一種基于指令域分析的數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程cps建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程的CPS建 模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化設(shè)備，它嚴(yán)格按照加工程序，自動(dòng)的對(duì)被加工工件 進(jìn)行加工，把從數(shù)控系統(tǒng)外部輸入的直接用于加工的程序稱(chēng)為數(shù)控加工程序，也稱(chēng)為G代 碼，數(shù)控加工程序表達(dá)了數(shù)控機(jī)床要完成的全部動(dòng)作。一個(gè)完整的數(shù)控加工程序由程序名、 程序內(nèi)容和程序結(jié)束指令三部分組成，程序內(nèi)容是整個(gè)數(shù)控加工程序的核心，它由若干個(gè) 程序段組成，每個(gè)程序段是一個(gè)完整的加工工步單元，它由若干個(gè)指令字組成。指令字是指 一系列按規(guī)定排列的字符，作為一個(gè)信息單元存儲(chǔ)、傳遞和操作。指令字是由一個(gè)英文字母 與隨后的若干位十進(jìn)制數(shù)字組成，這個(gè)英文字母稱(chēng)為地址符，如："Y100"是一個(gè)指令字，Y 為地址符，數(shù)字"100"為地址中的內(nèi)容。指令字是數(shù)控加工程序中最小的有效單位。把一 系列數(shù)控加工程序的程序段按照加工順序進(jìn)行排列，所構(gòu)成的一個(gè)序列，稱(chēng)為指令序列。對(duì) 指令序列從〇開(kāi)始按順序進(jìn)行編號(hào)，得到指令序列號(hào)。
[0003] CPS (Cyber-Physical System)是在感知的基礎(chǔ)上，融合計(jì)算、通信與控制于一體 的下一代智能系統(tǒng)，其體系構(gòu)架通常由設(shè)備層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、認(rèn)知層和控制層組成。通過(guò) 對(duì)物理空間PS(Physical Space)中的機(jī)器、設(shè)備、車(chē)間、工廠(chǎng)的信息感知、數(shù)據(jù)采集、傳輸、 存儲(chǔ)、挖掘和分析，在賽博空間（Cyber Space)中，建立與物理機(jī)器（Machine)之相映射的 數(shù)字化機(jī)器（i-Machine)，或稱(chēng)之為物理機(jī)器在CPS認(rèn)知層上的數(shù)字化模型（或簡(jiǎn)稱(chēng)為機(jī)器 的CPS模型）。
[0004]目前，CPS建模集中于基于數(shù)學(xué)和物理計(jì)算的CPS模型建模方法，但由于數(shù)控機(jī) 床、刀具、夾具和工件等組成的工藝系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)、電、控、材料變形一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，通 用的數(shù)學(xué)、物理方法，難以精確描述數(shù)控機(jī)床的CPS模型。而且理論模型中的大量參數(shù)，如 機(jī)床的阻尼、剛度、材料特性等，因機(jī)床裝配質(zhì)量、加工工況等不同，具有較大的分散度，導(dǎo) 致理論模型的仿真結(jié)果與實(shí)際情況相差很大，影響實(shí)際使用效果。而近年來(lái)，基于物聯(lián)網(wǎng)、 大數(shù)據(jù)的CPS建模方法，很大程度上彌補(bǔ)了基于數(shù)學(xué)和物理建模方法的缺點(diǎn)，盡管如此，目 前該建模方法還存在著對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)描述不完備、不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)。
[0005] 專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102023615A中披露來(lái)一種基于指令序列的數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)信息顯 示方法，其通過(guò)獲取指令序列號(hào)、指令執(zhí)行時(shí)間和加工狀態(tài)信息，并通過(guò)映射，顯示基于指 令序列的加工狀態(tài)信息曲線(xiàn)，該方法可以使信息數(shù)據(jù)獲取全面而且實(shí)時(shí)性高，有利于用戶(hù) 對(duì)加工狀況的分析和診斷，讓用戶(hù)對(duì)指令序列和加工狀態(tài)信息的同時(shí)觀測(cè)更簡(jiǎn)便和清晰。 但是，該方案存在以下不足：一是只考慮了機(jī)床加工時(shí)的狀態(tài)，而未考慮機(jī)床空運(yùn)行時(shí)的狀 態(tài)；二是對(duì)于機(jī)床加工狀態(tài)信息的描述只考慮了指令序列信息和加工狀態(tài)信息，而并未考 慮與加工相關(guān)的情境數(shù)據(jù)（比如采用不同刀具）；三是其中的映射關(guān)系僅僅只是用于可視 化，并沒(méi)有進(jìn)一步升華為數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程CPS的建模方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種基于指令域分析的數(shù)控機(jī) 床工作過(guò)程的CPS建模方法，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床全生命周期中最重要的工作過(guò)程階段 的CPS建模，通過(guò)可視化的過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)的完備性、精確性描述。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供一種基于指令域分析的數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程CPS 建模方法，其步驟包括：
[0008] (1)在數(shù)控機(jī)床執(zhí)行工作任務(wù)前，確定事前工作任務(wù)數(shù)據(jù)WI；和事前制造資源數(shù)據(jù) MR〇；
[0009] 工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT是指數(shù)控機(jī)床所需要完成的工作內(nèi)容。在指令域內(nèi)，按照指令序 列i和指令執(zhí)行時(shí)間t來(lái)分析某一特定的G代碼程序，即可得到該G代碼程序所描述的工 作任務(wù)數(shù)據(jù)WT。
[0010] 指令域是指數(shù)控加工的G代碼指令序列i和該指令序列在數(shù)控系統(tǒng)上順序執(zhí)行所 對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列t的集合。指令域既包含了時(shí)間的先后順序，也包含了指令執(zhí)行的先后順 序。
[0011] 工作任務(wù)數(shù)據(jù)除了指令序列號(hào)、指令執(zhí)行時(shí)間外，還包括了刀具軌跡、換刀信息和 主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)信息。針對(duì)于工作任務(wù)數(shù)據(jù)而言，根據(jù)其是否需要在機(jī)床工 作過(guò)程中進(jìn)行采集分為兩類(lèi)：事前記錄工作任務(wù)數(shù)據(jù)和事中采集工作任務(wù)數(shù)據(jù)，分別記為 WT。和WT'，令工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT = {WT'，WT d。而本步驟中需要記錄的任務(wù)數(shù)據(jù)WI；優(yōu)選包 括：刀具軌跡，換刀信息、切削深度信息等。
[0012] 制造資源數(shù)據(jù)MR是指數(shù)控機(jī)床完成特定工作所需的外部條件，它既包含由機(jī)床、 刀具、夾具、工件、材料等組成的工藝系統(tǒng)，又包含溫度、振動(dòng)等數(shù)控機(jī)床的工作外部環(huán)境因 素。針對(duì)于制造資源數(shù)據(jù)而言，根據(jù)其是否需要在機(jī)床工作過(guò)程中進(jìn)行采集分為兩類(lèi)：事 前記錄制造資源數(shù)據(jù)和事中采集制造資源數(shù)據(jù)，分別記為MRjP MR'，令制造資源數(shù)據(jù)MR = {MR'，MRJ。需要記錄制造資源數(shù)據(jù)M&主要包括：所使用機(jī)床類(lèi)型及參數(shù)、刀具類(lèi)型及參 數(shù)、夾具類(lèi)型及參數(shù)、工件材料及參數(shù)等。
[0013] (2)在步驟（1)中所確定的工作任務(wù)WT。和制造資源MR。條件下，使數(shù)控機(jī)床工作， 采集數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中的內(nèi)部電控?cái)?shù)據(jù)和外部傳感器數(shù)據(jù)，得到數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù) Y、事中工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT'以及事中制造資源數(shù)據(jù)MR' ；
[0014] 運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)Y是指零件數(shù)控加工的質(zhì)量、精度和效率優(yōu)劣直接或間接的定量描 述，它既包含機(jī)床完成工作任務(wù)過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的由控制信號(hào)和反饋信號(hào)構(gòu)成 的海量電控?cái)?shù)據(jù)（內(nèi)部電控?cái)?shù)據(jù)），如主軸功率、主軸電流、進(jìn)給軸電流、位置跟隨誤差、指 令位置、實(shí)際位置、指令速度、實(shí)際速度、指令加速度、實(shí)際加速度和數(shù)控系統(tǒng)中寄存器數(shù)據(jù) 等；也包括通過(guò)外部傳感器采集的物理和幾何數(shù)據(jù)，如切削力、溫度、振動(dòng)、聲發(fā)射信號(hào)、空 間誤差、熱變形、零件尺寸精度、零件形位精度和零件表面粗糙度等。令運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)為集 合Y= {yi，y2，…yj。需要指出：運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以?xún)?nèi)部電控?cái)?shù)據(jù)為主，外接傳感器數(shù) 據(jù)為輔；工作過(guò)程除了機(jī)床的加工過(guò)程，還包括機(jī)床空運(yùn)行過(guò)程。
[0015] 需要采集事中工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT'是指獲取機(jī)床工作過(guò)程中的內(nèi)部電控?cái)?shù)據(jù)：指令 序列號(hào)i、執(zhí)行對(duì)應(yīng)指令序列時(shí)間t、進(jìn)給速度F和主軸轉(zhuǎn)速S等，記WT' = {xT1，xT2,…義^}， 采集事中制造資源數(shù)據(jù)MR'是指獲取機(jī)床工作過(guò)程中的外部環(huán)境數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫度和振動(dòng) 等，記 MR - {xR1，xR2，…xRS} 〇
[0016] (3)將所述事前和事中的制造資源MR、事前和事中的工作任務(wù)WT作為輸入，所 述數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)Y作為輸出，在賽博空間（Cyber Space)建立相關(guān)映射關(guān)系Y = f(WT，MR)，以該映射關(guān)系作為數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程的CPS模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程的 CPS建模。
[0017] 本發(fā)明中，步驟（3)中的映射關(guān)系不是通過(guò)解析模型的方式進(jìn)行建立，而是通過(guò) 采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)列表或者通過(guò)圖形的方式進(jìn)行映射，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本足夠多時(shí)，此種映射關(guān)系 可以接近真實(shí)地被反映。
[0018] 按照相同的采樣周期對(duì)工作任務(wù)數(shù)據(jù)、制造資源數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 第k個(gè)采樣周期得到的數(shù)據(jù)為
和產(chǎn)=ivf,尤。按照指令域的方法進(jìn)行映射，一條指令序列i可以對(duì)應(yīng)j個(gè)采樣周 期，則在一個(gè)指令序列內(nèi)MR，WT和Y映射關(guān)系如圖1所示，而整個(gè)G代碼執(zhí)行期間的其他指 令序列的映射關(guān)系參照?qǐng)D1的方式進(jìn)行，因此建立了基于指令域的映射方法。
[0019] 進(jìn)一步的，還可在指令域內(nèi)對(duì)該映射關(guān)系進(jìn)行可視化表達(dá)，即在二維坐標(biāo)系上，以 指令序列號(hào)和指令執(zhí)行時(shí)間兩個(gè)標(biāo)尺作為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（如電流、 功率等）或數(shù)學(xué)處理后所提取特征數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，形成數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程CPS模型的指令 域波形圖。
[0020] 優(yōu)選地，可以通過(guò)對(duì)縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行著色來(lái)對(duì)不同指令序列段進(jìn)行區(qū)分，具體而 言是指對(duì)相同指令序列號(hào)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)以相同顏色進(jìn)行著色，相鄰指令段間以不同顏 色進(jìn)行著色。
[0021] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上方法與現(xiàn)有方法對(duì)比，可以取得如下有益效 果：
[0022] (1)本發(fā)明的方法避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理建模過(guò)程，以及由于上述過(guò)程所帶來(lái) 的不準(zhǔn)確、不實(shí)用的問(wèn)題；
[0023] (2)本發(fā)明的方法通過(guò)制造資源數(shù)據(jù)MR和工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT的獲取，并結(jié)合運(yùn)行狀 態(tài)數(shù)據(jù)Y，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)的完備和精準(zhǔn)描述；
[0024] (3)本發(fā)明的方法充分考慮了制造資源、工作任務(wù)與運(yùn)行狀態(tài)之間的映射關(guān)系，該 種映射關(guān)系能反映數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程CPS本質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是機(jī)床工作任務(wù)數(shù)據(jù)、制造資源數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的映射；
[0026] 圖2是具體實(shí)施例的實(shí)施步驟流程
[0027] 圖3是具體實(shí)施例中機(jī)床工作任務(wù)數(shù)據(jù)、制造資源數(shù)據(jù)與運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的映射
[0028] 圖4是具體實(shí)施例中在指令域內(nèi)顯示的數(shù)控加工主軸電流波形圖
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之 間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0030] 圖2是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所構(gòu)建的CPS建模方法的步驟流程示意圖，結(jié)合該 圖2對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 本實(shí)施例中，一種基于指令域分析的數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程CPS建模方法包括如下步 驟：
[0032] 步驟1 :在數(shù)控機(jī)床執(zhí)行工作任務(wù)前，先記錄事前工作任務(wù)數(shù)據(jù)WI；和事前制造資 源數(shù)據(jù)MR。。
[0033] 工作任務(wù)數(shù)據(jù)WT是指數(shù)控機(jī)床所需要完成的工作內(nèi)容。在指令域內(nèi)，按照指令序 列i和指令執(zhí)行時(shí)間t來(lái)分析某一特定的G代碼程序，即可得到該G代碼程序所描述的工 作任務(wù)數(shù)據(jù)WT，因此工作任務(wù)數(shù)