For manufacturing enterprises, the potential of collecting large amounts of data from production processes has enabled the usage of machine learning for prediction-based monitoring and maintenance of machines. Yet common maintenance strategies still include reactive handling of machine failures or schedule-based maintenance conducted by experienced personnel. Both of which are time-consuming and costly for manufacturing enterprises. The incorporation of anomaly detection for production processes alleviates several problems connected to these resource-intensive maintenance strategies. Anomaly detection enables real-time maintenance alarms derived from the occurrence of anomalies and thereby a foundation for proactive maintenance during manufacturing. However, to realize this, one needs to investigate the correlation between machine failure and anomalies in the data. For the machine learning models, it is also of essence to handle the imbalance between failure and normal working condition data. In this work, we investigate the potential of anomaly detection to predict future tool failures of an active CNC-machine based on multivariate time series data collected through the standardized data collection protocol MTConnect. Two semi-supervised anomaly detection methods, DeepAnT and ROCKET OCSVM, were tested. Training and evaluation of the two models were conducted on three production part processes and the difference in anomaly distribution previous to failure and in the normal machine working condition was investigated. The results showed that both models, for all the investigated tool failures belonging to the three production part processes, found an abundance of anomalies preceding failure when compared to the normal working condition of the machines. For certain tool failures, the anomalies were found as far back as seven production cycles before failure, while other anomalies were mainly uncovered close to the failure. Furthermore, it was shown that both models performed optimally with 100 production cycles before tool failures excluded from training, indicating that more anomalies further back connected to failure or possible long-term degradation of machine tools could exist. Lastly, ROCKET OCSVM with RBF kernel showed greater reliability compared to the DeepAnT method in separating the normal working condition data of the CNC machine against the pre-failure data based on anomaly distribution. In conclusion, anomaly detection shows promising results in indicating future machine failure and could serve as a foundation for proactive maintenance strategies of machines. By incorporating proactive strategies, machine downtime, operator maintenance time, and resources and expenses resulting from machine failure could be reduced. / För produktionsföretag har potentialen att samla in stora mängder data från produktionsprocesser möjliggjort användningen av prediktionsbaserad övervakning och underhåll av maskiner genom maskininlärning. Ändå så utgörs fortfarande vanliga underhållsstrategier av reaktiv hantering av maskinfel eller schema baserat underhåll som utförs av erfaren personal. Båda dessa är tidskrävande och kostsamma för tillverkningsföretag. Införandet av anomali detektering för produktionsprocesser lindrar flera problem kopplade till dessa resursintensiva underhållsstrategier. Det möjliggör underhålls-larm i realtid härledda från förekomsten av anomalier, vilket skapar en grund för proaktivt underhåll under tillverkningen. Men för att möjliggöra detta måste man undersöka sambandet mellan maskinfel och anomalier i data utifrån definierade insamlingsmetod. Det är också viktigt att hantera obalansen mellan fel och normal arbetstillstånd data för maskininlärningsmodellerna. I det här arbetet undersöker vi potentialen för delvis övervakad anomali detektering för att förutsäga framtida verktyg fel hos en aktiv CNC-maskin baserat på multivariat tidsseriedata som samlats in genom det standardiserade datainsamling protokollet MT Connect. Två anomali detekterings metoder som endast tränats på normala arbetsförhållanden för maskiner testades, DeepAnT och ROCKET OCSVM. Träning och utvärdering av de två modellerna genomfördes på tre produktionsdelprocesser och skillnaden i anomali fördelning före fel och i det normala maskinens arbetstillstånd undersöktes. Resultaten visade att båda modellerna, för alla undersökta verktygsfel som hör till de tre produktionsdelprocesserna, fann ett överflöd av anomalier före fel i jämförelse med maskinernas normala arbetstillstånd. För vissa verktygsfel hittades anomalierna så långt tillbaka som sju produktionscykler före fel, medan andra anomalier huvudsakligen upptäcktes nära felet. Vidare visades det att båda modellerna presterar optimalt med 100 produktionscykler före verktygsfel uteslutna från träningen, vilket tyder på att fler anomalier tidigare än de åtta produktions cyklarna undersökta innan fel eller eventuell långvarig försämring av verktygsmaskiner kan förekomma. Slutligen visade ROCKET OCSVM med RBF som kärnfunktion större tillförlitlighet i jämförelse med DeepAnT metoden gällande att separera CNC-maskinens normala arbetstillstånd data från pre-failure-data baserat på anomali fördelning. Sammanfattningsvis visar avvikelse detektering lovande resultat för att indikera framtida maskinfel och kan fungera som en grund för proaktivt underhåll av maskiner. Genom att införskaffa proaktiva strategier kan maskinernas stilleståndstid, operatörens underhållstid samt resurser och kostnader till följd av maskinfel minskas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-332421 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Boltshauser, Felix |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:536 |
Page generated in 0.0022 seconds