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Detecção de defeitos em máquinas de fabricação de copos de papel utilizando sinais acústicos e de vibração com algoritmos de aprendizado de máquina e redes neurais

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dc.creator OLIVEIRA, Pedro Augusto Matelli Antunes de
dc.date.issued 2026-02-24
dc.identifier.citation OLIVEIRA, Pedro Augusto Matelli Antunes de. Detecção de defeitos em máquinas de fabricação de copos de papel utilizando sinais acústicos e de vibração com algoritmos de aprendizado de máquina e redes neurais. 2026. 108 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4386
dc.description.abstract Early detection of defects in industrial machinery is essential to ensure high operational availability, reduce maintenance costs, and prevent productivity losses, particularly within the context of Industry 4.0. This study proposes and evaluates an approach for fault diagnosis in paper cup manufacturing machines by integrating acoustic and vibration signals to detect slack in Chain 1 of the transmission system, a critical component for equipment synchronization. Data were collected during a real production process in a packaging company, ensuring practical representativeness of operational conditions. Nineteen experimental acquisitions were conducted based on a structured Design of Experiments (DOE), ensuring systematic variation of machine operating conditions. In total, approximately 50 minutes of recordings were obtained. The acquired signals were segmented into 5-second windows with 50% overlap, resulting in a dataset comprising 1,453 instances. The modeling stage was structured into two complementary approaches. The first was based on manual feature engineering, extracting statistical and spectral descriptors from audio and vibration signals and using them as input to traditional statistical models (Logistic Regression and Linear Discriminant Analysis) and classical machine learning algorithms, including Random Forest, Support Vector Machine, Multilayer Perceptron, and a soft-voting Ensemble model. The second approach employed deep learning through Convolutional Neural Networks (CNNs) applied to Mel spectrograms extracted exclusively from the audio signal, enabling automatic learning of relevant time–frequency representations for fault diagnosis. Model evaluation was performed using stratified internal validation and an external test set composed of completely unseen experimental runs, ensuring a rigorous estimation of generalization capability. To mitigate stochastic effects, experiments were repeated across multiple independent executions, and average performance metrics along with their confidence intervals were analyzed. Results indicate that multisensory integration of audio and vibration signals significantly improved performance and robustness compared to single-sensor approaches, substantially reducing the gap between validation and external testing. The feature-based approach achieved an average external test accuracy of 94% in its best multisensory configuration, while the CNN-based approach reached an average accuracy of 92% using audio alone, demonstrating competitive performance even under less intrusive instrumentation. Overall, the findings confirm that multisource sensory integration enhances diagnostic robustness, while deep learning approaches provide a promising alternative in scenarios with instrumentation constraints. The proposed method shows strong potential for predictive maintenance systems and quantitatively advances the application of Artificial Intelligence techniques in industrial fault diagnosis. pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Detecção de falhas pt_BR
dc.subject Indústria 4.0 pt_BR
dc.subject Inteligência artificial pt_BR
dc.subject Monitoramento online pt_BR
dc.title Detecção de defeitos em máquinas de fabricação de copos de papel utilizando sinais acústicos e de vibração com algoritmos de aprendizado de máquina e redes neurais pt_BR
dc.type Dissertação pt_BR
dc.date.available 2026-04-22
dc.date.available 2026-04-22T17:35:00Z
dc.date.accessioned 2026-04-22T17:35:00Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/8892835015067385 pt_BR
dc.contributor.advisor1 FRANCISCO, Matheus Brendon
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/8699242021339583 pt_BR
dc.description.resumo A detecção precoce de defeitos em máquinas industriais é essencial para garantir elevada disponibilidade operacional, reduzir custos de manutenção e evitar perdas de produtividade, especialmente no contexto da Indústria 4.0. Este trabalho propõe e avalia uma abordagem para o diagnóstico de falhas em máquinas de fabricação de copos de papel, integrando sinais acústicos e de vibração como fontes de informação para a detecção de folga na Corrente 1 do sistema de transmissão, componente crítico para o sincronismo do equipamento. Os dados foram coletados em um processo real de produção em uma empresa do setor de embalagens, assegurando representatividade prática das condições operacionais. Foram realizadas 19 coletas experimentais, definidas a partir de um planejamento estruturado de experimentos (Design of Experiments – DOE), assegurando a variação sistemática das condições de funcionamento da máquina. Ao todo, foram obtidos aproximadamente 50 minutos de gravações. Os sinais adquiridos foram segmentados em janelas temporais de 5 segundos, com sobreposição de 50%, resultando em uma base de dados composta por 1.453 instâncias. A etapa de modelagem foi estruturada em duas vertentes complementares. Na primeira, adotou-se uma abordagem baseada em engenharia de atributos, na qual foram extraídos descritores estatísticos e espectrais dos sinais de áudio e vibração, utilizados como entrada para modelos estatísticos tradicionais (Regressão Logística e Análise do Discriminante Linear) e algoritmos clássicos de aprendizado de máquina, incluindo Random Forest, Support Vector Machine, Perceptron Multicamadas e um modelo de Ensemble por votação. Na segunda vertente, foi empregada uma abordagem de aprendizado profundo baseada em Redes Neurais Convolucionais (CNNs), aplicadas a espectrogramas Mel extraídos exclusivamente do sinal de áudio, permitindo o aprendizado automático de representações tempo-frequência relevantes para o diagnóstico de falhas. A avaliação dos modelos foi conduzida por meio de validação interna estratificada e teste externo composto por ensaios completamente inéditos, garantindo uma estimativa rigorosa da capacidade de generalização. Para mitigar efeitos estocásticos, os experimentos foram repetidos ao longo de múltiplas execuções independentes, sendo analisadas métricas médias de desempenho e respectivos intervalos de confiança. Os resultados indicam que a fusão multissensorial de áudio e vibração promoveu ganhos consistentes de desempenho e robustez em relação às abordagens unissensoriais, reduzindo significativamente a discrepância entre validação e teste. Os modelos baseados em atributos apresentaram os melhores desempenhos globais quando utilizadas informações multissensoriais, alcançando elevadas acurácias e maior estabilidade estatística. A abordagem convolucional, embora restrita ao uso exclusivo do áudio, demonstrou melhor equilíbrio entre desempenho e generalização quando comparada aos modelos baseados apenas em atributos acústicos, evidenciando o potencial do aprendizado automático de representações para aplicações menos intrusivas. De forma geral, os resultados confirmam que a integração de múltiplas fontes sensoriais aumenta a robustez do diagnóstico de falhas, enquanto abordagens baseadas em aprendizado profundo representam uma alternativa promissora para cenários com restrições de instrumentação. A vertente baseada em engenharia de atributos alcançou acurácia média de 94% na melhor configuração multissensorial no teste externo. Já a vertente baseada em redes neurais convolucionais atingiu 92% de acurácia média, demonstrando desempenho competitivo mesmo em uma configuração menos intrusiva. Esses resultados evidenciam o potencial do método para aplicação em sistemas de manutenção preditiva e contribuem de forma quantitativa para o avanço do uso de técnicas de Inteligência Artificial no diagnóstico de falhas em máquinas industriais. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEPG - Instituto de Engenharia de Produção e Gestão pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Produção pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE PRODUÇÃO pt_BR


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