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Deep Learning for Machine Tool Thermal Errors

Ngoc Huy Vu

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Thermally induced errors in machine tool have been paid attention in recent years due to their big impacts to the inaccuracy of machining. Many works modelled thermal behaviors of machine tools with the available information like motor powers, currents, temperatures, and speeds. This research adopts to measure, model and find the robustness of the deep learning models between thermal deformations and power supply of axes, ambient temperature, and temperatures of predetermined positions. The trained models are validated in other processes with different activities of axes and times. Experiments are carried out to understand thermal behaviors altering to different heating and cooling routines of rotary axes or all five axes of machine tool. Raw volumetric errors of machine tool are collected periodically (15 minutes) by a sensor nest of five capacitive sensors, as well as the true motor powers of the 5 axes, temperatures at predetermined positions and ambient temperature are also collected to used as inputs of the models. Applying Stacked LSTM (SLSTM) for modelling the relationship between 10 main thermal induced geometric errors estimated by SAMBA (Scale and master ball artefact) method and inputs as supply powers of rotary axes B and C is the first work of this thesis. Three optimizers SGD, RMSProp, and Adam are used in this work to improve the efficiency of network. The data for training and testing processes are collected from two experiments with different activities of B and C-axis in 132 and 40 hours, respectively. The second work reaches closer to the compensation of thermal errors of paths ∂x,∂y,∂z to move the tool to target positions in the working space of machine tool HU40T. These errors are induced by activities of axes B and C as conducted in the first work. Optimizer AdamW is used in this work to support SLSTM network. The SGRUs is also used in this work to model and predict the best and worst cases generated by SLSTM. The last work investigated the thermal behavior of the machine tool HU40T relating to activities of five axes (the spindle is locked) in two longer time experiments comparing to the ones in the first and second works. These experiments are conducted in 264 and 84 hours, respectively. SLSTM+Adam is applied to model and predict thermal geometric errors and Monte Carlo dropout is combined with SLSTM to determine the distribution of the model’s outputs. The inputs of the model are the ambient temperature, the temperatures at predetermined positions and the power supply of five axes and the outputs are thermally induced geometric errors. The research has made significant contributions towards the models of thermal behaviors of five axis machine tools with available information (the motor powers and the temperatures) as the inputs.

Résumé

Les erreurs induites thermiquement dans les machines-outils ont fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années en raison de leur impact considérable sur l'exactitude de l'usinage. De nombreux travaux ont modélisé les comportements thermiques des machines-outils en utilisant les informations disponibles telles que les puissances des moteurs, les courants, les températures et les vitesses. Cette recherche adopte une approche de mesure, de modélisation et de recherche de la robustesse des modèles d'apprentissage profond entre les déformations thermiques et l'alimentation en énergie des axes, la température ambiante et les températures des positions prédéterminées. Les modèles entraînés sont validés dans d'autres processus présentant des activités et des durées différentes des axes. Des expériences sont menées pour comprendre les comportements thermiques qui varient en fonction des routines de chauffage et de refroidissement différentes des axes rotatifs ou des cinq axes de la machine-outil. Les erreurs volumétriques brutes de la machine-outil sont collectées périodiquement (toutes les 15 minutes) par un ensemble de cinq capteurs capacitifs, ainsi que les puissances réelles des moteurs des cinq axes, les températures aux positions prédéterminées et la température ambiante, qui sont également collectées pour être utilisées en tant qu'entrées des modèles. L'application de la méthode Stacked LSTM (SLSTM) pour modéliser la relation entre les 10 principales erreurs géométriques induites thermiquement, estimées par la méthode SAMBA, et les entrées correspondant aux puissances d'alimentation des axes rotatifs B et C constitue la première partie de cette thèse. Trois optimiseurs, à savoir SGD, RMSProp et Adam, sont utilisés dans ce travail afin d'améliorer l'efficacité du réseau. Les données utilisées pour l'entraînement et les tests proviennent de deux expériences d'une durée de 132 heures et 40 heures respectivement, avec des activités différentes pour les axes B et C. Le deuxième travail se rapproche de la compensation des erreurs thermiques des trajets ∂x, ∂y, ∂z afin de déplacer l'outil vers des positions cibles dans l'espace de travail de la machine-outil HU40T. Ces erreurs sont induites par les activités des axes B et C, telles que menées dans le premier travail. L'optimiseur AdamW est utilisé dans ce travail pour soutenir le réseau SLSTM. Les SGRUs sont également utilisées dans ce travail pour modéliser et prédire les meilleurs et pires cas générés par le SLSTM. Le dernier travail a étudié le comportement thermique de la machine-outil HU40T en relation avec les activités des cinq axes (la broche est verrouillée) lors de deux expériences de plus longue durée par rapport aux travaux précédents. Ces expériences ont été menées pendant 264 et 84 heures respectivement. SLSTM+Adam est utilisé pour modéliser et prédire les erreurs géométriques thermiques, et Monte Carlo Dropout est combiné avec SLSTM pour déterminer la distribution des sorties du modèle. Les entrées du modèle sont la température ambiante, les températures aux positions prédéterminées et l'alimentation en énergie des cinq axes, et les sorties sont les erreurs géométriques induites thermiquement. La recherche a apporté des contributions significatives aux modèles des comportements thermiques des machines-outils à cinq axes en utilisant les informations disponibles (les puissances des moteurs et les températures) comme entrées.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: J. R. René Mayer and Elie Bitar-Nehme
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/54189/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Nov 2023 11:16
Last Modified: 13 Apr 2024 06:07
Cite in APA 7: Vu, N. H. (2023). Deep Learning for Machine Tool Thermal Errors [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/54189/

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