物理法則を組み込んだ深層学習フレームワークが切削加工ダイナミクス予測精度を向上 (Physics-Guided Deep Learning Framework Boosts Milling Dynamics Prediction Accuracy)

2026-06-03 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院・知能機械研究所のZHU Kunpeng教授らの研究チームは、フライス加工(ミーリング)における動特性予測のための「物理法則誘導型深層学習(Physics-Guided Deep Learning)」フレームワークを開発した。本手法は、加工条件が変化する状況でも、瞬時の切削力と主軸振動を同時に高精度で予測できる点が特徴である。研究ではまず、ミーリング動力学モデルから生成したシミュレーションデータを学習に利用し、さらに振動方程式を物理的制約としてニューラルネットワークへ組み込んだ。その後、実際の加工実験データを追加学習させることで、実環境での適応性と予測性能を向上させた。評価試験では、切削力と主軸振動の双方を平均誤差2.67%で予測し、従来のデータ駆動型手法と比較して予測精度が24.44%向上した。本成果は、高速ミーリングにおける加工条件最適化、工具摩耗低減、生産効率向上に貢献するだけでなく、旋削や穴あけなど他の機械加工プロセスへの応用も期待される。

物理法則を組み込んだ深層学習フレームワークが切削加工ダイナミクス予測精度を向上 (Physics-Guided Deep Learning Framework Boosts Milling Dynamics Prediction Accuracy)
Architecture of the physics-guided deep network model for the milling process. (Image by LI Jun)

<関連情報>

フライス加工ダイナミクス予測のための物理法則に基づく深層ネットワーク Physics-Guided Deep Network for Milling Dynamics Prediction

Kunpeng Zhu, Jun Li
Engineering  Available online 17 November 2024
DOI:https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.09.027

Abstract

Milling force is key to the understanding of cutting mechanism and the control of machining process. Traditional milling force models have limited prediction accuracy due to their simplified conditions and incomplete knowledge contained for model construction. On the other hand, due to the lack of guidance from physics, the data-driven models lack interpretability, making them challenging to generalize to practical applications. To meet these difficulties, a deep network model guided by milling dynamics is proposed in this study to predict the instantaneous milling force and spindle vibration under varying cutting conditions. The model uses a milling dynamics model to generate data sets to pre-train the deep network and then integrates the experimental data for fine-tuning to improve the model’s generalization and accuracy. Additionally, the vibration equation is incorporated into the loss function as the physical constraint, enhancing the model’s interpretability. A milling experiment is conducted to validate the effectiveness of the proposed model, and the results indicate that the physics incorporated could improve the network learning capability and interpretability. The predicted results are in good agreement with the measured values, with an average error as low as 2.6705%. The prediction accuracy is increased by 24.4367% compared to the pure data-driven model.

0103機械力学・制御
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