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WTjP WT'，令工作任务数据WT = {WT'，WT ^。而本步骤中需要记录的工作任 务数据WI；主要包括：刀具轨迹，换刀信息M指令等。
[0034] 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。
[0035] 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MRjP MR'，令制造资源数据MR = {MR'，MRJ。需要记录制造资源数据M&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。
[0036] 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。
[0037] 本实施例中，事前制造资源数据M&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 060。
[0038] 事前工作任务数据WI；优选为G代码。
[0039] (2)在步骤（1)中的事前工作任务WT。和事前制造资源MR。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'。
[0040] 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= {yi，y2，…yj。
[0041] 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' = {xT1，xT2, ???xj，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 - {xE1, xE2, **? xES} 〇
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] (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。
[0045] 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。
[0046] 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：
和产=彳_vK…, <丨。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。
[0047] 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= {Fk，Sk，ik，tk，WTJ，MR k= {Tk，MRJ和产=。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。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 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。
【主权项】
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WTtl和事前制造资源数据MRtl, 其中，所述事前工作任务数据WTtl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MRtl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WTjP事前制造资源MR^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（CyberSpace)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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G05B19/18
【公开号】CN104932421
【申请号】CN201510344786
【发明人】陈吉红, 杨建中, 许光达, 周会成, 向华
【申请人】华中科技大学, 武汉华中数控股份有限公司
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月19日