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DE102023200348A1 - Method for training a predictive model to monitor a conditioning process - Google Patents

Method for training a predictive model to monitor a conditioning process Download PDF

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DE102023200348A1
DE102023200348A1 DE102023200348.1A DE102023200348A DE102023200348A1 DE 102023200348 A1 DE102023200348 A1 DE 102023200348A1 DE 102023200348 A DE102023200348 A DE 102023200348A DE 102023200348 A1 DE102023200348 A1 DE 102023200348A1
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DE
Germany
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sensor data
time series
conditioning process
training
conditioning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023200348.1A
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German (de)
Inventor
Marius Winter
Sebastian Becker
Nikita Tikhonov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells beschrieben, das das Erhalten von Zeitreihen-Sensordaten eines Konditionierungsprozesses, das Etikettieren der Zeitreihen-Sensordaten durch Etiketten, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist, das Trainieren eines generativen Modells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, um für Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten zusätzliche Zeitreihen-Sensordaten des Konditionierungsprozesses zu erzeugen, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist, und das Trainieren eines Vorhersagemodells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen umfasst.

Figure DE102023200348A1_0000
According to various embodiments, a method for training a predictive model is described, comprising obtaining time series sensor data of a conditioning process, labeling the time series sensor data by labels, wherein the labels indicate sensor data elements of the time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process, training a generative model using the labeled time series sensor data to generate additional time series sensor data of the conditioning process for labels of the additional time series sensor data, wherein the labels indicate sensor data elements of the additional time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process, and training a predictive model using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data by supervised learning.
Figure DE102023200348A1_0000

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Offenbarung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses.The present disclosure relates to apparatus and methods for training a predictive model to monitor a conditioning process.

Schleifwerkzeuge, die in Produktionsprozessen verwendet werden, unterliegen einem Verschleiß. Somit müssen sie regelmäßig konditioniert (oder abgerichtet) werden, d. h., es muss ein Konditionierungsprozess ausgeführt werden. Um zu vermeiden, dass der Zeitpunkt verfehlt wird, zu dem das Schleifwerkzeug ausreichend konditioniert worden ist und die Konditionierung angehalten werden kann (oder sogar angehalten werden sollte, um die Verschwendung von Material des Schleifwerkzeugs zu vermeiden), sollte der Konditionierungsprozess selbst überwacht werden. Dementsprechend sind effektive Vorgehensweisen zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses erwünscht.Grinding tools used in production processes are subject to wear. Thus, they must be conditioned (or dressed) regularly, i.e. a conditioning process must be carried out. To avoid missing the point in time when the grinding tool has been sufficiently conditioned and the conditioning can be stopped (or even should be stopped to avoid wasting grinding tool material), the conditioning process itself should be monitored. Accordingly, effective procedures for monitoring a conditioning process are desired.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses bereitgestellt, das das Erhalten von Zeitreihen-Sensordaten eines Konditionierungsprozesses, das Etikettieren der Zeitreihen-Sensordaten durch Etiketten, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist, das Trainieren eines generativen Modells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, um für Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten zusätzliche Zeitreihen-Sensordaten des Konditionierungsprozesses zu erzeugen, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist, und das Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen des Konditionierungsprozesses unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen umfasst.According to various embodiments, a method is provided for training a predictive model for monitoring a conditioning process, comprising obtaining time series sensor data of a conditioning process, labeling the time series sensor data by labels, wherein the labels indicate sensor data elements of the time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process, training a generative model using the labeled time series sensor data to generate additional time series sensor data of the conditioning process for labels of the additional time series sensor data, wherein the labels indicate sensor data elements of the additional time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process, and training a predictive model for monitoring the conditioning process using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data by supervised learning.

Das Erzeugen zusätzlicher Zeitreihen-Sensordaten für Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten, d. h. das Erzeugen zusätzlicher Sensordatenelemente, wobei jedes Sensordatenelement für ein spezifisches Etikett erzeugt wird, kann dadurch erzielt werden, dass ein konditionierter Typ eines regenerativen Modells in der Weise trainiert wird, dass die zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten auf die geforderte Spezifikation, z. B. auf den Zeitpunkt, zu dem die Konditionierung angehalten werden sollte (z. B. den Hub, bei dem die Konditionierung angehalten werden sollte), konditioniert werden können.Generating additional time series sensor data for labels of the additional time series sensor data, i.e. generating additional sensor data items, each sensor data item being generated for a specific label, may be achieved by training a conditioned type of regenerative model such that the additional time series sensor data can be conditioned to the required specification, e.g., the time at which the conditioning should be stopped (e.g., the stroke at which the conditioning should be stopped).

Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren werden reale Sensordaten durch künstliche Sensordaten, die durch ein generatives Modell erzeugt werden, angereichert. Somit können Trainingsdatensätze mit ausreichend repräsentativen Eigenschaften bereitgestellt werden, was die Erfüllung der Notwendigkeiten des zum Trainieren des Prädiktors verwendeten Trainingsverfahrens ermöglicht.According to the method described above, real sensor data are enriched by artificial sensor data generated by a generative model. Thus, training data sets with sufficiently representative properties can be provided, which enables meeting the needs of the training procedure used to train the predictor.

Im Folgenden sind verschiedene Beispiele gegeben.Various examples are given below.

Beispiel 1 ist das wie oben beschriebene Verfahren.Example 1 is the procedure as described above.

Beispiel 2 ist das Verfahren des Beispiels 1, wobei das Vorhersagemodell trainiert wird, um für ein Eingangssensor-Datenelement anzugeben, ob das Eingangssensor-Datenelement aus einem oder mehreren Merkmalen, die aus dem Eingangssensor-Datenelement extrahiert werden und in das Vorhersagemodell eingegeben werden, widerspiegelt, dass das Qualitätskriterium in dem Konditionsprozess erfüllt worden ist.Example 2 is the method of Example 1, wherein the predictive model is trained to indicate for an input sensor data item whether the input sensor data item reflects that the quality criterion has been met in the conditioning process from one or more features extracted from the input sensor data item and input to the predictive model.

Die Verwendung von Merkmalen (z. B. statistischen Merkmalen) als Eingabe in das Vorhersagemodell anstelle voller Sensordatensätze verringert die Größe des Vorhersagemodells, während die Vorhersagefähigkeiten aufrechterhalten werden.Using features (e.g. statistical features) as input to the prediction model instead of full sensor datasets reduces the size of the prediction model while maintaining predictive capabilities.

Beispiel 3 ist das Verfahren des Beispiels 1 oder 2, wobei das Trainieren des generativen Modells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten das Extrahieren eines oder mehrerer Merkmale des Sensordatenelements und das Trainieren des generativen Modells unter Verwendung des einen oder der mehreren Merkmale und des Etiketts des Sensordatenelements für jedes Sensordatenelement der Zeitreihen-Sensordaten umfasst.Example 3 is the method of example 1 or 2, wherein training the generative model using the labeled time series sensor data comprises extracting one or more features of the sensor data item and training the generative model using the one or more features and the label of the sensor data item for each sensor data item of the time series sensor data.

Beispiel 4 ist das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 3, das das Trainieren mehrerer Vorhersagemodelle zum Überwachen des Konditionierungsprozesses unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen unter Verwendung unterschiedlicher Anteile etikettierter Zeitreihen-Sensordaten und zusätzlicher Zeitreihen-Sensordaten, das Bewerten der trainierten mehreren Vorhersagemodelle und das Auswählen eines der mehreren Vorhersagemodelle als Vorhersagemodell in Abhängigkeit von der Bewertung umfasst.Example 4 is the method of any of Examples 1 to 3, which includes training a plurality of prediction models to monitor the conditioning process using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data by supervised learning using different proportions of labeled time series sensor data and additional time series sensor data, evaluating the trained plurality of prediction models, and selecting one of several prediction models as a prediction model depending on the rating.

Mit anderen Worten, es werden mehrere Vorhersagemodelle trainiert, wobei jedes mit einem jeweiligen Anteil (d. h. Verhältnis) realer zu künstlichen Sensordaten (d. h. der Anzahl von Sensordatenelementen, die gemessene Sensordaten halten, zu der Anzahl von Sensordatenelementen, die durch das generative Modell erzeugte Sensordaten halten) trainiert wird. Dies ermöglicht das Ermitteln eines optimalen Trainings hinsichtlich des Anteils realer zu künstlichen Sensordaten. Schließlich kann im Vergleich zur Verwendung nur der realen Sensordaten für das Training ein effektiveres Vorhersagemodell bereitgestellt werden.In other words, multiple prediction models are trained, each trained with a respective proportion (i.e., ratio) of real to artificial sensor data (i.e., the number of sensor data items holding measured sensor data to the number of sensor data items holding sensor data generated by the generative model). This allows determining optimal training in terms of the proportion of real to artificial sensor data. Finally, a more effective prediction model can be provided compared to using only the real sensor data for training.

Beispiel 5 ist ein Verfahren zum Steuern eines Konditionierungsprozesses, das das Trainieren eines Vorhersagemodells nach einem der Beispiele 1 bis 4, das Erhalten von Zeitreihen-Sensordaten eines zu beobachtenden Konditionierungsprozesses, die eine Reihe von Sensordatenelementen umfassen, das Eingeben von Informationen über des Sensordatenelement in das Vorhersagemodell für jedes der Sensordatenelemente und das Anhalten des Konditionsprozesses als Reaktion darauf, dass das Vorhersagemodell für ein Sensordatenelement der Sensordatenelemente angibt, dass das Qualitätskriterium in dem Konditionsprozess erfüllt worden ist, umfasst.Example 5 is a method of controlling a conditioning process, comprising training a predictive model according to any one of Examples 1 to 4, obtaining time series sensor data of a conditioning process to be observed comprising a series of sensor data items, inputting information about the sensor data item to the predictive model for each of the sensor data items, and stopping the conditioning process in response to the predictive model indicating for a sensor data item of the sensor data items that the quality criterion has been met in the conditioning process.

Beispiel 6 ist ein Konditionierungsprozess-Steuersystem, das konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 5 auszuführen.Example 6 is a conditioning process control system configured to perform a method according to any of Examples 1 to 5.

Beispiel 7 ist ein Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer ein Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 5 ausführt.Example 7 is a computer program comprising instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform a method according to any of Examples 1 to 5.

Beispiel 8 ist ein computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer ein Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 5 ausführt.Example 8 is a computer-readable medium comprising instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform a method according to any of Examples 1 to 5.

In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten allgemein auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendig maßstabsgerecht, wobei der Schwerpunkt allgemein auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung sind verschiedene Aspekte anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

  • 1 das Konditionierung eines Schleifwerkzeugs;
  • 2 einen Ablaufplan, der eine Prozedur für die Konditionierungssteuerung darstellt;
  • 3 ein typisches Signal von einem AE-Sensor (Sensor für akustische Emission);
  • 4 eine Signalanalyseprozedur, die auf die Sensordaten aus 3 angewendet wird;
  • 5 ein Beispiel künstlicher Sensordaten, die durch ein generatives Modell erzeugt werden, (auch als digitaler Zwilling bezeichnet);
  • 6 ein Beispiel des Einflusses des Verhältnisses realer zu künstlichen Daten in einem Trainingsdatensatz auf die Leistungsfähigkeit eines Vorhersagemodells;
  • 7 Ergebnisse eines vereinfachten Anwendungsbeispiels zum Überwachen und Steuern eines Konditionierungsprozesses; und
  • 8 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform darstellt.
In the drawings, like reference characters generally refer to the same parts throughout the several views. The drawings are not necessarily to scale, emphasis generally being placed upon illustrating the principles of the invention. In the following description, various aspects are described with reference to the following drawings, in which:
  • 1 the conditioning of a grinding tool;
  • 2 a flow chart representing a procedure for conditioning control;
  • 3 a typical signal from an AE sensor (acoustic emission sensor);
  • 4 a signal analysis procedure based on the sensor data from 3 is applied;
  • 5 an example of artificial sensor data generated by a generative model (also called a digital twin);
  • 6 an example of the influence of the ratio of real to artificial data in a training dataset on the performance of a predictive model;
  • 7 Results of a simplified application example for monitoring and controlling a conditioning process; and
  • 8th a flowchart illustrating a method for training a predictive model to monitor a conditioning process according to an embodiment.

Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft spezifische Einzelheiten und Aspekte dieser Offenbarung zeigen, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann. Es können andere Aspekte genutzt werden und strukturelle, logische und elektrische Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Da einige Aspekte dieser Offenbarung mit einem oder mehreren anderen Aspekten dieser Offenbarung kombiniert werden können, um neue Aspekte zu bilden, schließen sich die verschiedenen Aspekte dieser Offenbarung nicht notwendig gegenseitig aus.The following detailed description refers to the accompanying drawings which show, by way of example, specific details and aspects of this disclosure in which the invention may be practiced. Other aspects may be utilized and structural, logical, and electrical changes may be made without departing from the scope of the invention. Since some aspects of this disclosure may be combined with one or more other aspects of this disclosure to form new aspects, the various aspects of this disclosure are not necessarily mutually exclusive.

Im Folgenden werden verschiedene Beispiele ausführlicher beschrieben.Various examples are described in more detail below.

Das Schleifen von Komponenten (wie es z. B. durch DIN 8589 definiert ist) wird in verschiedene Varianten unterschieden. Der Schleifprozess ist dadurch charakterisiert, dass geometrisch undefinierte Schnittkanten verwendet werden, um Komponenten mit teilweise komplexer Geometrie und hoher Härte (z. B. > 55 HRc) mit hoher Genauigkeit zu verarbeiten.The grinding of components (as defined by DIN 8589, for example) is divided into different variants. The grinding process is characterized by the use of geometrically undefined cutting edges in order to process components with partially complex geometries and high hardness (e.g. > 55 HRc) with high precision.

Schleifenprozesse müssen immer spezifisch in der Weise auf die jeweilige Bearbeitungsaufgabe eingestellt werden, dass die optimale Produktionsqualität und die optimalen Kosten erzielt werden. Die verwendeten Schleifwerkzeuge unterliegen während andauernder Produktionsoperationen allgemein last- und zeitabhängigem Verschleiß. Dieser Verschleiß kann durch schwankende Komponenteneigenschaften wie etwa Dimensionsänderungen oder unterschiedliche Materialeigenschaften (z. B. Härte) verursacht sein. Darüber hinaus verursacht der Verschleißfortschritt z. B. höhere Prozesskräfte, Prozesstemperaturen und/oder Schwingungen. Um eine gleichbleibende Qualität des hergestellten Produkts sicherzustellen, werden Schleifwerkzeuge in regelmäßigen Intervallen konditioniert, was umgangssprachlich als Abrichten bezeichnet wird.Grinding processes must always be specifically adjusted to the respective machining task in such a way that the optimum production quality and the optimum costs are achieved. The grinding tools used are generally subject to load- and time-dependent wear during continuous production operations. This wear can be caused by fluctuating component properties such as dimensional changes or different material properties (e.g. hardness). In addition, the progression of wear causes, for example, higher process forces, process temperatures and/or vibrations. To ensure consistent quality of the manufactured product, grinding tools are conditioned at regular intervals, which is colloquially referred to as dressing.

1 stellt das Konditionieren eines Schleifwerkzeugs (oder Abrichtwerkzeugs) 101, in diesem Beispiel einer Schleifescheibe, dar. 1 represents the conditioning of a grinding tool (or dressing tool) 101, in this example a grinding wheel.

Das Konditionieren ist ein generischer Begriff für die Vorbereitung von Schleifwerkzeugen. Der generische Begriff umfasst die Prozesse des Abrichtens und des Reinigens, wobei das Abrichten ferner in Profilieren und Schärfen unterteilt wird. Das Ziel ist es, das Schleifwerkzeug 101 in einen definierten Zustand (d. h. in der Weise, dass es ein bestimmtes Qualitätskriterium erfüllt) zu versetzen, was die auf das Schleifen bezogene Verarbeitung des Produkts innerhalb der geforderten Toleranzen ermöglicht. Zu diesem Zweck müssen irgendwelche Werkzeuggeometriefehler beseitigt werden, muss die geforderte Schneidfähigkeit erzeugt werden und muss irgendein Verschmieren von den Porenräumen der Schleifscheibe 101 entfernt werden. Der Konditionierungsprozess wird mit einem getrennten Werkzeug 102, dem Konditionierungswerkzeug (oder Abrichtwerkzeug) ausgeführt, und geschieht üblicherweise in einer Folge von Hüben.Conditioning is a generic term for the preparation of grinding tools. The generic term includes the processes of dressing and cleaning, with dressing being further divided into profiling and sharpening. The aim is to bring the grinding tool 101 into a defined state (i.e. such that it meets a certain quality criterion) which enables the grinding-related processing of the product within the required tolerances. For this purpose, any tool geometry errors must be eliminated, the required cutting ability must be generated and any smearing must be removed from the pore spaces of the grinding wheel 101. The conditioning process is carried out with a separate tool 102, the conditioning tool (or dressing tool), and usually occurs in a sequence of strokes.

In dem Beispiel aus 1 ist das Konditionierungswerkzeug 102 eine Richtplatte, wobei es aber ebenfalls ein anderes feststehendes Abrichtwerkzeug (z. B. ein einkörniges oder mehrkörniges Abrichtwerkzeug) oder ein rotierendes Abrichtwerkzeug (wie etwa ein Abrichttopf oder eine Abrichtrolle) sein kann.In the example from 1 the conditioning tool 102 is a surface plate, but it may also be another fixed dressing tool (e.g. a single-grain or multi-grain dressing tool) or a rotating dressing tool (such as a dressing pot or a dressing roller).

Der Konditionierungsprozess ist ein sekundärer Prozess, dem eine hohe Zeitanforderung zugeordnet sein kann, was die Produktivität verringert und die Kosten erhöht. Somit ist es wichtig, den Konditionierungsprozess optimal zu führen und seine Häufigkeit und Dauer auf ein Minimum zu verringern. In der industriellen Produktion sind verschiedene Konzepte zum Ausführen und Überwachen des Konditionierungsprozesses etabliert. Diese sind wie folgt:

  • • Feste Abrichtintervalle, üblicherweise eine Anzahl bearbeiteter Werkstücke, nach denen das Schleifwerkzeug durch Ausführen einer festen Anzahl von Konditionierungswiederholungen konditioniert wird. Sowohl das Intervall, das auf der Anzahl der Werkstücke beruht, als auch die Anzahl der Konditionierungswiederholungen (z. B. Konditionierungs-„Hübe“), die ausgeführt werden, beruhen auf der Erfahrung eines Prozessexperten, die so weit wie möglich alle Schwankungen von dem Prozess, von dem Werkstückmaterial, von Vorprozessen usw. konservativ ausgleichend umfasst. Der Typ und der Bereich der Einstellungsparametervariablen beruhen auf der Erfahrung des jeweiligen Prozessexperten. Falls der Prozessexperte beschränkte Erfahrung hat, z. B. bei der Inbetriebnahme einer neuen Serie von Schleifprozessen, kann der Prozess ineffizient sein oder kann der Einstellprozess zeitaufwendig sein. Außerdem müssen selbst im Fall kleiner Änderungen der Serienprozesse eine große Anzahl von Experimenten erneut ausgeführt werden, indem z. B. die Materialeigenschaften oder das Schneidvolumen geändert werden, um zu möglichen, dass der Prozessexperte den Konditionierungsprozess optimal einstellt.
  • • Zusätzlich zur Erfahrung eines Experten können (lineare oder nichtlineare) Regressionsmodelle verwendet werden, die mögliche Ursachen einer geänderten Konditionierungsqualität auf der Grundlage historischer Daten identifizieren können. In diesen Regressionsmodellen werden üblicherweise nur eindimensionale Beziehungen betrachtet und werden Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Parametern und Einflussfaktoren selten untersucht. Darüber hinaus erfordern entsprechende Regressionsmodelle eine umfassende Datenbank, die eine große Vielfalt verschiedener Abrichtsituationen umfasst.
  • • Verfahren des überwachten oder unüberwachten maschinellen Lernens (ML), die historische Daten der Messung des Konditionierungsprozesses betrachten und mögliche Ursachen einer geänderten Konditionierungsqualität identifizieren können. Diese Verfahren können lineare oder nichtlineare Abhängigkeiten modellieren und werden unter Verwendung eines realen Datensatzes von Beobachtungen mit beschränkter Größe trainiert, die nicht eine Überfülle möglicher Varianten der Messung eines realen Prozesses umfassen.
  • • Die Spezifikation von Prozess- und/oder Qualitätsgrenzwerten (z. B. Prozess- und Konditionierungskräften, Leistung, Temperatur, Fluidströmung oder Qualitätsparametern wie etwa maximale Oberflächenrauheit, obere und untere Komponentendimension usw.), die mittels technischer Systeme (z. B. Sensoren oder Messvorrichtungen) bestimmt werden, werden überwacht (Einhüllendenkurvenprinzip). Falls einer oder mehrere dieser Prozess- oder Qualitätsgrenzwerte verletzt werden, wird ein automatisch oder manuell initiierter Konditionierungsprozess ausgeführt. In diesem Fall kann der Konditionierungsprozess entweder auf der Grundlage der Erfahrung oder variabel auf der Grundlage der Empfehlung des technischen Überwachungssystems ausgeführt werden. Da eine klare Beschreibung und Überwachung von Grenzwerten, insbesondere für komplexe Schleifwerkzeuggeometrien, schwierig sein kann, ist die Definition der Prozess- und/oder Qualitätsgrenzwerte in dem Konditionierungsprozess herausfordernd. Folglich sind eine Vielzahl von Experimenten erforderlich, um die Grenzwerte zu identifizieren.
  • • In Forschungsumgebungen wird eine optische Beobachtung (wie etwa Messung von Graustufen, topographischen Daten oder Rasterelektronenmikroskopie) des Schleifwerkzeugprofils ausgeführt, um feine topographische Informationen der Schleifschicht zu extrahieren. Diese Technologie liefert eine gute Darstellung der realen Topographie, ist aber im Allgemeinen wegen des hohen Messaufwands nicht prozessfähig.
  • • Außerdem wird nur in Forschungsumgebungen eine physikalische Modellierung von Abrichtverfahren ausgeführt, um die Schleifschicht nach dem Abrichten in Abhängigkeit von bestimmten Abrichtparametern vorherzusagen. Da diese Verfahren die Körner auf einer mikroskopischen Ebene modellieren, sind sie einerseits sehr komplex. Andererseits sind die Ergebnisse bisher nicht im industriellen Schleifenprozess anwendbar, da die Eingangsvariablen (wie etwa die Topographie, der genaue Verschleißzustand sowohl des Schleif- als auch des Abrichtwerkzeugs usw.) nicht genau bekannt sind.
The conditioning process is a secondary process that can be time-consuming, which reduces productivity and increases costs. It is therefore important to manage the conditioning process optimally and reduce its frequency and duration to a minimum. In industrial production, various concepts for carrying out and monitoring the conditioning process are established. These are as follows:
  • • Fixed dressing intervals, typically a number of workpieces machined after which the grinding tool is conditioned by performing a fixed number of conditioning iterations. Both the interval based on the number of workpieces and the number of conditioning iterations (e.g. conditioning “strokes”) performed are based on the experience of a process expert, which conservatively compensates as far as possible for all variations in the process, workpiece material, previous processes, etc. The type and range of setting parameter variables are based on the experience of the specific process expert. If the process expert has limited experience, e.g. when starting up a new series of grinding processes, the process may be inefficient or the setting process may be time consuming. In addition, even in the case of small changes to the series processes, a large number of experiments must be re-run, e.g. by changing the material properties or cutting volume, to ensure that the process expert optimally sets the conditioning process.
  • • In addition to the experience of an expert, regression models (linear or non-linear) can be used, which can identify possible causes of a changed conditioning quality based on historical data. In these regression models, usually only one-dimensional relationships are considered and interactions between the various parameters and influencing factors are rarely investigated. In addition, corresponding regression models require a comprehensive database that includes a wide variety of different dressing situations.
  • • Supervised or unsupervised machine learning (ML) methods that can look at historical data of the measurement of the conditioning process and identify possible causes of a change in conditioning quality. These methods can model linear or nonlinear dependencies and are trained using a real dataset of observations of limited size that do not include a profusion of possible variants of the measurement of a real process.
  • • The specification of process and/or quality limits (e.g. process and conditioning forces, power, temperature, fluid flow or quality parameters such as maximum surface roughness, upper and lower component dimensions, etc.) determined by technical systems (e.g. sensors or measuring devices) are monitored (envelope curve principle). If one or more of these process or quality limits are violated, an automatically or manually initiated conditioning process is carried out. In this case, the conditioning process can be carried out either on the basis of experience or variably on the basis of the recommendation of the technical monitoring system. Since While a clear description and monitoring of limit values can be difficult, especially for complex grinding tool geometries, the definition of process and/or quality limits in the conditioning process is challenging. Consequently, a large number of experiments are required to identify the limit values.
  • • In research environments, optical observation (such as grayscale measurement, topographic data or scanning electron microscopy) of the grinding tool profile is performed to extract fine topographic information of the grinding layer. This technology provides a good representation of the real topography, but is generally not process-capable due to the high measurement effort.
  • • In addition, physical modelling of dressing processes is only carried out in research environments to predict the grinding layer after dressing depending on certain dressing parameters. On the one hand, since these processes model the grains at a microscopic level, they are very complex. On the other hand, the results are not yet applicable to the industrial grinding process because the input variables (such as the topography, the exact wear state of both the grinding and dressing tools, etc.) are not precisely known.

Die obigen Konzepte zum Ausführen und Überwachen des Konditionierungsprozesses zum Korrigieren verschleißbezogener und situationsbezogener Prozessergebnisänderungen sollen den Konditionierungsprozess auf der Grundlage der Kenntnis von Prozessexperten oder Prozess- und/oder Qualitätsgrenzwerten mit einer definierten Häufigkeit wiederholen. Allerdings erreichen insbesondere für komplexe Schleifwerkzeuggeometrien, ein sich änderndes Schleifwerkzeugs-Verschleißverhalten oder den Verschleiß des Konditionierungsmerkmals die obigen Konzepte zum Ausführen und Überwachen des Konditionierungsprozesses wegen ihrer starren Implementierung ihre technologischen Grenzen, d. h., wirtschaftliche Einsparpotenziale bleiben ungenutzt.The above concepts for executing and monitoring the conditioning process to correct wear-related and situation-related process result changes are intended to repeat the conditioning process with a defined frequency based on the knowledge of process experts or process and/or quality limits. However, especially for complex grinding tool geometries, changing grinding tool wear behavior or the wear of the conditioning feature, the above concepts for executing and monitoring the conditioning process reach their technological limits due to their rigid implementation, i.e. economic savings potential remains unused.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden Vorgehensweisen zum Verbessern der Effizienz der Konditionierungsprozess-Zustandsdetektion und somit des Konditionierungsprozesses selbst im Fall einer situations- und/oder zeitbezogenen Änderung des Schleifwerkzeugverschleißes beschrieben.According to various embodiments, approaches are described for improving the efficiency of the conditioning process state detection and thus of the conditioning process itself in case of a situation- and/or time-related change in grinding tool wear.

Genauer wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Überwachungssystem 103 (das einen oder mehrere Sensoren umfasst) bereitgestellt und bestimmt eine Steuereinheit 104 unter Verwendung durch das Überwachungssystem 103 bereitgestellter Sensordaten, ob der Konditionierungsprozess angehalten werden sollte.More specifically, according to various embodiments, a monitoring system 103 (including one or more sensors) is provided and a controller 104 determines whether the conditioning process should be stopped using sensor data provided by the monitoring system 103.

Zum Beispiel führt die Steuereinheit 104, z. B. nach jedem Konditionierungshub, einen Soll-Ist-Vergleich der durch das Überwachungssystem 103 aufgezeichneten Sensordaten aus, um zu bestimmen, ob die Schleifwerkzeugoberfläche zuvor definierte Anforderungen erfüllt. Dies ermöglicht:

  • • die Verringerung notwendiger Abrichthübe, was:
    • ◯ die Ausfallzeit verringert und die Produktivität des jeweiligen Bearbeitungsprozesses erhöht;
    • ◯ die Verwendung der Schleifwerkzeugs-Schleifschicht erhöht;
    • ◯ den Abrichtwerkzeugverschleiß verringert.
  • • flexible Reaktion auf Änderungen in der Konditionierungssituation (z. B. auf Änderungen der Materialeigenschaften des Schleifwerkzeugs) und ermöglicht somit, dass der Konditionierungsprozess individuell ausgeführt wird.
For example, the control unit 104 performs a target-actual comparison of the sensor data recorded by the monitoring system 103, e.g. after each conditioning stroke, to determine whether the grinding tool surface meets previously defined requirements. This enables:
  • • the reduction of necessary dressing strokes, which:
    • ◯ reduces downtime and increases the productivity of the respective machining process;
    • ◯ increases the use of the grinding tool abrasive layer;
    • ◯ reduces dressing tool wear.
  • • flexible response to changes in the conditioning situation (e.g. changes in the material properties of the grinding tool) and thus enables the conditioning process to be carried out individually.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen implementiert die Steuereinheit ein Modell 105 für maschinelles Lernen, im Folgenden auch als ein Prädiktor oder Vorhersagemodell bezeichnet, das Sensordaten empfängt, die durch das Überwachungssystem 103 erhalten werden, und aus dieser Eingabe bestimmt („vorhersagt“), ob ein bestimmtes Qualitätskriterium erfüllt ist (d. h., ob das Abrichten angehalten werden kann).According to various embodiments, the controller implements a machine learning model 105, hereinafter also referred to as a predictor or prediction model, which receives sensor data obtained by the monitoring system 103 and determines (“predicts”) from this input whether a certain quality criterion is met (i.e., whether dressing can be stopped).

Ferner werden gemäß verschiedenen Ausführungsformen durch ein Modell 106 für generatives maschinelles Lernen Trainingsdaten zum Trainieren des Vorhersagemodells 105, auch als „digitaler Zwilling“ für den Konditionierungsprozess bezeichnet, erzeugt, d. h., das Modell 106 für generatives maschinelles Lernen wird verwendet, um Trainingsdaten zu erzeugen, die, wie durch den gestrichelten Pfeil in 1 angegeben ist, zum Trainieren des Vorhersagemodells 105 verwendet werden.Furthermore, according to various embodiments, a generative machine learning model 106 generates training data for training the prediction model 105, also referred to as a “digital twin” for the conditioning process, i.e., the generative machine learning model 106 is used to generate training data which, as indicated by the dashed arrow in 1 specified, can be used to train the prediction model 105.

Das Modell 106 für generatives maschinelles Lernen wird selbst unter Verwendung aufgezeichneter Daten von dem Überwachungssystem 103 (und/oder von einem oder mehreren anderen Überwachungssystemen) unter Verwendung generativer Al-Trainingsverfahren trainiert. Dies ermöglicht wiederum die umfangreiche Erzeugung von Konditionierungsprozess-Sensordaten (Überwachungssensordaten) (z. B. Signaltrends), um den Prädiktor 105 so zu trainieren, als ob ein Konditionierungsprozess im digitalen Raum stattfinden würde. Dies ermöglicht, Ineffizienzen eines real erhobenen Datensatzes, hauptsächlich seine beschränkte Variabilität, zu umgehen. Verschiedene Familien ML-überwachter Verfahren zum Trainieren des Prädiktors 105 ziehen Nutzen aus dieser erhöhten Variabilität und Größe des Trainingsdatensatzes. Dies führt zu besserem Training und somit zu besserer Leistungsfähigkeit des Prädiktors 105 (d. h. des Konditionierungsprozess-Zustandsdetektors).The generative machine learning model 106 is itself trained using recorded data from the monitoring system 103 (and/or from one or more other monitoring systems) using generative AI training techniques. This in turn enables the extensive generation of conditioning process (monitoring sensor) data (e.g., signal trends) to train the predictor 105 as if a conditioning process were occurring in the digital space. This makes it possible to circumvent inefficiencies of a real-world dataset, mainly its limited variability. Various families of ML-supervised methods for training the predictor 105 take advantage of this increased variability and size of the training dataset. This leads to better training and thus better performance of the predictor 105 (i.e., the conditioning process state detector).

Zum Beispiel wertet die Steuereinheit 104 unter Verwendung des Prädiktors 105 den Schleifwerkzeugzustand nach jedem einzelnen Konditionierungshub und die Spezifikation eines Abschlusskriteriums (das üblicherweise ein Qualitätskriterium enthält) zum Beenden des Konditionierungsprozesses aus. Der Konditionierungsprozess kann durch einen computergestützten Algorithmus gesteuert werden (der z. B. wenigstens teilweise in der Steuereinheit implementiert wird), der das Aufzeichnen und Bewerten enthält, was insbesondere eine Spezifikation des Abschlusskriteriums (z. B. Qualitätskriteriums) enthalten kann. Der Algorithmus verarbeitet Signale von dem Konditionierungsprozess, um unter Verwendung des Prädiktors 105 eine Vorhersage vorzunehmen. Signalquellen, d. h. Sensoren des Überwachungssystems 103, zum Bereitstellen durch diesen Algorithmus verwendeter Sensordaten können Sensoren zum Bereitstellen von Signalen der akustischen Emission, von Prozesskräften, von Schwingungssignalen wie etwa elektrischer Leistung, elektrischem Strom oder elektrischer Spannung von Antriebskomponenten oder anderer Signale zum Überwachen des Konditionierungsprozesses sein.For example, the control unit 104 evaluates the grinding tool state after each individual conditioning stroke using the predictor 105 and the specification of a termination criterion (which typically includes a quality criterion) for terminating the conditioning process. The conditioning process may be controlled by a computer-based algorithm (e.g., implemented at least partially in the control unit) that includes recording and evaluating, which may in particular include a specification of the termination criterion (e.g., quality criterion). The algorithm processes signals from the conditioning process to make a prediction using the predictor 105. Signal sources, i.e., sensors of the monitoring system 103, for providing sensor data used by this algorithm may be sensors for providing acoustic emission signals, process forces, vibration signals such as electrical power, electrical current or electrical voltage from drive components, or other signals for monitoring the conditioning process.

Die Steuereinheit 105 kann nach jedem Konditionierungshub ein Konditionierungsprozess-Haltsignal ausgeben. In Abhängigkeit von der Art der Aktion und von der Reife der Konditionierungsprozessüberwachung auf der Grundlage des Algorithmus (z. B. hinsichtlich des Trainings des Prädiktors 105) können irgendwelche Steuerungen durch einen Prozessexperten vollständig weggelassen werden. Zusätzlich zu der Messauflösung der Sensoren hängt dies von der Lernbewertung der Sensordaten in Korrelation mit vorhandenen Qualitätsdaten ab.The control unit 105 may issue a conditioning process stop signal after each conditioning stroke. Depending on the type of action and on the maturity of the conditioning process monitoring based on the algorithm (e.g. with regard to the training of the predictor 105), any controls by a process expert may be omitted entirely. In addition to the measurement resolution of the sensors, this depends on the learning evaluation of the sensor data in correlation with existing quality data.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird das Folgende ausgeführt:

  • • Während des Konditionierungsprozesses werden Prozesssignale (d. h. Sensordaten) über mehrere Sensoren (z. B. des Überwachungssystems 103 oder eines anderen Überwachungssystems) aufgezeichnet.
  • • Die Prozesssignale werden digitalisiert, vorverarbeitet und daraufhin in charakteristische Merkmale umgesetzt (wobei z. B. durch die Steuereinheit 104 eine entsprechende Vorverarbeitung ausgeführt wird).
  • • Diese Merkmale dienen als ein Bild des Konditionierungsprozesses und ein durch überwachtes Lernen trainiertes Vorhersagemodell (z. B. der Prädiktor 105) macht aus diesen Merkmalen eine Aussage (Vorhersage), ob der Konditionierungsprozess fortgesetzt oder angehalten werden sollte.
According to various embodiments, the following is carried out:
  • • During the conditioning process, process signals (ie, sensor data) are recorded via multiple sensors (e.g., the monitoring system 103 or another monitoring system).
  • • The process signals are digitized, preprocessed and then converted into characteristic features (whereby, for example, appropriate preprocessing is carried out by the control unit 104).
  • • These features serve as a picture of the conditioning process, and a prediction model trained by supervised learning (e.g., predictor 105) uses these features to make a statement (prediction) as to whether the conditioning process should be continued or stopped.

Genauer beruht eine Prozedur oder ein Algorithmus für die Konditionierungsprozessüberwachung und Konditionierungsprozesssteuerung gemäß verschiedenen Ausführungsformen auf der Verwendung statistischer Verfahren oder Verfahren der ML in drei Phasen, wie sie in 2 dargestellt sind.More specifically, a procedure or algorithm for conditioning process monitoring and conditioning process control according to various embodiments is based on the use of statistical or ML methods in three phases as described in 2 are shown.

2 zeigt einen Ablaufplan 200, der eine Prozedur für die Konditionierungssteuerung darstellt. 2 shows a flow chart 200 representing a procedure for conditioning control.

In einer ersten Phase 201 wird der digitale Zwilling 106 des realen Konditionierungsprozesses, wie er durch die durch ein Überwachungssystem (z. B. Sensoren) erhaltenen aufgezeichneten Daten dargestellt ist, unter Verwendung einer Vorgehensweise der generativen AI trainiert.In a first phase 201, the digital twin 106 of the real conditioning process, as represented by the recorded data obtained by a monitoring system (e.g. sensors), is trained using a generative AI approach.

In einer zweiten Phase 202 wird das Konditionierungsprozess-Überwachungssystem (d. h. der Prädiktor 105) unter Verwendung realer und künstlich erzeugter Daten durch den digitalen Zwilling trainiert und fortlaufend verwendet.In a second phase 202, the conditioning process monitoring system (i.e., the predictor 105) is trained and continuously used by the digital twin using real and artificially generated data.

In einer dritten Phase 203 wird der trainierte Prädiktor 105 für die Überwachung des Konditionierungsprozesses verwendet. Dafür müssen die zwei ersten Phasen wenigstens teilweise ausgeführt worden sein, wobei sie aber fortgesetzt werden können, um die Robustheit des Prädiktors 105 zu erhöhen.In a third phase 203, the trained predictor 105 is used to monitor the conditioning process. For this, the first two phases must have been at least partially executed, although they can be continued to increase the robustness of the predictor 105.

Die erste Phase 201 umfasst die Datenerfassung 204, die Signalanalyse und die Merkmalsextraktion 205, das Training 206 des Modells für generatives maschinelles Lernen und die Beurteilung (oder Bewertung) 207 des Modells für generatives maschinelles Lernen. Diese Schritte sind im Folgenden ausführlicher beschrieben.The first phase 201 includes data collection 204, signal analysis and feature extraction 205, training 206 of the generative machine learning model, and evaluating (or evaluating) 207 the generative machine learning model. These steps are described in more detail below.

Schritt 204: Datenerfassung (der Trainingsphase des generativen Modells)Step 204: Data collection (the training phase of the generative model)

Die Datenerfassung umfasst die Verwendung einer Messkette aus Sensoren, Ladungsverstärkern, Filtern und Analog/Digital-Umsetzern, um Sensordaten über den Konditionierungsprozess zu erfassen. In Abhängigkeit von dem Objekt bzw. der Prozesserscheinung für die Überwachung können unterschiedlich Sensoren (z. B. Sensoren für die Detektion akustischer Emission, Kraft, Schwingung, sowie der elektrischen Leistung, des elektrischen Stroms oder der elektrischen Spannung von Antriebskomponenten sowie andere geeignete Sensoren) verwendet werden (wobei dies aber nicht notwendig ist). Die entsprechenden Messsignale der Sensoren werden (bei Bedarf) verstärkt und gefiltert, bevor sie (falls sie analog sind) in Übereinstimmung mit dem WKS-Abtasttheorem mit einem Analog/Digital-Umsetzer digitalisiert werden. Im Fall der Konditionierungsprozessüberwachung und Konditionierungsprozesssteuerung können vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, Signale der akustischen Emission, elektrischen Leistung, Schwingung und Stromstärke verwendet werden. Die Abtastrate des Signals der akustischen Emission kann vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, 0,1 bis 2 MHz sein und die Abtastrate der elektrischen Leistung und des elektrischen Stroms kann vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, 50 bis 100 kHz sein. Der Sensor für akustische Emission und der Schwingungssensor sollten so nahe wie möglich an der Kontaktzone zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Abrichtwerkzeug montiert sein. Darüber hinaus sollte die Anzahl von Kopplungspunkten zwischen Komponenten (z. B. Lagern, Schraubenverbindungen) so niedrig wie möglich sein. Mögliche Positionen sind in oder an der Werkzeugspindel, in oder an der Werkstückspindel, an dem Reitstock oder an dem Werkzeugspindel- bzw. bei dem Reitstockzentrierpunkt oder anderen Komponenten. Die elektrische Leistung und der elektrische Strom sollten an den drei Leitern des Werkzeugs 101, des Abrichters 102 und/oder der Werkstückspindel gemessen werden.Data acquisition involves the use of a measurement chain of sensors, charge amplifiers, filters and analog-to-digital converters to collect sensor data about the conditioning process. Depending on the object or process phenomenon for monitoring, different sensors (e.g. sensors for detecting acoustic emission, force, vibration, and the electrical power, current or voltage of drive components, as well as other suitable sensors) may be used (but this is not necessary). The corresponding measurement signals from the sensors are amplified and filtered (if necessary) before being digitized (if analogue) with an analogue-to-digital converter in accordance with the WKS sampling theorem. In the case of conditioning process monitoring and conditioning process control, acoustic emission, electrical power, vibration and current signals may preferably, but not exclusively, be used. The sampling rate of the acoustic emission signal may preferably, but not exclusively, be 0.1 to 2 MHz and the sampling rate of the electrical power and current may preferably, but not exclusively, be 50 to 100 kHz. The acoustic emission sensor and the vibration sensor should be mounted as close as possible to the contact zone between the grinding tool and the dressing tool. In addition, the number of coupling points between components (e.g. bearings, screw connections) should be as low as possible. Possible locations are in or on the tool spindle, in or on the work spindle, on the tailstock or at the tool spindle or tailstock center point or other components. The electrical power and current should be measured on the three conductors of the tool 101, the dresser 102 and/or the work spindle.

Schritt 205: Signalanalyse und Merkmalsextraktion (der Trainingsphase des generativen Modells)Step 205: Signal analysis and feature extraction (the training phase of the generative model)

Die Signalbewertung umfasst die Verarbeitung der erfassten Sensordaten, d. h. der Sensorrohmesssignale. Zu diesem Zweck werden diese nach Bedarf in der Weise angepasst, dass der Messbereich von Interesse ist. Für die Bewertung der Sensorrohmesssignale können unterschiedliche Verfahren verwendet werden, die eine Transformation des Signals in dem Zeit- und in dem Frequenzbereich enthalten können, um die Rohdaten auf sich wesentlich ändernde Variablen zu reduzieren.Signal evaluation involves processing the recorded sensor data, i.e. the raw sensor measurement signals. For this purpose, these are adapted as required in such a way that the measurement range is of interest. Different methods can be used to evaluate the raw sensor measurement signals, which can include a transformation of the signal in the time and frequency domain in order to reduce the raw data to significantly changing variables.

3 zeigt ein typisches Signal von einem AE-Sensor (Sensor für akustische Emission), das einem Sensordatenelement entspricht und weiterverarbeitet wird, um einen Merkmalssatz zu extrahieren. 3 shows a typical signal from an acoustic emission sensor (AE sensor), corresponding to a sensor data item, which is further processed to extract a feature set.

4 stellt eine auf die Sensordaten aus 3 angewendete Signalanalyseprozedur dar, die die Konstruktion einer Niederfrequenzeinhüllenden 401 des Signals und die Detektion des Signalteils 402, der sich auf den Konditionierungsprozess bezieht, (auch als Konditionierungszone bezeichnet) umfasst. 4 issues a response to the sensor data 3 applied signal analysis procedure, which includes the construction of a low frequency envelope 401 of the signal and the detection of the signal part 402 related to the conditioning process (also referred to as the conditioning zone).

Das Sensorsignal in der Konditionierungszone 402 kann z. B. einem Konditionierungshub (oder einer anderen Einheit des Konditionierungsprozesses) entsprechen. Wenn die tatsächliche Überwachung erfolgt, werden Merkmale pro Konditionierungshub abgeleitet und pro Konditionierungshub bewertet.For example, the sensor signal in the conditioning zone 402 may correspond to a conditioning stroke (or other unit of the conditioning process). When actual monitoring is performed, features are derived per conditioning stroke and evaluated per conditioning stroke.

Nachdem die Konditionierungszone 402 durch den Algorithmus detektiert worden ist, wird die Merkmalsextraktion durchgeführt, d. h. werden Werte von Merkmalen (z. B. statistischen Merkmalen) eines Merkmalssatzes bestimmt. Der Merkmalssatz umfasst z. B. statistische Charakteristiken des Konditionierungssignals (wie etwa rollender Mittelwert, Standardabweichung, Minimum, Maximum, Schiefe, Wölbung, Absolutwert usw. und ihre Zusammensetzungen). Durch einen Prozessexperten werden manuell Etiketten vorbereitet, die den optimalen Halt des Konditionierungsprozesses bezeichnen. Das heißt, dass der Satz von Merkmalswerten (wie etwa Mittelwert usw.), die von dem einem Konditionierungshub entsprechenden Sensorsignal abgeleitet sind, mit einem Etikett versehen wird, das angibt, ob die Konditionierung nach diesem Konditionierungshub (oder einer anderen Einheit des Konditionierungsprozesses) abgeschlossen werden sollte oder stattdessen fortgesetzt werden sollte. Jeder Satz von Merkmalswerten und einem Etikett bildet ein Trainingsdatenelement.After the conditioning zone 402 has been detected by the algorithm, feature extraction is performed, i.e., values of features (e.g., statistical features) of a feature set are determined. The feature set includes, e.g., statistical characteristics of the conditioning signal (such as rolling mean, standard deviation, minimum, maximum, skewness, kurtosis, absolute value, etc. and their compositions). Labels indicating the optimal stop of the conditioning process are manually prepared by a process expert. That is, the set of feature values (such as mean, etc.) derived from the sensor signal corresponding to a conditioning stroke is provided with a label indicating whether the conditioning should be terminated after this conditioning stroke (or another unit of the conditioning process) or should instead be continued. Each set of feature values and a label forms a training data item.

Schritt 206: Trainieren des generativen Al-Modells 106Step 206: Training the generative AI model 106

Das generative Al-Modell 106 wird auf der Grundlage der Trainingsdatenelemente trainiert, um für verschiedene Etiketten künstliche Trainingsdaten, d. h. Sensordatenelemente (wie etwa eine wie in 3 gezeigte Zeitreihe, aus der daraufhin Merkmale als Trainingseingangsdaten für den Prädiktor extrahiert werden können), zu erzeugen. Das Training wird mittels eines ML-Trainingsalgorithmus in Übereinstimmung mit dem verwendeten generativen ML-Modell ausgeführt, das z. B. ein Generative Adversarial Network (GAN), ein Variational Autoencoder (VAE), Variational Recurrent Autoencoders, rekurrente neurale Netze oder ihre konditionalen Gegenstücke sein kann. Diese Vorgehensweise schließt die Anwendung tiefer Al-Architekturen, um eine effiziente latente Variablendarstellung des betrachteten Prozesses und nichtlineare Abbildung von dieser Darstellung zu beobachteten Daten zu erfassen, ein. Eine rekurrente Struktur von Konfigurationen neuronaler Netze ermöglicht die Aufnahme zeitlicher Abhängigkeiten über Zeitschritte. Dies führt zur Modellierung eines nichtlinearen Verhaltens betrachteter Zeitreihenmessdaten des realen beobachteten Prozesses. Ein konditionaler Typ eines generativen Al-Modells kann verwendet werden, falls es von Interesse ist, einen digitalen Zwilling 106 zu lernen, der gemäß den gewünschten Notwendigkeiten parametrisiert ist, um zusätzliche Trainingsdatenelemente und somit einen künstlichen Trainingsdatensatz mit spezifizierten Charakteristiken, z. B. Punkten, die das Abrichtprozess-Haltsignalerscheinen oder erforderte Spezifika der beobachteten Struktur und Dynamik der betrachteten Messdaten bezeichnen, zu erzeugen. Somit kann der erhaltene digitale Zwilling 106 zum Erzeugen von Datensätzen in Übereinstimmung mit probabilistischen Verteilungen verwendet werden, die für das weitere erfolgreiche Training des überwachten Klassifizierers von Interesse sind, um den Umgang mit hochvariablen Messdaten des realen Prozesses vorzubereiten.The generative AI model 106 is trained on the basis of the training data items to generate artificial training data for different labels, ie sensor data items (such as a 3 shown time series, from which features can then be extracted as training input data for the predictor). The training is carried out using an ML training algorithm in accordance with the generative ML model used, which can be e.g. a Generative Adversarial Network (GAN), a Variational Autoencoder (VAE), Variational Recurrent Autoencoders, recurrent neural networks or their conditional counterparts. This approach includes the application of deep AI architectures to capture an efficient latent variable representation of the process under consideration and nonlinear mapping from this representation to observed data. A recurrent structure of neural network configurations enables the inclusion of temporal dependencies over time steps. This leads to the modeling of a nonlinear behavior of considered time series measurement data of the real observed process. A conditional type of generative Al model may be used if it is of interest to learn a digital twin 106 parameterized according to the desired needs to generate additional training data items and thus an artificial training data set with specified characteristics, e.g. points indicating the dressing process stop signal appearance or required specifics of the observed structure and dynamics of the considered measurement data. Thus, the obtained digital twin 106 can be used to generate data sets in accordance with probabilistic distributions of interest for further successful training of the supervised classifier in order to prepare for dealing with highly variable measurement data of the real process.

Somit werden durch einen Experten (d. h. einen oder mehrere Experten) etikettierte Zeitreihendaten (wie die in 3 gezeigten) verwendet, um (mittels Verwendung eines konditionalen generativen Modells) eine generative AI zu trainieren, die einen digitalen Zwilling des Produktionsprozesses bildet.Thus, time series data labelled by an expert (i.e. one or more experts) (such as those in 3 shown) to train (using a conditional generative model) a generative AI that creates a digital twin of the production process.

5 zeigt ein Beispiel künstlicher Sensordaten, die durch den digitalen Zwilling 106 erzeugt werden. 5 shows an example of artificial sensor data generated by the digital twin 106.

Ein erstes Diagramm 501 zeigt die Entwicklung des Konditionsprozesses (hinsichtlich Sensordaten der akustischen Emission in Absolutwerten). Der Index des Konditionierungshubs ist entlang der y-Achse gegeben. Die Zeit in Sekunden ist entlang der x-Achse gegeben. Die Linie 503 gibt den (durch ein durch einen Experten definiertes Etikett spezifizierten) optimalen Halt der Konditionierung an. Somit ist jede in dem ersten Diagramm 501 gezeigte Zeile (d. h. die Werte für jeden Konditionierungshub) ein durch den digitalen Zwilling 106 erzeugtes Sensordatenelement, wobei der digitale Zwilling 106 die Sensordatenelemente einschließlich eines Sensordatenelements für einen Hub, bei dem die Konditionierung angehalten werden sollte oder kann, und Sensordatenelemente für Hübe, bei denen die Konditionierung fortgesetzt werden sollte, bereitstellt. Zum Beispiel kann das generative Modell zum Erzeugen von Sensordaten, die in einem spezifischen Hub konditioniert sind, bei dem die Konditionierung angehalten werden sollte, (d. h. einem „Haltehub“) trainiert und betrachtet werden, d. h., es erzeugt den gesamten Abschnitt der Abrichtzyklus-Sensordaten (die gesamte Folge von Hüben innerhalb desselben Abrichtzyklus) für den spezifischen Haltehub. Dementsprechend wird das Etikett des durch die Linie 503 (Hub 10) markierten Sensordatenelements, das in diesem Beispiel der Haltehub ist, so eingestellt, dass es angibt, dass der Konditionierungsprozess angehalten werden sollte, während das Etikett für die Hübe 0 bis 9 so eingestellt wird, dass es angibt, dass die Konditionierung fortgesetzt werden sollte. Für die Hübe 11 bis 20 kann das Etikett ebenfalls so eingestellt werden, das es angibt, dass die Konditionierung angehalten werden sollte.A first diagram 501 shows the evolution of the conditioning process (in terms of acoustic emission sensor data in absolute values). The index of the conditioning stroke is given along the y-axis. The time in seconds is given along the x-axis. The line 503 indicates the optimal stop of the conditioning (specified by a label defined by an expert). Thus, each row shown in the first diagram 501 (i.e., the values for each conditioning stroke) is a sensor data item generated by the digital twin 106, where the digital twin 106 provides the sensor data items including a sensor data item for a stroke at which the conditioning should or can be stopped and sensor data items for strokes at which the conditioning should be continued. For example, the generative model can be trained and viewed to generate sensor data conditioned in a specific stroke at which the conditioning should be stopped (i.e., a “hold stroke”), i.e. i.e., it generates the entire section of dressing cycle sensor data (the entire sequence of strokes within the same dressing cycle) for the specific holding stroke. Accordingly, the label of the sensor data item marked by line 503 (stroke 10), which in this example is the holding stroke, is set to indicate that the conditioning process should be stopped, while the label for strokes 0 through 9 is set to indicate that conditioning should continue. For strokes 11 through 20, the label can also be set to indicate that conditioning should be stopped.

Ein zweites Diagramm 502 zeigt den Absolutwert (entlang der y-Achse gegeben) im Zeitverlauf (entlang der x-Achse in Sekunden gegeben) für den Konditionierungshub 1 (punktierte Linie), für den Konditionierungshub 10 (Strichlinie) und für den Konditionierungshub 20 (durchgezogene Linie).A second diagram 502 shows the absolute value (given along the y-axis) over time (given along the x-axis in seconds) for conditioning stroke 1 (dotted line), for conditioning stroke 10 (dashed line) and for conditioning stroke 20 (solid line).

Schritt 207: Beurteilung/Bewertung des generativen Modells 207Step 207: Assessment/evaluation of the generative model 207

Auf der Grundlage eines Testdatensatzes kann eine abschließende Auswahl ausgeführt werden, welche Konfiguration der generativen AI zu dem besten digitalen Zwilling 106 mit ausreichender Entsprechung zu dem wie durch die gemessenen Sensordaten dargestellten realen Konditionierungsprozess führt. Auf diese Weise wird schließlich unter Berücksichtigung zufälliger Einflüsse die Relevanz (d. h. Qualität) des generativen Modells bewertet und wird das beste Modell als digitaler Zwilling 106 gespeichert. Die Bewertung, welches generative Modell mit welchen Hyperparametern die beste Leistungsfähigkeit bereitstellt, kann z. B. durch Vergleichsprüfung unter Verwendung der unteren Schranke der Evidenz erfolgen, wobei in Abhängigkeit von der geforderten Steuerung der Qualität des digitalen Zwillings ebenfalls unterschiedliche Metriken (z. B. korrelationsbasierte Metriken einschließlich Pearson-, Spearman-Rang-Korrelationen mittlerer quadratischer Fehler, maximaler Fehler, angepasste Metriken, die zeigen, ob in den künstlich erzeugten Daten die richtige Prozessentwicklung erhalten ist) angewendet werden können.Based on a test data set, a final selection can be made as to which configuration of the generative AI leads to the best digital twin 106 with sufficient correspondence to the real conditioning process as represented by the measured sensor data. In this way, the relevance (i.e. quality) of the generative model is finally assessed, taking random influences into account, and the best model is saved as digital twin 106. The assessment of which generative model with which hyperparameters provides the best performance can be done, for example, by comparative testing using the lower bound of the evidence, whereby, depending on the required control of the quality of the digital twin, different metrics (e.g. correlation-based metrics including Pearson, Spearman rank correlations, mean square errors, maximum errors, adapted metrics that show whether the correct process development is preserved in the artificially generated data) can also be applied.

Die zweite Phase 202 umfasst die Erzeugung künstlicher Sensordaten unter Verwendung des digitalen Zwillings 208, die Kombination der künstlichen Sensordaten mit realen (gemessenen) Sensordaten 209, die Vorbereitung von Merkmalen 210, das Training des Vorhersagemodells 211 und die Beurteilung (d. h. Bewertung) des Vorhersagemodells 212. Diese Schritte sind im Folgenden ausführlicher beschrieben.The second phase 202 includes generating artificial sensor data using the digital twin 208, combining the artificial sensor data with real (measured) sensor data 209, preparing features 210, training the predictive model 211, and evaluating (i.e., evaluating) the predictive model 212. These steps are described in more detail below.

Schritt 208: Erzeugung künstlicher Sensordaten unter Verwendung des digitalen Zwillings 106Step 208: Generating artificial sensor data using the digital twin 106

Der digitale Zwilling (d. h. das in der ersten Phase 201 in den Schritten 206 und 207 erzeugte geeignete parametrisierte generative Modell) für den Konditionierungsprozess eines Schleifwerkzeugs 102 (hinsichtlich der erzeugten Sensordaten) wird verwendet, um künstliche Sensordaten spezifizierter Größen und Eigenschaften zu erzeugen, was wegen des konditionalen Typs des zugrundeliegenden generativen Al-Modells möglich ist. In Abhängigkeit von dem verwendeten generativen Modell kann dies durch Abtasten von einem latenten Raum und dadurch, das veranlasst wird, dass das generative Modell aus dem Abtastwert ein Sensordatenelement (wie das in 3 gezeigte) erzeugt, erfolgen. Im Fall eines konditionalen generativen Modells (wie etwa eines konditionalen GAN) kann in das generative Modell ebenfalls eine Spezifikation einer gewünschten Charakteristik des erzeugten Sensordatenelements eingegeben werden. Die gewünschte Charakteristik kann ebenfalls das Etikett sein, für das ein Sensordatenelement erzeugt werden sollte, d. h., welches Sensordatenelement in einer Folge von Sensordatenelementen (die einer Konditionierung entspricht) dasjenige ist, bei dem die Konditionierung angehalten werden sollte.The digital twin (i.e. the appropriate parameterized generative model generated in the first phase 201 in steps 206 and 207) for the conditioning process of a grinding tool 102 (with respect to the generated sensor data) is used to generate artificial sensor data of specified sizes and properties, which is possible due to the conditional type of the underlying generative AI model. Depending on the generative model used, this can be done by sampling from a latent space and causing the generative model to generate a sensor data item (such as the one in 3 shown). In the case of a conditional generative model (such as a conditional GAN), the generative model may also be input with a specification of a desired characteristic of the generated sensor data item. The desired characteristic may also be the label for which a sensor data item should be generated, ie, which sensor data item in a sequence of sensor data items (corresponding to a conditioning) is the one at which the conditioning should stop.

Schritt 209: Kombination künstlicher Sensordaten mit realen SensordatenStep 209: Combining artificial sensor data with real sensor data

Zur Vorbereitung eines Trainingsdatensatzes werden reale (d. h. gemessene) Sensordaten mit den künstlichen Daten in Übereinstimmung mit einem spezifizierten Anteil (oder mehreren Anteilen, falls verschiedene versucht werden sollten) kombiniert. Somit werden reale Sensordaten mit beschränkter Größe und Variabilität durch die (durch den digitalen Zwilling 106 dargestellten) Sensordaten des digitalen Konditionierungsprozesses angereichert. Dies führt zu der Erfüllung der Notwendigkeiten von ML-Trainingsverfahren zum Trainieren unter Verwendung von Datensätzen mit ausreichend repräsentativen Eigenschaften. Zum Beispiel kann der Testdatensatz für den Prädiktor 105 nur reale Sensordaten enthalten.To prepare a training dataset, real (i.e. measured) sensor data is combined with the artificial data in accordance with a specified proportion (or multiple proportions, if different ones should be tried). Thus, real sensor data with limited size and variability is enriched by the sensor data (represented by the digital twin 106) of the digital conditioning process. This leads to fulfilling the needs of ML training methods to train using datasets with sufficiently representative properties. For example, the test dataset for the predictor 105 may contain only real sensor data.

Schritt 210: Vorbereitung von MerkmalenStep 210: Preparing features

Für jedes reale und künstliche Sensordatenelement (wie die in 3 gezeigten) wird ein Merkmalssatz (als Trainingseingabe eines jeweiligen Trainingsdatenelements) extrahiert. Dieser Merkmalssatz umfasst statistische Charakteristiken des Konditionierungssensorsignals des Sensordatenelements (wie etwa rollender Mittelwert, Standardabweichung, Minimum, Maximum, Schiefe, Wölbung, Absolutwert usw. und ihre Zusammensetzungen). (Dieser Schritt kann ebenfalls ausgeführt werden, bevor in Schritt 209 Trainingsdatensätze in Übereinstimmung mit verschiedenen Anteilen künstlicher und realer Sensordaten gebildet werden.)For each real and artificial sensor data element (such as the 3 shown), a feature set is extracted (as training input of each training data item). This feature set includes statistical characteristics of the conditioning sensor signal of the sensor data item (such as rolling mean, standard deviation, minimum, maximum, skewness, kurtosis, absolute value, etc. and their compositions). (This step may also be performed before forming training data sets in accordance with different proportions of artificial and real sensor data in step 209.)

Schritt 211: Training des Vorhersagemodells 105Step 211: Training the prediction model 105

Das Vorhersagemodell 105 wird vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, mittels eines ML-Algorithmus wie etwa Repräsentationslerntechniken, Merkmalswichtigkeitsschätzung und Merkmalsauswahlalgorithmen, überwachter Vorgehensweisen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Architekturen des tiefen Lernens und Ensembleverfahren, trainiert. Da der digitale Zwilling 106 die flexible Erzeugung von Konditionierungsprozess-Sensordaten (für gewünschte Etiketten, d. h. mit anderen Worten, für gewünschte Klassen) ermöglicht, können in diesem Schritt unter Verwendung des überwachten Trainings pro jeden Anteil realer und künstlicher Daten in den in den Schritten 209 und 210 vorbereiteten Trainingsdatensätzen ein oder mehrere ML-Modelle trainiert werden. Die Änderung dieses Anteils beeinflusst die Leistungsfähigkeit der resultierenden Modelle. Die Anwendung durch den digitalen Zwilling erzeugter Daten verbessert die Leistungsfähigkeit von Trainingsroutinen für verschiedene Familien überwachter ML-Algorithmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Entscheidungsbäumen, vollständig verbundenen neuronalen Netzen und neuronalen Faltungsnetzen, Ensembleverfahren.The prediction model 105 is preferably, but not exclusively, trained using an ML algorithm such as representation learning techniques, feature importance estimation and feature selection algorithms, supervised approaches including, but not limited to, deep learning architectures and ensemble methods. Since the digital twin 106 enables the flexible generation of conditioning process sensor data (for desired labels, i.e., in other words, for desired classes), in this step one or more ML models can be trained using supervised training per each proportion of real and artificial data in the training data sets prepared in steps 209 and 210. Changing this proportion influences the performance of the resulting models. Applying data generated by the digital twin improves the performance of training routines for various families of supervised ML algorithms including, but not limited to, decision trees, fully connected neural networks and convolutional neural networks, ensemble methods.

6 zeigt ein Beispiel des Einflusses des Verhältnisses realer zu künstlicher Daten in dem Trainingsdatensatz (entlang der x-Achse angegeben) auf die Leistungsfähigkeit des trainierten Vorhersagemodells hinsichtlich der Spearman-Korrelation (entlang der y-Achse angegeben; falls jede der Variablen eine perfekt monotone Funktion der anderen ist, tritt eine perfekte Spearman-Korrelation von +1 oder -1 auf) zwischen der Ausgabe des ML-basierten Detektors (d. h. unter Verwendung des trainierten Prädiktors) zum Anhalten des Konditionierungsprozesses und Etiketten durch einen Prozessexperten. 6 shows an example of the influence of the ratio of real to artificial data in the training dataset (indicated along the x-axis) on the performance of the trained predictive model in terms of the Spearman correlation (indicated along the y-axis; if each of the variables is a perfectly monotonic function of the other, a perfect Spearman correlation of +1 or -1 occurs) between the output of the ML-based detector (i.e., using the trained predictor) to halt the conditioning process and labels by a process expert.

Die Strichlinie 601 gibt die Leistungsfähigkeit für die Nutzung nur realer Sensordaten an. Der obere Graph 602 ist für einen 10-fachen Vergleichsprüfungs-Trainingsdurchschnitt und der untere Graph 603 ist für einen 10-fachen Vergleichsprüfungs-Testdurchschnitt.The dashed line 601 indicates the performance for using only real sensor data. The upper graph 602 is for a 10-fold benchmark training average and the lower graph 603 is for a 10-fold benchmark test average.

Wie zu sehen ist, führte die Hinzunahme eines mäßigen Volumens künstlicher Daten zur Erhöhung der Qualität des Prädiktors 105, während die Hinzunahme von zu viel künstlichen Daten zu einer Verschlechterung der Qualität führte, da künstliche Daten unvollkommen sind und ihr inhärentes Rauschen die von der Variabilität kommenden Vorteile überstieg.As can be seen, adding a moderate amount of artificial data increased the quality of the predictor 105, while adding too much artificial data resulted in a deterioration in quality because artificial data are imperfect and their inherent noise exceeded the benefits from variability.

Schritt 212: Beurteilung und Bewertung des Vorhersagemodells 105Step 212: Assessment and evaluation of the prediction model 105

Falls mehrere Prädiktoren (einschließlich der Verwendung unterschiedlicher Anteile realer und künstlicher Daten) trainiert worden sind, kann auf der Grundlage eines Testdatensatzes eine Auswahl ausgeführt werden, welches prädiktive Modell für die gegebenen Prozessgrenzbedingungen zu der besten Leistungsfähigkeit führt. Auf diese Weise wird schließlich die Relevanz (und somit Qualität) des Vorhersagemodells unter Berücksichtigung zufälliger Einflüsse bewertet und das beste Modell gespeichert und als Prädiktor 105 in die Steuereinheit 104 eingegeben. Die Bewertung, welches Vorhersagemodell mit welchen Hyperparametern die beste Leistungsfähigkeit bereitstellt, kann durch Vergleichsprüfung mit verschiedenen Metriken (z. B. Spearman-Rang-Korrelation, Kendall-Rang-Korrelation, Genauigkeit, ausgeglichene Genauigkeit, F-Score, ROC-AUC, R2-Wert, erläuterte Varianz, maximaler Fehler) erfolgen. Die Anwendung der Schritte 211 und 212 führt zur Bestimmung des optimalen Anteils realer zu künstlichen Daten in dem Trainingsdatensatz.If several predictors have been trained (including using different proportions of real and artificial data), a selection can be made on the basis of a test data set as to which predictive model is best for the given process boundary conditions leads to the best performance. In this way, the relevance (and thus quality) of the prediction model is finally assessed taking random influences into account and the best model is stored and entered into the control unit 104 as a predictor 105. The evaluation of which prediction model with which hyperparameters provides the best performance can be done by comparing with various metrics (e.g. Spearman rank correlation, Kendall rank correlation, accuracy, balanced accuracy, F-score, ROC-AUC, R 2 value, explained variance, maximum error). The application of steps 211 and 212 leads to the determination of the optimal proportion of real to artificial data in the training data set.

Die dritte Phase 202 umfasst die Datenerfassung 213, die Signalanalyse und Merkmalsextraktion 214 und die Anwendung des trainierten Vorhersagemodells 215. Diese Schritte sind im Folgenden ausführlicher beschrieben.The third phase 202 includes data collection 213, signal analysis and feature extraction 214, and application of the trained prediction model 215. These steps are described in more detail below.

Schritt 213: Datenerfassung zur Überwachung eines Konditionierungsprozesses Dies entspricht dem Schritt 204. Die z. B. durch das Überwachungssystem 103 ausgeführte Datenerfassung umfasst die Messkette, die aus Sensoren, Ladungsverstärkern, Filtern und Analog/Digital-Umsetzung besteht. In Abhängigkeit von dem Objekt oder den Objekten, die überwacht werden, können unterschiedliche Sensoren (z. B. Sensoren für die Detektion von Körperschall, Kraft, Schwingung sowie der elektrischen Leistung, des elektrischen Stroms und der elektrischen Spannung von Antriebskomponenten sowie andere geeignete Sensoren) verwendet werden. Die entsprechenden Messsignale der Sensoren werden (nach Bedarf) verstärkt und gefiltert, bevor sie (falls sie analog sind) mit einem Analog/Digital-Umsetzer in Übereinstimmung mit dem WKS-Abtasttheorem digitalisiert werden. Im Fall der Konditionierungsprozessüberwachung und Konditionierungsprozesssteuerung können vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, Körperschallsignale, elektrische Leistung, Schwingung und Stromstärke verwendet werden. Die Abtastrate des Körperschallsignals sollte vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, 1 bis 2 MHz sein und die Abtastrate der elektrischen Leistung und des Stroms sollte vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, 50 bis 100 kHz sein. Der Körperschallsensor und der Schwingungsschallsensor sollten sie nahe wie möglich an der Kontaktzone zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück montiert sein. Darüber hinaus sollte die Anzahl von Kopplungspunkten zwischen Komponenten (z. B. Lagern, Schraubverbindungen) so niedrig wie möglich sein. Mögliche Positionen sind in oder an der Werkzeugspindel, in oder an der Werkstückspindel, an dem Reitstock oder an dem Werkzeugspindel- bzw. bei dem Reitstockzentrierpunkt oder anderen Komponenten. Die elektrische Leistung und der elektrische Strom sollten an den drei Leitern der Werkzeug- und/oder Werkstückspindel gemessen werden.Step 213: Data acquisition for monitoring a conditioning process This corresponds to step 204. The data acquisition carried out, for example, by the monitoring system 103 comprises the measurement chain consisting of sensors, charge amplifiers, filters and analog/digital conversion. Depending on the object or objects being monitored, different sensors (e.g. sensors for detecting structure-borne sound, force, vibration as well as the electrical power, electrical current and electrical voltage of drive components as well as other suitable sensors) can be used. The corresponding measurement signals of the sensors are amplified and filtered (as required) before they are digitized (if they are analog) with an analog/digital converter in accordance with the WKS sampling theorem. In the case of conditioning process monitoring and conditioning process control, structure-borne sound signals, electrical power, vibration and current can preferably be used, but not exclusively. The sampling rate of the structure-borne sound signal should preferably, but not exclusively, be 1 to 2 MHz and the sampling rate of the electrical power and current should preferably, but not exclusively, be 50 to 100 kHz. The structure-borne sound sensor and the vibration sound sensor should be mounted as close as possible to the contact zone between the tool and the workpiece. In addition, the number of coupling points between components (e.g. bearings, screw connections) should be as low as possible. Possible positions are in or on the tool spindle, in or on the workpiece spindle, on the tailstock or at the tool spindle or tailstock center point or other components. The electrical power and current should be measured on the three conductors of the tool and/or workpiece spindle.

Schritt 214: Signalanalyse und MerkmalsextraktionStep 214: Signal analysis and feature extraction

Dies entspricht dem Schritt 205. Die z. B. durch die Steuereinheit 104 ausgeführte Signalanalyse (oder Signalbewertung) umfasst die Verarbeitung der Sensorrohmesssignale. Zu diesem Zweck werden diese nach Bedarf in der Weise angepasst, dass der Messbereich von Interesse ist. Für die Bewertung der Sensorrohmesssignale können unterschiedliche Verfahren verwendet werden, die eine Transformation des Signals in dem Zeit- und in dem Frequenzbereich enthalten können, um die Rohdaten auf sich wesentlich ändernde Variablen zu reduzieren. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Niederfrequenzeinhüllende des Signals konstruiert und wird ein Signalteil, der sich auf den Konditionierungsprozess bezieht, identifiziert. Daraufhin werden statistische Charakteristiken des Konditionierungssignals als Merkmale (z. B. rollender Mittelwert, Standardabweichung, Minimum, Maximum, Schiefe, Wölbung, Absolutwert usw. und ihre Zusammensetzungen) berechnet.This corresponds to step 205. The signal analysis (or signal evaluation) carried out e.g. by the control unit 104 comprises the processing of the raw sensor measurement signals. For this purpose, these are adapted as required in such a way that the measurement range is of interest. For the evaluation of the raw sensor measurement signals, different methods can be used, which can include a transformation of the signal in the time and frequency domain in order to reduce the raw data to significantly changing variables. According to various embodiments, a low frequency envelope of the signal is constructed and a signal part relating to the conditioning process is identified. Statistical characteristics of the conditioning signal are then calculated as features (e.g. rolling mean, standard deviation, minimum, maximum, skewness, kurtosis, absolute value, etc. and their compositions).

Schritt 215: Anwendung des Vorhersagemodells 105Step 215: Applying the prediction model 105

Die Steuereinheit 104 verwendet das in Phase 2 (die Schritte 211 und 212) trainierte Vorhersagemodell 105, um auf der Grundlage der in Schritt 214 erzeugten Daten zu signalisieren, ob der Konditionierungsprozess abgeschlossen werden kann. Die Steuereinheit 104 steuert das Abrichtwerkzeug 102 (durch Senden eines entsprechenden Signals an das Abrichtwerkzeug 102) dementsprechend.The control unit 104 uses the predictive model 105 trained in phase 2 (steps 211 and 212) to signal whether the conditioning process can be completed based on the data generated in step 214. The control unit 104 controls the dressing tool 102 accordingly (by sending an appropriate signal to the dressing tool 102).

Somit implementiert die Phase 3 eine Konditionsprozessüberwachung, die Folgendes umfasst:

  • • Messung von Sensorsignalen
  • • Detektieren des Hubs (d. h. Detektieren des Teils der Sensordaten, der einem Konditionierungshub entspricht)
  • • Vorbereitung von Merkmalen für den Hub
  • • Klassifizieren der Merkmale (in die Klassen „Konditionierung anhalten“ und „Konditionierung fortsetzen“)
  • • Anhalten oder Fortsetzen der Konditionierung in Übereinstimmung mit der Klassifizierung der Merkmale
Thus, Phase 3 implements condition process monitoring, which includes:
  • • Measurement of sensor signals
  • • Detecting the stroke (ie detecting the part of the sensor data that corresponds to a conditioning stroke)
  • • Preparing features for the hub
  • • Classifying the features (into the classes “pause conditioning” and “continue conditioning”)
  • • Pause or continue conditioning in accordance with the classification of characteristics

7 zeigt Ergebnisse eines vereinfachten Anwendungsbeispiels für die Überwachung und Steuerung eines Konditionierungsprozesses. In der Ausgangsposition wurde ein konvexes Schleifscheibenprofil konditioniert. Der Konditionierungsprozess wurde ursprünglich herkömmlich durch einen Prozessexperten eingerichtet, sodass insgesamt 20 feste Konditionierungshübe auszuführen sind, damit das Schleifwerkzeug wieder dem geforderten Zustand entspricht. Die Anwendung der zuvor beschriebenen Methodik zeigt, dass nach sechs Konditionierungshüben bereits wieder ein Optimum von Konditionierungshüben erzielt wurde. 7 shows results of a simplified application example for monitoring and controlling a conditioning process. In the starting position, a convex grinding wheel profile was conditioned. The conditioning process was originally carried out conventionally by a pro process experts so that a total of 20 fixed conditioning strokes have to be carried out so that the grinding tool again corresponds to the required condition. The application of the methodology described above shows that after six conditioning strokes an optimum number of conditioning strokes has already been achieved again.

Das Diagramm aus 7 zeigt die Entwicklung des Konditionsprozesses (hinsichtlich durch den digitalen Zwilling erzeugter Sensordaten der akustischen Emission in Absolutwerten). Der Absolutwert ist (entlang der y-Achse) im Zeitverlauf (entlang der x-Achse in Sekunden) für den Konditionierungshub 1 (punktierte Linie), für den Konditionierungshub 6 (Strichlinie) und für den Konditionierungshub 20 (durchgezogene Linie) gegeben.The diagram from 7 shows the development of the conditioning process (in terms of acoustic emission sensor data generated by the digital twin in absolute values). The absolute value is given (along the y-axis) over time (along the x-axis in seconds) for conditioning stroke 1 (dotted line), for conditioning stroke 6 (dashed line) and for conditioning stroke 20 (solid line).

Das Lernen des digitalen Zwillings mittels generativer Al-Verfahren stellt eine effiziente Art und Weise bereit, um Beobachtungen digitaler Konditionierungsprozesse von Schleifwerkzeugen zu erzeugen, die in Form umfangreicher Datensätze mit gewünschten Eigenschaften dargestellt werden könnten. Da diese Datensätze von den Trainingsalgorithmen gefordert werden und zu der erhöhten Leistungsfähigkeit von ML-Modellen führen, wird somit eine optimalere Steuerung des realen Produktionsprozesses möglich.Learning the digital twin using generative Al methods provides an efficient way to generate observations of digital conditioning processes of grinding tools, which could be represented in the form of extensive data sets with desired properties. Since these data sets are required by the training algorithms and lead to the increased performance of ML models, a more optimal control of the real production process becomes possible.

Darüber hinaus ist die Anwendung des Algorithmus nicht auf Konditionierungsprozesse von Schleifwerkzeugen beschränkt, sondern kann sie ebenfalls zur Überwachung des Werkzeugzustands bei anderen Bearbeitungsprozessen (insbesondere Konditionierungsprozessen) (z. B. aus den Hauptgruppen der DIN 8580 wie etwa Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern) verwendet werden. Nach Bedarf ist in Bezug auf die Konditionierung von Schleifwerkzeugen eine Anpassung der Messtechnologie notwendig. Somit ist die Verwendung der oben beschriebenen Vorgehensweise in anderen technischen Systemen, in denen ein Konditionierungsprozess situationsbedingt gesteuert/reguliert werden kann, ebenfalls denkbar. Mögliche Anwendungsgebiete sind:

  • • Reinigung/Vorbereitung von Filtermaterialien und Situationsvervollständigung des Prozesses.
  • • Reinigung/Vorbereitung von Katalysatoren und der Situationsabschluss des Prozesses.
In addition, the application of the algorithm is not limited to conditioning processes for grinding tools, but can also be used to monitor the tool condition in other machining processes (especially conditioning processes) (e.g. from the main groups of DIN 8580 such as primary shaping, forming, separating, joining, coating and changing material properties). If required, the measurement technology may need to be adapted to the conditioning of grinding tools. This means that the use of the procedure described above in other technical systems in which a conditioning process can be controlled/regulated depending on the situation is also conceivable. Possible areas of application are:
  • • Cleaning/preparation of filter materials and situational completion of the process.
  • • Cleaning/preparation of catalysts and the situational completion of the process.

Zusammenfasst wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein wie in 8 dargestelltes Verfahren bereitgestellt.In summary, according to various embodiments, a 8th The method shown is provided.

8 zeigt einen Ablaufplan 800, der ein Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses (z. B. eines Schleifwerkzeugs) darstellt. 8th shows a flowchart 800 illustrating a method for training a predictive model for monitoring a conditioning process (e.g., a grinding tool).

In 801 werden Zeitreihen-Sensordaten eines Konditionierungsprozesses erhalten.In 801, time series sensor data of a conditioning process is obtained.

In 802 werden die Zeitreihen-Sensordaten durch Etiketten (z. B. durch einen vorgegebenen Satz von Etiketten, die z. B. einem vorgegebenen Satz von Klassen entsprechen) etikettiert, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass in dem Konditionierungsprozess ein Qualitätskriterium erfüllt worden ist.In 802, the time series sensor data is labeled by labels (e.g., by a predetermined set of labels corresponding to, e.g., a predetermined set of classes), wherein the labels indicate sensor data elements of the time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process.

In 803 wird unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten ein (z. B. konditionales) generatives Modell trainiert, um für Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten (z. B. des vorgegebenen Satzes von Etiketten) zusätzliche Zeitreihen-Sensordaten des Konditionierungsprozesses zu erzeugen, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist.In 803, using the labeled time series sensor data, a (e.g., conditional) generative model is trained to generate additional time series sensor data of the conditioning process for labels of the additional time series sensor data (e.g., the predetermined set of labels), wherein the labels indicate sensor data elements of the additional time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process.

In 804 wird unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen ein Vorhersagemodell für die Überwachung des Konditionierungsprozesses trainiert (wobei die Etiketten der Zeitreihen-Sensordaten und der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten als Ground Truth verwendet werden und Informationen über die Sensordatenelemente der Zeitreihen-Sensordaten und der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten (z. B. Merkmale) als Trainingseingabe des Vorhersagemodells verwendet werden).In 804, a predictive model is trained for supervising the conditioning process using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data through supervised learning (wherein the labels of the time series sensor data and the additional time series sensor data are used as ground truth, and information about the sensor data items of the time series sensor data and the additional time series sensor data (e.g., features) is used as training input of the predictive model).

Der vorgegebene Satz von Etiketten, die für das Vorhersagemodell als Ground Truth verwendet werden, kann z. B. einfach „Konditionierung anhalten“ und „Konditionierung fortsetzen“ sein.For example, the default set of labels used as ground truth for the prediction model can simply be “pause conditioning” and “continue conditioning”.

Das Vorhersagemodell wird trainiert, um die Etiketten für die erhaltenen Sensordaten und für die zusätzlichen Sensordaten richtig vorherzusagen, d. h., das Vorhersagemodell wird durch überwachtes Lernen trainiert, um die Sensordatenelemente, d. h. in Sensordatenelemente, die widerspiegeln, dass das Qualitätskriterium erfüllt worden ist, und in Sensordatenelemente, dass das Qualitätskriterium nicht erfüllt worden ist, (sofern dies im Training erreicht werden kann) richtig zu klassifizieren. Ein Sensordatenelement (z. B. Zeitreihendaten für einen Teil des Konditionierungsprozesses wie für einen Hub wie in dem Beispiel aus 3), das widerspiegelt, dass das Qualitätskriterium erfüllt worden ist, bedeutet, dass das Sensordatenelement Sensordaten enthält, die zu einem Zeitpunkt in dem Konditionierungsprozess, zu dem das Qualitätskriterium erfüllt ist oder erfüllt worden ist, erhalten (d. h. aufgezeichnet oder gemessen) wurden.The prediction model is trained to correctly predict the labels for the received sensor data and for the additional sensor data, i.e., the prediction model is trained by supervised learning to correctly classify the sensor data items, i.e., into sensor data items that reflect that the quality criterion has been met and into sensor data items that the quality criterion has not been met (if this can be achieved in training). A sensor data item (e.g., time series data for a part of the conditioning process such as for a hub as in the example from 3 ), which reflects that the quality criterion has been met, means that the sensor data element contains sensor data that were obtained (ie recorded or measured) at a time in the conditioning process at which the quality criterion is or has been met.

Das Erfüllen des Qualitätskriteriums kann bedeuten, dass der Konditionierungsprozess angehalten werden kann. Es kann z. B. bedeuten, dass ein Abrichtwerkzeug, das konditioniert wird, ausreichend glatt ist und/oder kein Loch besitzt usw.Meeting the quality criterion may mean that the conditioning process can be stopped. It may mean, for example, that a dressing tool being conditioned is sufficiently smooth and/or does not have a hole, etc.

Das Etikett für ein Sensordatenelement der Zeitreihen-Sensordaten kann unter Verwendung eines oder mehrerer Merkmale, die aus dem Sensordatenelement extrahiert werden, bestimmt werden. Dem Etikett, das unter Verwendung eines oder mehrerer Merkmale bestimmt wird (d. h., das aus dem einen oder den mehreren Merkmalen bestimmt wird), werden daraufhin das eine oder die mehreren Merkmale zugeordnet, d. h., es kann als ein Etikett für das eine oder die mehreren Merkmale angesehen werden. Da das eine oder die mehreren Merkmale Merkmale eines Sensordatenelements sind, kann das Etikett äquivalent ebenfalls als ein Etikett des Sensordatenelements selbst angesehen werden (d. h., dass Etikett etikettiert das Sensordatenelement).The label for a sensor data item of the time series sensor data may be determined using one or more features extracted from the sensor data item. The label determined using one or more features (i.e., determined from the one or more features) is then associated with the one or more features, i.e., it may be considered a label for the one or more features. Since the one or more features are features of a sensor data item, the label may equivalently also be considered a label of the sensor data item itself (i.e., the label labels the sensor data item).

Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren computer-implementiert.According to one embodiment, the method is computer-implemented.

Obwohl hier spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, wird dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet klar sein, dass für die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll irgendwelche Anpassungen oder Varianten der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen umfassen. Somit soll diese Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Entsprechungen beschränkt sein.Although specific embodiments have been shown and described herein, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that a variety of alternative and/or equivalent implementations may be substituted for the specific embodiments shown and described without departing from the scope of the present invention. This application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein. Thus, this invention is intended to be limited only by the claims and their equivalents.

Claims (8)

Verfahren zum Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen eines Konditionierungsprozesses, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erhalten von Zeitreihen-Sensordaten eines Konditionierungsprozesses; Etikettieren der Zeitreihen-Sensordaten durch Etiketten, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist; Trainieren eines generativen Modells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, um für Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten zusätzliche Zeitreihen-Sensordaten des Konditionierungsprozesses zu erzeugen, wobei die Etiketten Sensordatenelemente der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten angeben, die widerspiegeln, dass ein Qualitätskriterium in dem Konditionierungsprozess erfüllt worden ist; Trainieren eines Vorhersagemodells zum Überwachen des Konditionierungsprozesses unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen.A method for training a predictive model to monitor a conditioning process, the method comprising: obtaining time series sensor data of a conditioning process; labeling the time series sensor data by labels, wherein the labels indicate sensor data elements of the time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process; training a generative model using the labeled time series sensor data to generate additional time series sensor data of the conditioning process for labels of the additional time series sensor data, wherein the labels indicate sensor data elements of the additional time series sensor data that reflect that a quality criterion has been met in the conditioning process; training a predictive model to monitor the conditioning process using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data by supervised learning. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorhersagemodell trainiert wird, um für ein Eingangssensor-Datenelement anzugeben, ob das Eingangssensor-Datenelement aus einem oder mehreren Merkmalen, die aus dem Eingangssensor-Datenelement extrahiert werden und in das Vorhersagemodell eingegeben werden, widerspiegelt, dass das Qualitätskriterium in dem Konditionsprozess erfüllt worden ist.Procedure according to Claim 1 wherein the prediction model is trained to indicate for an input sensor data element whether the input sensor data element reflects that the quality criterion has been met in the conditioning process from one or more features extracted from the input sensor data element and input to the prediction model. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trainieren des generativen Modells unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten das Extrahieren eines oder mehrerer Merkmale des Sensordatenelements und das Trainieren des generativen Modells unter Verwendung des einen oder der mehreren Merkmale und des Etiketts des Sensordatenelements für jedes Sensordatenelement der Zeitreihen-Sensordaten umfasst.Procedure according to Claim 1 or 2 wherein training the generative model using the labeled time series sensor data comprises extracting one or more features of the sensor data item and training the generative model using the one or more features and the label of the sensor data item for each sensor data item of the time series sensor data. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das das Trainieren mehrerer Vorhersagemodelle zum Überwachen des Konditionierungsprozesses unter Verwendung der etikettierten Zeitreihen-Sensordaten, der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten und der Etiketten der zusätzlichen Zeitreihen-Sensordaten durch überwachtes Lernen unter Verwendung unterschiedlicher Anteile etikettierter Zeitreihen-Sensordaten und zusätzlicher Zeitreihen-Sensordaten, das Bewerten der trainierten mehreren Vorhersagemodelle und das Auswählen eines der mehreren Vorhersagemodelle als Vorhersagemodell in Abhängigkeit von der Bewertung umfasst.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 which comprises training a plurality of prediction models to monitor the conditioning process using the labeled time series sensor data, the additional time series sensor data, and the labels of the additional time series sensor data through supervised learning using different proportions of labeled time series sensor data and additional time series sensor data, evaluating the trained plurality of prediction models, and selecting one of the plurality of prediction models as a prediction model depending on the evaluation. Verfahren zum Steuern eines Konditionierungsprozesses, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Trainieren eines Vorhersagemodells nach einem der Ansprüche 1 bis 4; Erhalten von Zeitreihen-Sensordaten eines zu beobachtenden Konditionierungsprozesses, die eine Reihe von Sensordatenelementen umfassen; Eingeben von Informationen über des Sensordatenelement in das Vorhersagemodell für jedes der Sensordatenelemente; und Anhalten des Konditionsprozesses als Reaktion darauf, dass das Vorhersagemodell für ein Sensordatenelement der Sensordatenelemente angibt, dass das Qualitätskriterium in dem Konditionsprozess erfüllt worden ist.A method for controlling a conditioning process, the method comprising: training a prediction model according to one of the Claims 1 until 4 ; obtaining time series sensor data of a conditioning process to be observed comprising a series of sensor data items; inputting information about the sensor data item into the prediction model for each of the sensor data items; and stopping the conditioning process in response to the prediction model indicating for a sensor data item of the sensor data items, that the quality criterion has been met in the conditioning process. Konditionierungsprozess-Steuersystem, das konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.Conditioning process control system configured to perform a method according to any of the Claims 1 until 5 to execute. Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.A computer program comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform a method according to any of the Claims 1 until 5 executes. Computerlesbares Medium, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie durch einen Computer ausgeführt werden, veranlassen, dass der Computer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt.A computer-readable medium comprising instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform a method according to any of the Claims 1 until 5 executes.
DE102023200348.1A 2023-01-18 2023-01-18 Method for training a predictive model to monitor a conditioning process Pending DE102023200348A1 (en)

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