CN115220397B - 一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法及系统，属于数控加工技术领域。方法包括：采集数控加工过程中的工艺参数、主轴功率、指令信息和外部响应信号；对外部响应信号去噪平滑；基于信号相关性分析的方法实现外部响应信号与数控系统内部响应信号的时间起点同步；使用曲线拟合的方法实现不同频率信号的时间同步，基于邻域实现工艺参数与响应数据的空间同步与标记；最终实现数控加工中工艺数据与响应数据的自动标定，获得对应的“工况‑响应”描述。本发明针对数控加工中工艺信息与响应信息自动标记的多个难点，逐一进行解决，利用多项技术实现工艺信息与响应信息的快速准确标定，且简单易实现，具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明属于数控加工技术领域，更具体地，涉及一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法及系统。
背景技术
数控加工工艺系统是一个复杂的多响应的动态系统，当前普遍依赖外部传感器获取系统响应数据。一方面，外部传感器基于时域所采集的系统响应数据无法直接地对工况信息进行准确描述；另一方面，外部传感器数据类型多样，难以统一获取各传感器对同一工况下的系统响应描述。再者，工艺系统响应特性受到加工指令与环境因素的影响，通过实验方法对工艺系统的响应特性进行手动标记并提取的特征，无法适用于动态变化的工艺系统。
针对上述问题，本文基于数控加工领域独有的指令域和多项技术，实现数控加工工艺数据与响应数据的自动标记，实现工艺与响应的对应描述。进一步的，基于标记数据可以进行加工工况分析、提取适用于工艺系统响应建模的样本数据等。该技术可以节省大量数据处理所需的人力与时间，具有重大的应用价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法及系统，旨在解决数控加工中工艺信息与响应信息自动标定困难的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，包括：
S1，采集数控加工过程中的工艺参数、主轴功率、指令信息和外部响应信号；所述指令信息包括指令行号、指令位置和指令速度；
S2，根据指令位置确定切削起点，截取以切削起点为中心的第一时段T内的主轴功率，使空转阶段与切削阶段的数据量相等；以第二时段t为步长，提取相应特征并归一化处理得到主轴功率的特征数组X；
S3，以第i个采样点为外部响应信号起点，滑动截取T时段内的信号，以t为步长，提取相应特征并归一化处理得到外部响应信号的特征数组Yi；计算X与Yi的相似度Pi；
S4，设置初始相似度为P，若Pi小于P，则令i＝i+1并跳转至S3；若Pi大于P则更新P＝Pi，令i＝i+1并跳转至S3，直至Pj+1小于Pj，则结束计算，并以Yj对应的T时段的中点为外部响应信号的切削起点，其中，j＝i,i+1,i+2,…；
S5，主轴功率与外部响应信号实现时间起点同步后，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，得到包含指令信息的响应数据；
S6，将工艺参数与包含指令信息的响应数据在空间上同步，从而实现工艺参数与响应数据的对应标记。
进一步地，所述S6包括：
S61，统一工艺参数中工件坐标与指令位置中机床坐标所在的坐标系；
S62，根据刀位点的行号信息定位候选响应序列范围，并定义刀位点邻域范围；
S63，计算候选响应序列与刀位点的距离，若在邻域范围内，则为该刀位点对应的响应数据，直至遍历所有候选响应序列；
S64，遍历所有刀位点，对齐邻域内的响应数据，实现工艺参数与响应数据的对应标记。
进一步地，所述S62中邻域范围定义为当前刀位点与左右相邻刀位点距离的较小值的k分之一，k为正整数。
进一步地，所述S5中，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，得到包含指令信息的响应数据，包括：利用曲线拟合的方式对二者中高频信号进行拟合，然后按照低频信号的时间间隔取值，完成时间同步工作，得到包含指令信息的响应数据。
进一步地，所述S2中，主轴功率的特征数组X表示为：X＝[X1,X2,…,Xn]，其中T＝nt，Xd对应[d,d+t]时段内的最大值或最小值，d＝1,2,…,n。
进一步地，所述S1之后，还包括：基于小波自适应阈值去噪方法对所述外部响应信号进行去噪处理。
第二方面，本发明提供了一种基于指令域的数控加工工艺数据标记系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过指令域上的空间信息(指令位置)和时间信息(主轴功率)，基于信号相关性分析的方法实现外部响应信号与数控系统内部响应信号的时间起点同步，消除时间误差，在此基础上，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，使多种信号均为对应时刻的观测描述，从而得到包含指令信息的响应数据；进一步，将工艺参数与包含指令信息的响应数据在空间上同步，从而实现工艺参数与响应数据的对应标记。如此，本发明针对数控加工中工艺信息与响应信息自动标记的多个难点，逐一进行解决，利用多项技术实现工艺信息与响应信息的快速准确标定，获得“工况-响应”的对应描述。该技术能有效解决现存困难，且简单易实现，具有广泛的适用性。
(2)本发明为综合利用更多响应数据，定义刀位点邻域范围，然后在刀位点对应的候选响应序列范围内寻找对应的响应数据。
(3)本发明使用曲线拟合的方法实现不同频率信号的时间同步。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法的流程示意图之一。
图2是本发明实施例提供的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法的流程示意图之二。
图3是本发明实施例提供的空间位置对齐示意图。
图4是本发明实施例提供的刀位点邻域定义示意图。
图5是本发明实施例提供的工艺数据标记响应数据结果图。
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，对本发明进行进一步详细说明。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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例1
参阅图1，结合图2至图4，本发明提供了一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，包括操作S1至操作S6。
操作S1，采集数控加工过程中的工艺参数、主轴功率、指令信息和外部响应信号；所述指令信息包括指令行号、指令位置和指令速度。
本实施例中，工艺参数提取算法为数控切削几何仿真，算法以G代码、刀具几何信息、毛坯尺寸信息作为输入，并通过定义切削深度和切削宽度，实现离散刀位点处的切宽、切深的提取。通过工艺参数提取算法可以从工艺任务中获取指令行号、刀位点位置坐标、主轴转速、进给速度、切削宽度、切削深度等信息。
本发明使用的华中9型智能数控系统开放有内部数据采样通道，配有SSTT数据采集软件。通过网线连接数控系统和采集软件，软件可自定义采样通道，采集多通道的毫秒级的数控系统内部数据。采集数据项有：指令行号、指令位置、指令速度、主轴功率。
对于外部响应信号，选择切削负载响应进行研究，本发明采用Spike无线动态测量系统采集切削响应信号。该测量系统独立于数控系统和数控机床之外，自带独有的数据传输方式和数据采集软件。该测量系统可监测加工过程中的弯矩信号。
进一步的，由于外部响应信号受环境等影响存在噪声数据，故使用小波去噪方法去除噪声，提升数据有效性。小波去噪的相关参数如下：
操作S2，根据指令位置确定切削起点，截取以切削起点为中心的第一时段T内的主轴功率，使空转阶段与切削阶段的数据量相等；以第二时段t为步长，提取相应特征并归一化处理得到主轴功率的特征数组X。
本实施例中，操作S2包括：
S21，根据指令位置确定切削起点，截取以切削起点为中心的第一时段T内的主轴响应信号x，使空转阶段与切削阶段的数据量相等。
S22，以第二时段t为步长，提取相应特征，得到特征序列[x1,x2,…,xn]，其中T＝nt，xd为[d,d+t]时段内的最大值或最小值，d＝1,2,…,n；将特征序列[x1,x2,…,xn]归一化处理得到主轴功率的特征数组X＝[X1,X2,…,Xn]。归一化处理公式如下：
操作S3，以第i个采样点为外部响应信号起点，滑动截取T时段内的信号，以t为步长，提取相应特征并归一化处理得到外部响应信号的特征数组Yi；计算X与Yi的相似度Pi。
本实施例中，采用与S2中同样的方式，可以得到外部响应信号的特征数组Yi＝[Yi1,Yi2,…,Yin]。
X与Yi的相似度Pi计算公式如下：
操作S4，设置初始相似度为P，若Pi小于P，则令i＝i+1并跳转至S3；若Pi大于P则更新P＝Pi，令i＝i+1并跳转至S3，直至Pj+1小于Pj，则结束计算，并以Yj对应的T时段的中点为外部响应信号的切削起点，其中，j＝i,i+1,i+2,…。
本实施例中，设置初始相似度为P，首次相遇标记Flag＝False；
若Pi小于P且Flag为False，则令i＝i+1并跳转至S3；
若Pi大于P则更新P＝Pi，且更新Flag为True，令i＝i+1并跳转至S3，直至Pj+1小于Pj，则结束计算，并以Yj对应的T时段的中点为外部响应信号的切削起点，其中，j＝i,i+1,i+2,…。
可以理解的是，本发明先设置初始相似度为P，当找到相似度更高的Pi后，以Pi为新的相似度阈值，继续找寻更高的相似度，直至找到最高的相似度，并以其对应的T时段的中点为外部响应信号的切削起点。
进一步地，为避免外部响应信号的切削起点不正确，还需要对时间起点同步后的整体数据进行相关性校验。
操作S5，主轴功率与外部响应信号实现时间起点同步后，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，得到包含指令信息的响应数据。
本实施例中，利用曲线拟合的方式对二者中高频信号进行拟合，然后按照低频信号的时间间隔取值，完成时间同步工作，得到包含指令信息的响应数据Qi＝[Ni,Xi,Yi,Zi,Spoweri,Bendingi]，其中，Ni表示指令行号，Xi,Yi,Zi表示指令位置，Spoweri表示主轴功率，Bendingi表示外部响应信号。
操作S6，将工艺参数与包含指令信息的响应数据在空间上同步，从而实现工艺参数与响应数据的对应标记。
本实施例中，操作S6包括：
S61，工艺参数包含工件坐标下的位置信息，指令位置为机床坐标系下坐标系转换，通过统一坐标系消除数据之间的空间位置偏移，如图3所示，为了更好的展示对齐效果，图像进行了一定偏移。
S62，根据刀位点Pm的行号信息快速定位可能的响应序列范围Q＝[Q0,Q1,…,Qn]，作为候选响应序列范围；为综合利用更多响应数据，定义刀位点邻域范围，然后在刀位点对应的候选响应序列范围内寻找对应的响应数据。
如图4所示，对于某刀位点Pm＝[Nm,Xm,Ym,Zm,Fm,Sm,Apm,Aem]，其中，Nm表示指令行号，Xm,Ym,Zm表示刀位点位置坐标，Fm表示进给速度，Sm表示主轴转速，Apm表示切削深度，Aem表示切削宽度。邻域范围δ定位为当前刀位点与左右相邻刀位点距离的较小值的k分之一，k为正整数，计算公式如下，实际的k值可根据研究目的和实验数据情况综合考量。
S63，计算候选响应序列Qi＝[Ni,Xi,Yi,Zi,Spoweri,Bendingi]与Pm的距离，若在邻域范围内，则为Pm的对应的响应数据。若不在，则继续遍历。
S64，遍历所有刀位点，对齐邻域内的响应数据；若邻域内为空，则进行标注。
S65，根据研究目的，提取邻域内响应数据的最大值特征。
应用本发明方法，对多工况的实验数据进行标记处理，使用材料去除率(MRR)代表工况，响应数据为主轴功率和切削弯矩，标记结果如图5所示。可以看出，本发明能够对数控加工中工艺参数和切削负载响应数据进行快速标记，解决外部响应数据无法直接对应工况等问题。
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)
1.一种基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，包括：
S1，采集数控加工过程中的工艺参数、主轴功率、指令信息和外部响应信号；所述指令信息包括指令行号、指令位置和指令速度；
S2，根据指令位置确定切削起点，截取以切削起点为中心的第一时段T内的主轴功率，使空转阶段与切削阶段的数据量相等；以第二时段t为步长，提取相应特征并归一化处理得到主轴功率的特征数组X；
S3，以第i个采样点为外部响应信号起点，滑动截取T时段内的信号，以t为步长，提取相应特征并归一化处理得到外部响应信号的特征数组Yi；计算X与Yi的相似度Pi；
S4，设置初始相似度为P，若Pi小于P，则令i＝i+1并跳转至S3；若Pi大于P则更新P＝Pi，令i＝i+1并跳转至S3，直至Pj+1小于Pj，则结束计算，并以Yj对应的T时段的中点为外部响应信号的切削起点，其中，j＝i,i+1,i+2,…；
S5，主轴功率与外部响应信号实现时间起点同步后，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，得到包含指令信息的响应数据；
S6，将工艺参数与包含指令信息的响应数据在空间上同步，从而实现工艺参数与响应数据的对应标记。
2.根据权利要求1所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，所述S6包括：
S61，统一工艺参数中工件坐标与指令位置中机床坐标所在的坐标系；
S62，根据刀位点的行号信息定位候选响应序列范围，并定义刀位点邻域范围；
S63，计算候选响应序列与刀位点的距离，若在邻域范围内，则为该刀位点对应的响应数据，直至遍历所有候选响应序列；
S64，遍历所有刀位点，对齐邻域内的响应数据，实现工艺参数与响应数据的对应标记。
3.根据权利要求2所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，所述S62中邻域范围定义为当前刀位点与左右相邻刀位点距离的较小值的k分之一，k为正整数。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，所述S5中，将二者中高频信号对齐低频信号的时刻，得到包含指令信息的响应数据，包括：利用曲线拟合的方式对二者中高频信号进行拟合，然后按照低频信号的时间间隔取值，完成时间同步工作，得到包含指令信息的响应数据。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，所述S2中，主轴功率的特征数组X表示为：X＝[X1,X2,…,Xn]，其中T＝nt，Xd对应[d,d+t]时段内的最大值或最小值，d＝1,2,…,n。
6.根据权利要求1至3任一项所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法，其特征在于，所述S1之后，还包括：基于小波自适应阈值去噪方法对所述外部响应信号进行去噪处理。
7.一种基于指令域的数控加工工艺数据标记系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-6任一项所述的基于指令域的数控加工工艺数据标记方法。
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| 基于指令域的铣削加工工艺数据标记及样本提取技术;娄家乐;《万方》;20230705;全文 * |
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