基于时间序列分析的PCB钻机异常检测与稼动率研究

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钻孔是印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)制造中的重要工序。钻机的稼动率优化是提升PCB生产效率的重要手段。造成钻机稼动率流失的原因包括操作工序因素、机械故障、随机环境因素等多个方面。在当前的生产实践中,从PCB钻机的自有数据接口采集到的结构化数据不能直接反馈出设备的真实稼动率及稼动率流失的归因,制约了产线效率的进一步优化。在详细调研产线作业流程的基础上,本文提出了基于时序数据挖掘的稼动率精细化分析思路,旨在从原始细节数据的时间变化中挖掘出高层、抽象的生产状态信息,比如识别拆换板处理、测试打孔等生产环节。然而,钻机的时序数据具有维度高、依赖关系复杂、规律多变等特点,传统的模式分类和时间序列分析算法难以适用。因此,本文进一步提出了基于深度学习的PCB钻机异常检测与稼动率分析的新方法,具体包括以下两点研究内容。首先,本文提出基于长短期记忆网络(Long Short Term Memory,LSTM)的PCB钻机异常状态细分检测算法。该算法能够对原本的4种异常状态进行细分,通过LSTM时间序列分类模型识别出6种新增的异常状态类型。这些新增类型都能够与生产流程相对应,具有明确的语义。实验表明,本文提出的LSTM模型分类准确率达到93.17%,相比于传统机器学习算法提高了 10.48%。其次,在精细化生产状态识别的基础上,本文建立了稼动率流失归因的分析机制,并提出了基于LSTM的PCB钻机稼动率预测方法。实验结果显示,相比其它三种常规的时间序列预测算法,本文提出算法的预测误差降低了 12.49%以上,系统拟合程度R2达到0.8147,在小时粒度上的预测值变化趋势和真实值基本吻合。在工程实践方面,本文在兼容现有PCB钻机管理软件的前提下,开发了实时调用数据库的数据分析接口,初步实现了异常分类和稼动率预测的功能模块。研究表明,本文提出的异常状态检测与稼动率分析算法具有较好的实用性,能为生产管理者提供有助于提升PCB钻机稼动率的关键信息。
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