CN104932421A - 一种基于指令域分析的数控机床工作过程cps建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开来一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，包括如下步骤：(1)在数控机床执行工作任务前，确定事前工作任务数据和事前制造资源数据；(2)采集数控机床工作过程中的内部电控数据和外部传感器数据，得到数控机床运行状态数据、事中工作任务数据以及事中制造资源数据；(3)将制造资源、工作任务作为输入，数控机床运行状态作为输出，在赛博空间建立相关映射关系，以该映射关系作为数控机床工作过程的CPS模型，实现对数控机床工作过程的CPS建模。本发明的方法通过制造资源数据和工作任务数据的获取并结合运行状态数据，实现了对数控机床工作状态的完备和精准描述，避免了复杂的数学和物理建模过程，充分考虑了制造资源、工作任务与运行状态之间的映射关系。

Description

一种基于指令域分析的数控机床工作过程CPS建模方法

技术领域

本发明属于数控系统技术领域，更具体地，涉及一种数控机床工作过程的CPS建模方法。

背景技术

数控机床是一种高效的自动化设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工，把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，也称为G代码，数控加工程序表达了数控机床要完成的全部动作。一个完整的数控加工程序由程序名、程序内容和程序结束指令三部分组成，程序内容是整个数控加工程序的核心，它由若干个程序段组成，每个程序段是一个完整的加工工步单元，它由若干个指令字组成。指令字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。指令字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符，如：“Y100”是一个指令字，Y为地址符，数字“100”为地址中的内容。指令字是数控加工程序中最小的有效单位。把一系列数控加工程序的程序段按照加工顺序进行排列，所构成的一个序列，称为指令序列。对指令序列从0开始按顺序进行编号，得到指令序列号。

CPS(Cyber-Physical System)是在感知的基础上，融合计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，其体系构架通常由设备层、感知层、网络层、认知层和控制层组成。通过对物理空间PS(Physical Space)中的机器、设备、车间、工厂的信息感知、数据采集、传输、存储、挖掘和分析，在赛博空间(Cyber Space)中，建立与物理机器(Machine)之相映射的数字化机器(i-Machine)，或称之为物理机器在CPS认知层上的数字化模型(或简称为机器的CPS模型)。

目前，CPS建模集中于基于数学和物理计算的CPS模型建模方法，但由于数控机床、刀具、夹具和工件等组成的工艺系统是一个机、电、控、材料变形一体化的复杂系统，通用的数学、物理方法，难以精确描述数控机床的CPS模型。而且理论模型中的大量参数，如机床的阻尼、刚度、材料特性等，因机床装配质量、加工工况等不同，具有较大的分散度，导致理论模型的仿真结果与实际情况相差很大，影响实际使用效果。而近年来，基于物联网、大数据的CPS建模方法，很大程度上弥补了基于数学和物理建模方法的缺点，尽管如此，目前该建模方法还存在着对数控机床状态描述不完备、不精准的缺点。

专利文献CN102023615A中披露来一种基于指令序列的数控机床加工状态信息显示方法，其通过获取指令序列号、指令执行时间和加工状态信息，并通过映射，显示基于指令序列的加工状态信息曲线，该方法可以使信息数据获取全面而且实时性高，有利于用户对加工状况的分析和诊断，让用户对指令序列和加工状态信息的同时观测更简便和清晰。但是，该方案存在以下不足：一是只考虑了机床加工时的状态，而未考虑机床空运行时的状态；二是对于机床加工状态信息的描述只考虑了指令序列信息和加工状态信息，而并未考虑与加工相关的情境数据(比如采用不同刀具)；三是其中的映射关系仅仅只是用于可视化，并没有进一步升华为数控机床工作过程CPS的建模方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其可以实现对数控机床全生命周期中最重要的工作过程阶段的CPS建模，通过可视化的过程实现对数控机床状态的完备性、精确性描述。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种基于指令域分析的数控机床工作过程CPS建模方法，其步骤包括：

(1)在数控机床执行工作任务前，确定事前工作任务数据WT₀和事前制造资源数据MR₀；

工作任务数据WT是指数控机床所需要完成的工作内容。在指令域内，按照指令序列i和指令执行时间t来分析某一特定的G代码程序，即可得到该G代码程序所描述的工作任务数据WT。

指令域是指数控加工的G代码指令序列i和该指令序列在数控系统上顺序执行所对应的时间序列t的集合。指令域既包含了时间的先后顺序，也包含了指令执行的先后顺序。

工作任务数据除了指令序列号、指令执行时间外，还包括了刀具轨迹、换刀信息和主轴转速、进给速度等工艺参数信息。针对于工作任务数据而言，根据其是否需要在机床工作过程中进行采集分为两类：事前记录工作任务数据和事中采集工作任务数据，分别记为WT₀和WT’，令工作任务数据WT＝{WT',WT₀}。而本步骤中需要记录的任务数据WT₀优选包括：刀具轨迹，换刀信息、切削深度信息等。

制造资源数据MR是指数控机床完成特定工作所需的外部条件，它既包含由机床、刀具、夹具、工件、材料等组成的工艺系统，又包含温度、振动等数控机床的工作外部环境因素。针对于制造资源数据而言，根据其是否需要在机床工作过程中进行采集分为两类：事前记录制造资源数据和事中采集制造资源数据，分别记为MR₀和MR’，令制造资源数据MR＝{MR',MR₀}。需要记录制造资源数据MR₀主要包括：所使用机床类型及参数、刀具类型及参数、夹具类型及参数、工件材料及参数等。

(2)在步骤(1)中所确定的工作任务WT₀和制造资源MR₀条件下，使数控机床工作，采集数控机床工作过程中的内部电控数据和外部传感器数据，得到数控机床运行状态数据Y、事中工作任务数据WT’以及事中制造资源数据MR’；

运行状态数据Y是指零件数控加工的质量、精度和效率优劣直接或间接的定量描述，它既包含机床完成工作任务过程中，数控系统内部产生的由控制信号和反馈信号构成的海量电控数据(内部电控数据)，如主轴功率、主轴电流、进给轴电流、位置跟随误差、指令位置、实际位置、指令速度、实际速度、指令加速度、实际加速度和数控系统中寄存器数据等；也包括通过外部传感器采集的物理和几何数据，如切削力、温度、振动、声发射信号、空间误差、热变形、零件尺寸精度、零件形位精度和零件表面粗糙度等。令运行状态数据为集合Y＝{y₁,y₂,…y_m}。需要指出：运行状态数据的获取以内部电控数据为主，外接传感器数据为辅；工作过程除了机床的加工过程，还包括机床空运行过程。

需要采集事中工作任务数据WT’是指获取机床工作过程中的内部电控数据：指令序列号i、执行对应指令序列时间t、进给速度F和主轴转速S等，记WT'＝{x_T1,x_T2,…x_Tn}，采集事中制造资源数据MR’是指获取机床工作过程中的外部环境数据，如环境温度和振动等，记MR'＝{x_R1,x_R2,…x_RS}。

(3)将所述事前和事中的制造资源MR、事前和事中的工作任务WT作为输入，所述数控机床运行状态Y作为输出，在赛博空间(Cyber Space)建立相关映射关系Y＝f(WT,MR)，以该映射关系作为数控机床工作过程的CPS模型，实现对数控机床工作过程的CPS建模。

本发明中，步骤(3)中的映射关系不是通过解析模型的方式进行建立，而是通过采集的数据，通过列表或者通过图形的方式进行映射，当数据样本足够多时，此种映射关系可以接近真实地被反映。

按照相同的采样周期对工作任务数据、制造资源数据和运行状态数据进行采集，第k个采样周期得到的数据为： ${\mathrm{WT}}^k=\{x_{T1}^k,x_{T2}^k,...,x_{Tn}^k,{\mathrm{WT}}_0\},{\mathrm{MR}}^k=\{x_{R1}^k,x_{R2}^k,...,x_{RS}^k,{\mathrm{MR}}_0\}$ 和按照指令域的方法进行映射，一条指令序列i可以对应j个采样周期，则在一个指令序列内MR，WT和Y映射关系如图1所示，而整个G代码执行期间的其他指令序列的映射关系参照图1的方式进行，因此建立了基于指令域的映射方法。

进一步的，还可在指令域内对该映射关系进行可视化表达，即在二维坐标系上，以指令序列号和指令执行时间两个标尺作为横坐标，以对应的机床运行状态数据(如电流、功率等)或数学处理后所提取特征数据为纵坐标，形成数控机床工作过程CPS模型的指令域波形图。

优选地，可以通过对纵坐标数据进行着色来对不同指令序列段进行区分，具体而言是指对相同指令序列号对应的纵坐标数据以相同颜色进行着色，相邻指令段间以不同颜色进行着色。

总体而言，通过本发明所构思的以上方法与现有方法对比，可以取得如下有益效果：

(1)本发明的方法避免了复杂的数学和物理建模过程，以及由于上述过程所带来的不准确、不实用的问题；

(2)本发明的方法通过制造资源数据MR和工作任务数据WT的获取，并结合运行状态数据Y，实现了对数控机床工作状态的完备和精准描述；

(3)本发明的方法充分考虑了制造资源、工作任务与运行状态之间的映射关系，该种映射关系能反映数控机床工作过程CPS本质。

附图说明

图1是机床工作任务数据、制造资源数据与运行状态数据的映射；

图2是具体实施例的实施步骤流程

图3是具体实施例中机床工作任务数据、制造资源数据与运行状态数据的映射

图4是具体实施例中在指令域内显示的数控加工主轴电流波形图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是按照本发明一个实施例所构建的CPS建模方法的步骤流程示意图，结合该图2对本发明的方法进一步详细说明。

本实施例中，一种基于指令域分析的数控机床工作过程CPS建模方法包括如下步骤：

步骤1：在数控机床执行工作任务前，先记录事前工作任务数据WT₀和事前制造资源数据MR₀。

工作任务数据WT是指数控机床所需要完成的工作内容。在指令域内，按照指令序列i和指令执行时间t来分析某一特定的G代码程序，即可得到该G代码程序所描述的工作任务数据WT，因此工作任务数据除了指令序列号、指令执行时间外，还包括了刀具轨迹、换刀信息和主轴转速、进给速度等工艺参数信息。针对于工作任务数据而言，根据其是否需要在机床工作过程中进行采集分为两类：事前记录工作任务数据和事中采集工作任务数据，分别记为WT₀和WT’，令工作任务数据WT＝{WT',WT₀}。而本步骤中需要记录的工作任务数据WT₀主要包括：刀具轨迹，换刀信息M指令等。

指令域是指数控加工的G代码指令序列i和该指令序列在数控系统上顺序执行所对应的时间序列t的集合。指令域既包含了时间的先后顺序，也包含了指令执行的先后顺序。

制造资源数据MR是指数控机床完成特定工作所需的外部条件，它既包含由机床、刀具、夹具、工件、材料等组成的工艺系统，又包含温度、振动等数控机床的工作外部环境因素。针对于制造资源数据而言，根据其是否需要在机床工作过程中进行采集分为两类：事前记录制造资源数据和事中采集制造资源数据，分别记为MR₀和MR’，令制造资源数据MR＝{MR',MR₀}。需要记录制造资源数据MR₀主要包括：所使用机床类型及参数、刀具类型及参数、夹具类型及参数、工件材料及参数等。

本实施例中以车床加工台阶零件为例，进一步说明机床工作前需要记录的数据。但本发明的方法并不限于此。

本实施例中，事前制造资源数据MR₀为：配有优选为华中HNC-818A/T数控系统的CK4055斜床身车床、刀片型号CNMG12040、刀杆型号MCLNL2525M12、毛坯材料45钢和毛坯直径Φ60。

事前工作任务数据WT₀优选为G代码。

(2)在步骤(1)中的事前工作任务WT₀和事前制造资源MR₀条件下，使数控机床工作，采集数控机床工作过程中的内部电控数据和外部传感器数据，得到数控机床运行状态数据Y、事中工作任务数据WT’和事中制造资源数据MR’。

其中，运行状态数据Y是指零件数控加工的质量、精度和效率优劣直接或间接的定量描述，它既包含机床完成工作任务过程中，数控系统内部产生的由控制信号和反馈信号构成的海量电控数据，如主轴功率、主轴电流、进给轴电流、位置跟随误差、指令位置、实际位置、指令速度、实际速度、指令加速度、实际加速度和数控系统中寄存器数据等；也包括通过外部传感器采集的物理和几何数据，如切削力、温度、振动、空间误差、热变形、零件尺寸精度、零件形位精度和零件表面粗糙度等。令运行状态数据为集合Y＝{y₁,y₂,…y_m}。

采集事中工作任务数据WT’是指获取机床工作过程中的内部电控数据：指令序列号i、执行对应指令序列时间t、进给速度F和主轴转速S等，记WT'＝{x_T1,x_T2,…x_Tn}，采集事中制造资源数据MR’是指获取机床工作过程中的外部环境数据，如环境温度和振动等，记MR'＝{x_R1,x_R2,…x_RS}。

优选地，运行状态数据的获取以内部电控数据为主，外接传感器数据为辅；工作过程除了机床的加工过程，还包括机床空运行过程。

优选地，在车床台阶零件加工的实施例中，采集的状态数据Y为主轴电流i_s，采集的事中工作任务数据WT’是指令序列号i、指令执行时间t、进给速度F和主轴转速S，采集的事中制造资源数据MR’是温度T。

(3)将事前和事中制造资源MR、事前和事中工作任务WT作为输入，将数控机床运行状态Y作为输出，在赛博空间(Cyber Space)建立相关映射关系Y＝f(WT,MR)，以该映射关系作为数控机床工作过程CPS模型，并在指令域内对该映射关系进行可视化。

本实施例中，其中的映射关系不通过解析模型的方式进行建立，而是通过采集的数据，以列表或者通过图形的方式进行映射。当数据样本足够多时，此种映射关系可以接近真实地被反映。

按照相同的采样周期对工作任务数据、制造资源数据和运行状态数据进行采集，第k个采样周期得到的数据为： ${\mathrm{WT}}^k=\{x_{T1}^k,x_{T2}^k,...,x_{Tn}^k,{\mathrm{WT}}_0\},{\mathrm{MR}}^k=\{x_{R1}^k,x_{R2}^k,...,x_{RS}^k,{\mathrm{MR}}_0\}$ 和按照指令域的方法进行映射，一条指令序列i可以对应j个采样周期，则在一个指令序列内MR，WT和Y映射关系如图1所示，而整个G代码执行期间的其他指令序列的映射关系参照图1的方式进行，因此建立了基于指令域的映射方法。

对于车床加工台阶零件的映射关系，按照相同的采样周期对工作任务数据、制造资源数据和运行状态数据进行采集，第k个采样周期得到的数据为：WT^k＝{F^k,S^k,i^k,t^k,WT₀}，MR^k＝{T^k,MR₀}和按照指令域的方法进行映射，指令序列11可以对应2500个采样周期，则在第11行指令序列内MR，WT和Y映射关系可以建立图3所示的映射关系。

本发明中，优选还可以对映射关系进行可视化表达。具体地，可视化表达方法是指在二维坐标系上，以指令序列号和指令执行时间两个标尺作为横坐标，以对应的机床运行状态数据(如电流、功率等)或数学处理后所提取特征数据为纵坐标，形成数控机床工作过程CPS模型的指令域波形图。另外，优选地可以通过对纵坐标数据进行着色来对不同指令序列段进行区分，具体而言是指对相同指令序列号对应的纵坐标数据以相同颜色进行着色，相邻指令段间以不同颜色进行着色。

对于本实施例而言，利用指令域波形图，以指令序列号和指令执行时间两个标尺作为横坐标，以对应的车床切削过程中的主轴电流为纵坐标，并对不同指令段进行着色，可以清晰地显示零件车削加工过程中的映射关系，如图4所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在数控机床执行工作任务前，确定事前工作任务数据WT₀和事前制造资源数据MR₀，其中，所述事前工作任务数据WT₀包括刀具轨迹信息、换刀信息和切削深度信息，所述事前制造资源数据MR₀包括机床类型及参数、刀具类型及参数、夹具类型及参数和工件材料及参数；

(2)在上述所确定的事前工作任务WT₀和事前制造资源MR₀条件下，使数控机床工作，采集数控机床工作过程中的内部电控数据和外部传感器数据，得到数控机床运行状态数据Y、事中工作任务数据WT’以及事中制造资源数据MR’；

其中，所述数控机床运行状态数据Y指零件数控加工的质量、精度和效率优劣直接或间接的定量描述，所述事中工作任务数据WT’包括机床工作过程中的指令序列号、执行对应指令序列时间、进给速度和主轴转速，所述事中制造资源数据MR’为机床工作过程中的外部环境数据，包括环境温度和振动；

(3)将所述事前和事中制造资源称之为制造资源MR、事前和事中的工作任务数据称之为工作任务数据WT，以所述制造资源MR和工作任务数据WT作为输入，所述数控机床运行状态Y作为输出，在赛博空间(Cyber Space)建立相关映射关系Y＝f(WT,MR)，以该映射关系作为数控机床工作过程的CPS模型，即可实现对数控机床工作过程的CPS建模。

2.根据权利要求1所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，所述运行状态数据Y包括机床完成工作任务过程中，数控系统内部产生的由控制信号和反馈信号构成的内部电控数据，也包括通过外部传感器采集的物理和几何数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，所述内部电控数据包括主轴功率、主轴电流、进给轴电流、位置跟随误差、指令位置、实际位置、指令速度、实际速度、指令加速度、实际加速度以及数控系统中寄存器数据。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，所述事中工作任务数据WT’中的指令序列号、执行对应指令序列时间、进给速度和主轴转速来自于所述内部电控数据。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，所述外部传感器采集的物理和几何数据包括切削力、温度、振动、 声发射信号、空间误差、热变形、零件尺寸精度、零件形位精度和零件表面粗糙度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，还可在指令域内对所述映射关系进行可视化表达，即在二维坐标系上，以指令序列号和指令执行时间两个标尺作为横坐标，以对应的机床运行状态数据或数学处理后所提取特征数据为纵坐标，形成数控机床工作过程CPS模型的指令域波形图。

7.根据权利要求6所述的一种基于指令域分析的数控机床工作过程的CPS建模方法，其特征在于，还可以通过对纵坐标数据进行着色来对不同指令序列段进行区分，即对相同指令序列号对应的纵坐标数据以相同颜色进行着色，相邻指令段间以不同颜色进行着色。