TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 10, Octobe r 2013, pp. 5 911 ~ 5 916   ISSN: 2302-4 046           5911      Re cei v ed Ap ril 23, 2013; Revi sed  Jul y  6, 2013; Accept ed Jul y  18, 2 013   Feature Extraction of Turing Tool Wear   Based on J-EEMD       Hong tao  Ch en*, Pan Fu, Xiaohui Li    Institute of Mechan ical En gi ne erin g of South w e s t Jiaoto ng  Univers i t y , C h e ngd u 61 003 1, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : scd y c ht@ 1 6 3 .com      A b st r a ct     In the mo nitori ng of cutting to ol state, a larg e nu mb er of re dun da nt infor m at ion is co ntai n ed in th e   sensor si gna l. T herefore, it is obvi ous ly n o t cond ucive to p a ttern recog n iti o n, and diffic u lt to classify the to o l   w ear state correctly from the  avail a b l e se ns ors. T he test platform that  ha d real-ti m e info rmati on co llecti o n   of the vibr atio n an d ac ousti c emissio n  si g nals  in turn in g  w a s built. Ob served s i gn als  w e re ada ptiv ely   process ed usi ng the metho d  of ens embl e empiric a mod e  deco m positi on intro duce d  joint a pprox i m at e   dia gon ali z a t io n  of eig e n m atric e s (J-EEMD). T h is metho d   is  base d  o n  the  character i stics  of the si gna l its e lf   deco m pose d  i n to sever a intri n sic  mo de  func tions (IMF ), an d the n  transfor m s th e e ner gy  ratio b e tw een t h e   IMF .  T he w h ite no ise  of e a ch  IMF  comp on en t has  be en  eli m i nate d  by  i n troduc ing  JADE   alg o rith duri n g   the sign al d e co mp ositi on. Co mp are d  w i th the EEMD al gorit hm, the  deco m pos iti on effici e n cy is sig n ifica n tl y   improve d . T h e  exp e ri me nts  show ed th at the  met hod  co ul id entify th e differ ent stat es of to ol w e a r , if   app lie d to feature extractio n  of  vibratio n an d acoustic e m i ssion si gna l in  the cutting pr o c ess.     Ke y w ords : En sembl e  e m pir i c a l mod e  dec o m p o siti on; T ool  w ear; F eature extraction; T u ri ng         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The em piri cal  mode  deco m positio n (E MD)  pro p o s e d   by Hua ng  e t  al. (199 8) i s  a time- freque ncy an alysis meth o d  [1-2]. It  is base d  on the time scale of the local sig n a l cha r a c teri stics,  and the  si gn al is  de comp ose d  into th e  su perpo si tio n  of a  numb e r of i n trin sic mode  fun c tions  (IMF). Certai n signifi can c e band i n formation is  con t ained in e a ch IMF explod ed. EMD met hod   has be en wi d e ly used in many fields, but when ju m p ing ch ang es exist in the time scale of the  sign al, this  case th ere will  be an  IMF compon ent  co ntains  differe nt time scale s  cha r a c teri stic  comp one nts,  whe n  the EM D de com p o s ition is  ca rri e d   out on the  sig nal. The m a jo r drawba cks  of  the  o r iginal   E M D are   the mode mixing probl em whi c h is the  co nseco n ce of  sig nal inte rmitte nce   [3]. Because of this, so its appli c ation h a s be en limited.  In orde r to  solve the m ode mixing  probl em in t he process  of traditional  EMD  decompo sitio n  method, the coll ection  of  empirica l mode de compo s ition (EEMD) meth od  prop osed by Hua ng  et al, based  o n   n u m ero u stu d i e statisti cal  prop ertie s  of  the EMD of white   noise  re sults.  Gau s sian   white noi se  is  adde d in  the   decompo sitio n  p r o c e s s in  EEMD, an d t h e   combi nation  of the sig nal  and the  noi se a s  a  wh o l e. Time-freq uen cy sp ace  is divided i n to   different  scal es i ngredie n by filter ba nk,  wh en  the  ad ditional  white  noise is unifo rmly di stribut ed  in the entire t i me-fre que ncy space. Different  scal e  si gnal area is  automatically mapped to t he  approp riate scale ba ckgro und white  noi se.  At  this  ti me, White n o i se of  zero m ean i s  ad ded  to   each imf, and the noise will ca ncel e a ch oth e af ter many times the ave r a ge cal c ul atio n   pro c e ssi ng. T herefo r e, th integrate d  av erag e time a r e m o re,  the  result  whi c h  o b tains is cl oser  the prima r y si gnal [4].  Modal alia sin g  probl em s o f  traditional EMD is solved throu gh E E MD, but in orde r to  eliminate  th e influen ce of white noi se a dded   in  th e d e com p o s ition  process  of th e o r iginal  si g nal,  the integ r ate d  average  at  lea s t 100  times i s   re quired. The  com putational  efficien cy i s   cle a rly  redu ce d, so that it is not condu cive to o n line  monito ri ng of tool we ar. To solve t h is proble m , J- EEMD de co mpositio n al gorithm  ha s been  pro p o s ed.  Joint a pproxim ate d i agon alizatio n  of  eigenm atri ce s (JADE )  alg o rithm i s  introdu ced i n  or der to  elimin ate the imp a c t of white  no ise in   IMF com pon ents, thu s   weakenin g  the  impa ct ca u s ed by the  la ck of an  inte grated  avera g e   number [5], [ 6 ].    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 591 1 –  5916   5912 2. Test Platform and  Program   2.1. Test Platform   In this  study, tool we ar  condition m oni tori ng system   wa built, which wa s cap able  of   monitori ng cu tting force, vibration a nd a c ou stic em i ssion sig nal of CNC turni ng  pro c e ss in  re al- time. As  sho w n i n  Fi g.1, the te st eq uip m ent  a nd i n st rume nts i n cl u ded:  CK614 3 / 100  CNC l a the,  Kistler9 257B  dynamom eter, 8702B50M 1  K-Shear  cera mic a c cele rometer, 81 52 B12SP acou stic   emission  sen s ors, DE WE-3021   di gital   acq u isitio system, an so on.  The  bl ank mate rial  and  blade  were re spe c tively the austeniti c st ainle ss  steel  304L a nd Ke nna KC5 010  turning in se rt. In   particula r, three  types of bla d e s  incl uded   CNM G12 040 4FP, CNM G 120 408FP  and   CNM G12 041 2FP we re used.          Figure 1. Test platform       2.2. Test Pro g ram  The uniform desi gn is one of space filling desig ns and it seeks experimental poi nts to b e   uniformly sca ttered on the  domain. Thi s   met hod  wa s prop osed by  Fang a nd wa ng in 197 8 a nd  had bee p o pularly   u s ed  sin c e 198 [7 ].  Test of  cutting con d ition s  we re de sig ned acco rdin to  the uniform d e sig n  method , as sho w n in  table 1.      Table 1. CNC Turnin g Test  Cutting Co nd itions  Grou number   Cutting Speed   (m/mi n   Cutting  depth   (mm)  Feed ra te   (mm/r)  Edge radius   (mm)  1 190  0.13  0.8  2 170  1.2  0.25  0.4  3 200  0.21  1.2  4 250  0.25  0.8  5 180  1.6  0.29  1.2  6 210  1.8  0.33  0.4  7 270  1.8  0.21  1.2  8 240  1.4  0.13  1.2  9 220  1.6  0.17  0.4  10 260  1.2  0.17  0.4  11 230  0.33  0.8  12 280  1.4  0.29  0.8    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Feature Extra c tion of Turi n g  Tool Wear  Based o n  J-EEMD (Hongta o  Che n 5913 3. The JADE algorithm   JADE i s  a n  a l gorithm  that  use s   signifi ca nt  eigen pai rs  of the  cumul a nt tensor to  find o u the estimate d value s  of  indep ende nt  comp one nts.  In this alg o r ithm the te nso r  eig enva l ue   decompo sitio n  is  co nsi dered a s  mo re  of a pr ep ro ce ssi ng  step. E i genvalue  de comp ositio can   be viewed a s  diago nali z ation. This  can find a  sep a ratin g  matrix suited  to blind so urce   s e pa r a tion Blind sep a ration of mixed model can be  expresse d a s As x   (1)   Whe r e:   x   : obs ervation matrix,  T n x x x x , , , 2 1   A  :  n n unkno wn n onsi ngula r  mi xing matrix  s   :  n  unkno wn,  statistically indepe ndent  so urce sig nal s,  T n s s s s , , , 2 1   The gole of  the Blind Source Separat i on ( BSS) is c o ns is ts  of  recovering the s e of  sou r ce sig nal s S solely fro m  the obse r v ed (i n s tantan eou s and lin ear) ixtures  X, by estimating  either the mix i ng matrix A or its inverse  1 A V  (silently assuming that A is invertible).   The ess e nc of the BSS is to find a  s eparating  matrix  W, mak i ng  the obs e rved  s i gnal x  by the W tran sform, the out put y as t he estimate of the  source  sign a l s.    Wx y   (2)     Whe r e ea ch  comp one nt of the  x  and   y  are mutually indepe ndent.    First, a white n ing matrix  should  be  co mput ed  acco rding to the o b se rvation m a trix.    VAs Vx z  (3)     Whe r e:   z   : whitened si gnal matrix,  T n z z z z , , , 2 1   V  : whitening  matrix  The  JADE  al gorithm  is ba sed  on  the u s age  of t he fo rth ord e r cum u lant ten s o r ; i t  tries to  maximiz e  [6], [8].     2 ) ( ( ) ( i T i A M AF diag A J  (4)     whe r A  is the  whiten ed mi xing matrix a nd  i M  are the  eigenm atri ce s of the fou r t h   orde r cumul a nt tenso r  (th e  eigenval ue s of thos e ei genmat rices  are the  ku rto s is valu es  of the   indep ende nt  comp one nt,  whi c ca n b e  cal c ul ated  in  this way). T he  startin g  p o int of th JADE  algorithm is  t hat the  requirement of the  mos t  BSS  algorithms  to  c a lc ulate the  distributions  of t he  indep ende nt  comp one nts,  can  be  fulfille d by o p timizi ng the  cumul ant ap proxim ations of d a ta  [9].  The main a d vantage of the  fourth order  cumulant is that they can  be optimized  by means of t h e   iterative Ja co bi algorith m  [10].  In s u mmary, J - EEMD algorith m process is as follows:   (1)  White noi se of 0.4 stan dard d e viatio n is add ed to the origin al si gnal  ) ( t x (2) T w signa ls add ed White noise sig n a l  and White  n o ise  sign al are Processe d respe c tively by  EMD algo rith m, the result s are re co rde d  as IMF1 and  IMF2.  (3) Th e o b servational m a tri x  is  com p o s e d  of th co rre spo ndin g   co mpone nt  with  IMF1  and  IM F2,  usin g JADE algorith m   to blind so urce sep a rati o n , thus, IMF 0  i s   obtaine sign al compo nen t   extracted fro m  the results.   (4) Ea ch row of compo n e n ts of IMF0 is scale d  in a c cord an ce wi th each  ro w of comp onen ts of   IMF1, obtaini ng the ne w IMF com pone nt.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 591 1 –  5916   5914 (5) Add ed a  new  seq uen ce of white no ise ea ch  time , repeating th e above four  step s, the final  decompo sitio n  result is  ea ch IM F de co mpositio n integratio n average.       4. Featur e Extra c tion  Ba sed on J-EE MD  4.1. Featur e-Value De ter m ination   As we  all kn o w  that re dund ant informatio n is  contain e d in the ori g in al sign al colle cted by  the se nsor. A nd having  a strong  ran dom ness, so it is   difficult to find a variatio of the tool we ar  state di re ctly  from the  raw  data. Th erefo r e, it i s  n e cessary  to a naly z e th ra w d a ta u s ing  si g nal  pro c e ssi ng tech niqu es, a nd to extract  more re acti ve characte ri stics of tool wea r . This t e st  extract the si gnal en ergy a nd gravity fre quen cy as a  sign al ch ara c teristic valu e.  Signal e nerg y  cha r a c teri ze the d egree  of si g nal  strength. And  reflec the  su m of the   sign al en ergy  in e a ch fre q uen cy. Set  i p  the  spe c tral  a m plitude  se q uen ce of  origi nal si gnal  by  fast fourie r transfo rm (F FT ), then the sig nal ene rgy  p ca n be cal c ul ated as follo ws:    n i i p p 2  (5)     The g r avity frequ en cy  c f respon se of  chang e of p o s iti on of  the spe c tral   cent roid.  Different to ol  wea r  stat e ca use d  chan ge s in the  vib r at ion amplitu d e  of som e  freq uen cy, thus t h e   positio n of sp ectral  ce nter  of gravity are  affected  to a  large extent.  The calculation formul a is  as  follows   n i i n i i i c p p f f 1 1  (6)     4.2.  Feature  Data Extr acti on  The process  of J-EEMD al gorithm to extract  the  signa l characte ri stics a r e a s  follows:  (1) Int r od uce  a white  noi se  with 0.4 va ria n ce, ta ke the   numbe r of int egrate d  ave r age  with10, a n d   sign als of  vibration an d acousti c emissi on are p r o c e s sed  with J-EE MD.   (2) F FT is  a pplied o n  the  origin al vibration si gnal and a c ou stic emission  sig nals, a s  well  as  decompo sitio n  of each IMF ,  putting the experime n t data into Eq.(5) t o  cal c ulate th e energy.  (3)  set the o r i g inal si gnal e nergy valu e a s   x p , energy value of the ith IMF is  imfi p ,  thus  get the  energy ratio o f  each IMF as  imfi x i p p Pp / (4)  Cal c ulate  the gravity frequen cy to ea ch IMF acco rding to Eq.(6).  In our test, to ol we ar  state  wa s divide d a c cordi ng to th e the am ount  of  flan k wea r . That   is  whi c state  1 in dicates the tool  flan wea r   a s   0mm  to 0.05 mm,  state 2  a s  0. 05mm to  0.1 mm  and state 3 a s  0.1mm to 0.15mm. J-EE MD de com p o s ition we re completed u n d e r different to ol  wea r  state of  vibration sig nals an d aco u stic  emi s sio n  signal s in turnin g. Figure 1 sho w s a  J- EEMD deco m positio n re sults of vibration sig nal  obt ained u nde r the above thre e different sta t es.  As ca n be se en from Fig.  2, the rang es of  the freque ncy dom ain a r e not eq ual. Such a s   the first  comp onent, the e n e rgy i s  con c e n trated in  the  above 2 000 Hz, the  se co nd compo nen t, in  the 10 00 Hz to 20 00 Hz, th e third  comp onent,   in t h e  500 Hz to  10 00Hz. T hat i s  to  say, the   more   the tool wea r  is, the narro wer the freq ue ncy ran ge of IMF co rre sp o nding i s .   It also  can  b e  lea r ned  fro m  the test a n a lysis,  that th e sig nal e n e r gy is  con c ent rated i n   the firs t three of   IMF. At  th e s a me time, there  a r e sig n i ficant ch ang es in the thre e IMF spect r u m   Spectrum  of this th ree  IMF  ch ang es wit h  the  deg ree   of tool  wea r Therefore,  it i s  d e si rabl e th at  energy ratio  after treatme nt of the J-EEMD first th ree  IMF, as well  as the g r avity frequen cy were  sele cted as the  cha r a c teri stic val u e s   of the  vibratio n si gnal  me asu r ed  expe rimentally. It i s   simila rly  t o  se lect  t he ch ara c t e ri st ic v a lue s  of the aco u s tic emi s sion  sign als.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Feature Extra c tion of Turi n g  Tool Wear  Based o n  J-EEMD (Hongta o  Che n 5915   a) De co mpo s ition results o f  state 1      b) De co mpo s ition results o f  state 2      c)  Decomp osi t ion results of  state 3    Figure 2. J-E E MD de comp osition results of vibration signal     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 591 1 –  5916   5916 5. Conclusio n   EEMD alg o rit h m h a s solve d  the  proble m  of mo de  m i xing proble m  existing  in t r aditional  EMD, but ha s the lo we r computation a efficien cy,  no t cond ucive t o  online  moni toring tool  sta t e.  The blin d so urce sepa rati on JA DE alg o rithm i s  introdu ced into  EEMD de co mpositio n pro c e ss,  that ca n elim inate the  white noi se in  t he IMF  com pone nts. Th e  de comp ositi on effici en cy is  signifi cantly i m prove d   co mpared  with  EEMD al go rithm. Experi m ental  re sult sho w  that  the   eigenvalu e  e x tracted thro ugh J-EEMD  algorith m  ca n   be well ide n tified the different states of the  tool  wear, o n   the ba sis of  t he featu r e extra c tion  to cutting  vib r ation  and  a c ou stic emi s sion  sign als.       Ackn o w l e dg ment  This stu d y i s   sup p o r ted  by the  Fu ndame n tal  Re sea r ch F und s fo r th e Central  Universitie s , Chin a (SWJT U 12 CX03 9).       Referen ces   [1]    NE Hu ang, Z h eng S h e n , SR  Lon g.  T he e m pirica mo de d e co mp ositio and th e Hi lb ert spectru m  for   non lin ear a nd  non-stati o n a ry time ser i es a n a l ysis . Proc. Roy. Soc. Lon do n  454A, 19 98: 9 03-9 9 5   [2]    Z H  W u  and NE Huan g. Ensembl e  empir i c a l mo d e  deco m positi on: a n o is e- assisted data  an al ysi s   method.  Adv a nces in Adapti ve Data Analysis . 2009; 1(1): 1- 41.   [3]    Z K  Peng, PW  T s e, EL Chu. An improv ed H i l bert- Hu ang tra n sform an d its app licat i on i n  v i btatio n sig n a l   Anal ys is.  Joun al of Soun d an d Vibrati o n . 20 05; 286( 9): 187 -205.   [4]    Shao- bai Z h a ng, Da n-da Hua ng. Electr oenc ep hal ogra p h y  featur e e x tractio n  usi n g hig h  time- freque nc y res o lutio n  a nal ys is.  T E LKOMNIKA Indon esi a  Jo u r nal  of el ectric al En gi neer ing .  201 2; 10( 6):  141 5-14 21.   [5]    Weilin  Li, Pa Fu, Erqin Zha n g .  Appl icati on  of Fractal Dim ensi ons a nd F u zz y   Cl usterin g  to T ool Wear   Monitori ng.  T E LKOMNIKA Indon esia n Jour nal  of Electric al  Engin eeri n g . 2 013, 11( 1): 187 -194.   [6]    Card oso JF , Soul oumi a c A.  Blin d Bea m for m i ng for no n-Gaussi an sig n a l s .   IEEE Proceedi ngs, Part F.  199 3; 140( 6): 362-3 70.   [7]    Y W ang, KT  Fang. A n o te o n  uniform  distrib u tion  an d e x p e r iments d e sig n .   Kexue T o n g b ao (C hin e se   Scienc e Bull eti n ) . 1981; 2 6 (6) :  485.  [8]    Como n P. T e n s or Dia go nal iz ation, a Us eful   T ool  in Si gn al  Processin g ’, i n  Blank e M., Soderstrom M.   (Eds.)  IF AC-SYSID 10th Symp o-siu m   on S ystem Ide n tific a tion, De n m ark , 1994; 1: 77-8 2 [9]    Chalk i d a , Greece. Blin d sig nal pr ocessi ng  algorit hms,  12th Int. W o rkshop o n  Systems, Sign als &   Imag e Process i ng . 20 05: 22- 2 4 [10]   yvar in en A, Karhun en J, Oja  E. Indepe nde nt  Compo nent A nal ysis.  Jo hn  W iley & Sons , 200 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.