训练模型。通过大量工况变化实验与异常模拟实验，并与传统多元高斯分布模型比较，得出本文所提模型能排除工况变化的影响，并能更好地识别异常状态。

关键词: 异常检测, 工况, 数控刀架, 多元高斯分布

Abstract:

The difficulties of failure data collection and operation data changeability hinder the application of fault diagnosis methods to turrets. Hence， an anomaly detection method using non-failure data and considering the change of working conditions was proposed for detecting turrets’ anomaly state during operation. The method studied the judgment principle of abnormal data through the multivariate Gaussian distribution（MGD） and the deviation characteristic associated with working conditions. First， the key working conditions and signal characteristics in different turret working processes were determined through statistical analysis. Second， some methods like linear regression， information gain， and generalized regression neural network were selected to model their relationships， respectively. Following that， the deviation of observation from the given signal characteristics is calculated. Finally， the operation data from turret normal state were used to train the model. Many experiments under different working conditions and abnormal simulation were conducted to verify that the proposed model can eliminate the influence of working conditions on abnormal judgment compared to the traditional MGD model.

Key words: anomaly detection, working condition, numerical control turret, multivariate Gaussian distribution

中图分类号: 

  • TG659

图1

传统MGD的工作原理"

图2

切削动作过程中信号特征与工况的关系模型"

图3

实验图"

表1

松开锁紧动作内工况与特征关系模型的拟合优度"

关系模型

F检验

（p值）

t-检验（p值）决策 系数R
系数1系数2
油压-特征Ask0.000.000.000.764
油压-特征Asj0.000.000.020.858
油压-特征Bsk0.000.000.000.961
油压-特征Bsj0.000.000.000.848

图4

松开锁紧动作过程中信号特征的拟合结果"

图5

转位动作内信号特征的拟合结果"

表2

转位动作内工况与特征关系模型的拟合优度"

关系模型F检验 （p值）t-检验（p值）决策系数R
系数1系数2系数3
式（23）0.000.000.00-0.985
式（24）0.000.000.000.000.851

图6

切削动作内已知工况下拟合振动信号"

表3

各动作内所提模型参数结果"

动作信号特征μSε
松开A，B［ 5.4×10-11 7.1×10-11］［8.5×10-5 -1.3×10-4 ； -1.3×10-4 1.7×10-3］0.4460
锁紧A，B［ 1.3×10-10 -2.0×10-17］［3.7×10-3 -2.2×10-4 ； -2.2×10-4 3.4×10-3］0.0766
转位D，E［ 1.4×10-10 -1.1×10-17］［5.4×10-4 -9.3×10-3 ； -9.3×10-3 23.64］0.4725
切削G，H［-7.4×10-5 0.4774］［7.8×10-5 2.7×10-5 ； 2.7×10-5 1.3036］0.0003

图7

异常检测结果"

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