[发明专利]一种基于指令域分析的数控机床工作过程CPS建模方法

说明书

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。