張 瑩 張 陽 夏衛(wèi)紅 吳寶海 張定華

1.航空發(fā)動機先進制造技術教育部工程研究中心(西北工業(yè)大學)，西安，7100722.航空發(fā)動機高性能制造工業(yè)與信息化部重點實驗室(西北工業(yè)大學)，西安，710072

0 引言

隨著制造技術信息化和智能化的發(fā)展，高端數控機床在數據感知方面的能力迅速提高，零件加工過程大量的現場數據可以通過相應的手段采集并進行實時的處理和分析，這些數據是研究零件加工工藝、優(yōu)化加工參數的重要依據[1]。然而由于采集到的加工過程數據為時域信號，無法與零件加工的空間位置一一對應，使得對加工過程信號的分析與零件分離，無法對加工結果與零件進行關聯分析。因此，研究數控系統數據采集和零件加工過程信息與零件位置信息的時空映射方法具有重要意義。

目前，針對加工過程的數據采集主要有4種方法[1]：①基于數控機床標準通信接口/第三方接口的數據采集方法[2]；②基于數控機床PLC的數據采集方法[3-4]；③基于數控機床電氣電路的數據采集方法[5-6]；④基于商業(yè)軟件的數據采集。在數控系統數據采集的研究上，國內外對Siemens和FANUC高級數控系統的研究較多并且技術較為成熟。但是對于國內外其他的數控系統數據采集，相關的研究還很少。由于數控系統的多樣性和通信接口的差異，導致目前數控機床運行狀態(tài)采集方案不具有普適性和兼容性。

通過數據采集方法獲得的加工現場數據是對加工工況的真實反映，但是加工過程信號難以與加工工況一一對應[7]。而時空映射模型目的是建立加工過程監(jiān)測信號與加工位置之間的時空對應關系。然而，由于加工過程信號種類眾多，國內外學者在相關研究中，多集中分析其中一種加工過程信號建立模型。按照加工過程信號的種類，時空映射模型可分為三種：切削力信號與加工位置的時空映射模型、加工振動與加工位置的時空映射模型和加工功率與加工位置的時空映射模型[7-9]。DE LACALLE等[8-9]研究了切削力與加工位置之間的相關性，采集了加工過程中的切削力和加工位置，在有效加工時間窗口內進行時空映射，通過相應的處理，生成切削力云圖和加工表面質量云圖。KLOCKE等[10]在葉輪的加工過程中，通過數控系統采集加工過程的加工位置，測力儀采集加工過程中的力，在加工過程中監(jiān)測到切削力異常時可通過監(jiān)測信號與加工位置時空映射來分析加工異常和干擾的源頭。BRAZEL等[11-12]研究了自由曲面磨削加工中加工過程中加工位置和功率的時空映射，生成了功率和比能量的云圖，以評估磨削加工過程的加工效率，研究表明過程監(jiān)控對識別和避免可能在選定的加工參數下導致表面完整性差的過程擾動是必要的。KRATZ[13]在薄壁部件的精銑過程中探索了面向位置的振動監(jiān)測，采集加工過程中主軸外殼加速度信號，對信號進行聯合時間頻率分析，提取振動幅值并在零件坐標系中繪制頻率和零件加工位置的云圖。

時空映射模型在切削加工中得到了廣泛的應用，時空映射方法比傳統的線性加工測方法試產生更多的信息，傳統測試中力僅被記錄為時間的函數，因此失去了與零件幾何形狀的關系。然而目前國內外對時空映射建模的研究，仍然局限在應用層次上的關系模型上，沒有確切的數學表達對模型進行描述，并且只在特定的加工過程信號上進行了初步的探索，對加工過程信號和加工工況的考慮片面性很明顯，因此對時空映射的模型建立仍然需要進行深入的研究。

本文利用基于數控機床標準通信接口/第三方接口的加工過程數據采集方法，建立了基于過程信號的時空映射模型，通過加工工況時域和空間離散處理，加工過程信號細分與標記，實現了時空數據知識關聯，將加工過程數據映射到零件空間，繪制加工過程數據物理云圖，對加工結果進行可視化分析，為加工過程數據監(jiān)測提供了新方法。

1 數據采集

數據采集是加工過程數據監(jiān)測和可視化分析的基礎，各種數據采集方法的優(yōu)缺點如表1所示。對于目前廣泛應用的高端數控系統，采用基于數控機床標準通信接口/第三方接口的數據采集方法更方便快捷，本文基于此方法，利用Siemens 840D數控系統和華中數控HNC848系統開發(fā)了數據采集軟件，并進行了軟件測試。

表1 不同數據采集方法的比較

1.1 華中數控系統數據采集軟件開發(fā)

HNC-8型數控系統是國產數控系統的優(yōu)秀代表，該型數控系統提供了操作系統NC變量對應寄存器的開發(fā)標準，用戶不需洞悉內部的采集原理，只需調用其提供的第三方接口，便可實現NC變量中的參數讀取，它將數據采集項封裝為API函數，在用戶開發(fā)客戶端程序時，只需要通過API函數就可以訪問到需要采集的數據[14]。

數據采集客戶端的開發(fā)主要包括初始化應用程序、配置機床IP和通信端口、調用API函數接口讀取數據、添加定時器設置事件、隊列存儲，其中初始化應用程序、配置機床IP和通信端口是為了建立下位機和機床數控系統的通信，添加定時器設置事件是為了讓采集的數據不斷刷新，然后通過設置采樣頻率定時采集數據。

初始化軟件應用程序的目的是配置下位機和機床數控系統的IP地址，建立下位機和主控系統的通信，其主要代碼如下：

string hostName = Dns.GetHostName()；

∥獲取電腦名

IPHostEntry ip = Dns.GetHostEntry(hostName)；

∥獲取 IP 地址

Bit32 ret = HNC_NetInit(ip, port)；

∥初始化網絡配置

Bit16 ActiveClientNo =HNC_NetConnect(ip,port)；

∥連接機床

在客戶端程序運行之前，必須進行初始化處理，初始化函數HNC_NetInit中參數port為數控機床在局域網中的運行端口號，ActiveClientNo為返回的當前連接網絡號，只有當連接號取值屬于區(qū)間[0,255]時才返回已連接成功的信息。

建立下位機和數控系統的通信之后，可以通過調用標準參數接口實現數據采集，最常用通道數據和軸數據的獲取接口函數為HNC_ChanelGetValue和HNC_AxisGetValue，獲取的數據類型如表2所示。以獲取通道中主軸實際進給速度為例，其函數為

表2 HNC848數據類型和說明

Bit32Ret=HNC_ChannelGetValue((Int32)HncChannel.HNC_CHAN_ACT_FEEDRATE, ch, 5, ref feedrate, ActiveClientNo)；∥采集當前通道中主軸進給速度

開發(fā)的軟件采集界面如圖1a所示，并在DECKEL MAHO MH800C數控機床上搭建了數據采集平臺(圖1b)，通過系統測試驗證數據采集系統的可行性。

1.2 西門子數據采集

西門子數控系統通過動態(tài)數據交換技術(dynamic data exchange, DDE)[15]進行客戶端應用程序和數控系統之間的數據交換。Siemens 840D數控系統控制器中包含了DDE的數據通信接口服務器程序(NCDDE)，通過與用戶編寫的DDE客戶端通信，客戶端可以存取NCK中的各個變量和數據，圖2所示為Siemens 840Dsl數據通信方式及其接口。

(a)數據采集軟件界面

(b)數據采集平臺圖1 華中數控HNC848數控系統數據采集平臺Fig.1 Huazhong CNC HNC848 system dataacquisition platform

圖2 Siemens 840D數據通信方式及其接口Fig.2 Siemens 840D data communication and interface

DDE對話的內容是使用三級樹型命名來標識其所傳遞的數據單元：應用程序名(Application)、主題(Topic)和數據項(Item)。Application具有提供給其他程序進行數據交換的能力，Siemens 840Dsl提供的應用程序名稱為“NCDDE”；Topic類似于目錄，是建立會話連接的參數，獲取西門子840D數控系統數據的參數為“NCU840D”；數據項是具體通信的數據，按照需要的數據內容編寫。

建立DDE會話后，客戶應用程序和服務器程序可以通過冷鏈接、溫鏈接和熱鏈接三種鏈接方式進行數據交換。其中冷鏈接服務器程序與客戶程序發(fā)送數據只發(fā)生一次會話就此結束，溫鏈接客戶應用程序在與服務器程序建立連接后，在詢問得到了肯定的答復后才會送出數據給客戶應用程序，熱鏈接客戶應用程序與服務器程序建立連接后，每次數據發(fā)生變化時服務器程序立即將變化后的數據發(fā)送給客戶應用程序，因此熱鏈接最適合用在840D數控系統數據實時采集。

基于Visual Basic語言開發(fā)了數據采集應用程序，包含了通信主題和數據項，DDE服務器可以支持一個以上的數據項?？蛻魬贸绦蚓哂袆討B(tài)顯示數據和保存數據的功能。其中通過測試并實現采集的數據項如表3所示，并在YONGHUA 840D數控機床上搭建了數據采集平臺，如圖3所示，最后進行了數據采集測試，連接好服務器，運行數控系統，執(zhí)行NC程序，反復切換機床運行狀態(tài)測試系統的響應能力，觀察機床狀態(tài)監(jiān)測系統界面顯示情況。經過多次測試，數控機床獲取的信號與實際狀態(tài)完全一致，且系統能夠快速響應機床運行狀態(tài)的變化。

表3 西門子840D數據變量和地址

1.3 華中數控系統和西門子數控系統功能對比

華中數控系統和西門子數控系統分別利用第三方接口和DDE規(guī)范實現數據采集軟過程，雖然兩者之間開發(fā)原理和方法類似，但是在連接模式和數據更新方式上還是有很大的不同，兩者差異如表4所示。

表4 西門子數控系統與華中數控系統數據采集原理對比

通過幾個方面的對比，可知西門子840D系統支持的DDE協議集成程度較低，實現復雜，遠程版的配置相對繁瑣，而且對DDE對象的限制較多。優(yōu)點是可設置數據的更新頻率和更新方式，能夠保證數據的實時性。

而華中數控系統的第三方參數接口集成度很高，實現原理簡單便捷，可采集的參數種類較多。但是數據的更新頻率只能以添加定時器的方式更新，數據量大時難以保證實時性，并且沒有提供可批量管理數據的方法對象，因而實現多種數據的同時采集時相對繁瑣。

(a)數據采集軟件界面

(b)數據采集平臺圖3 西門子數控系統數據采集平臺Fig.3 Siemens CNC system data acquisition platform

2 基于過程信號的時空映射建模

數控系統采集的原始數據需進行必要的預處理后才能真正使用[1]。首先是數據清理，對噪聲數據進行光滑處理并刪除異常數據，對缺失數據進行插補，對冗余數據進行截斷；然后將不同類型的數據有機集成，進行歸約處理，分析主成分，減少變量，去掉相關非主要數據。在上述預處理過程完成后，將處理后的數據存儲，以便開展時空映射建模研究。

2.1 加工工況時域和空間離散

加工工況和加工過程信號具有時空可變特性，對于同一零件的加工過程，加工工況和過程信號是相互關聯的。在瞬時的加工過程鄰域內，時空可變加工工況和加工過程信號具有不變性，加工過程可以離散為有限個定常工況加工過程。因此，對加工工況進行時域和空間的離散，建立體元模型對工況進行標記，對加工過程信號進行時域離散，對其進行短時域信號細分和標記，是時空映射建模的基礎。

空間幾何體的坐標描述可以通過一個三元參數定義的單位體與任意形狀的空間幾何體的坐標變換獲得，參數化后三維實體內部的任一點都可以通過一組三元參數來表示。設三維實體空間為物理域W(x,y,z)，參數空間為參數域S(u,v,w)，三維實體空間和參數空間存在一一映射的關系，映射關系為

f:S(u,v,w)→W(x,y,z)

(1)

u,v,w∈[0,1]x,y,z∈R

零件的切削過程沿切削深度可以離散為不同的切削層，切削層內按照刀具軌跡可以離散為不同的切削行；同樣地，在一個切削行內，按照切削步距將一次切削去除的材料看成一個體元，切削過程看成體元的去除過程。在參數空間中，體元為三個參數范圍確定的三維網格單元，參數空間可被三個方向的參數線劃分為體元網格空間，其中u、v為切削層內的切削方向，w為切削深度方向。參數空間內一點p(pi,pj,pk)屬于體元Ei,j,k，可用下式表示：

p(pi,pj,pk)∈Ei,j,k

(2)

pi∈[ui,ui+1]pj∈[vj,vj+1]pk∈[wk,wk+1]

式中,ui、vj、wk定義為參數空間u、v、w方向第i、j、k條參數線的參數。

對于加工過程時域，不同的切削層和切削行將加工過程時域離散為不同的瞬時時域，其加工過程時域和空間離散結果如圖4所示，其中,(tk,tk+1)時域對應為參數空間的sk層與實體空間的wk層；同理，對每一個切削層的瞬時時域按照體元的切削順序離散，可以得到切削每個體元的瞬時時域。

圖4 加工過程時域和空間離散Fig.4 Time domain and spatial discretizationof processing

通過參數化處理之后，物理空間中的零件加工過程可以映射到參數空間，刀具的運動軌跡在參數空間中為刀具在參數平面內沿參數曲線的運動，如圖5所示。按照時域離散的尺度進行工況的空間離散，時間軸上離散的瞬時工況將和空間離散的體元工況一一對應，這樣離散之后的工況可通過體元模型表示。

圖5 加工工況離散Fig.5 Discrete processing conditions

2.2 加工過程信號細分與標記

加工過程信號同時具有時變特性和空間可變特性，同樣按照加工過程時域和空間離散的思想，可將加工過程信號進行細分，通過時域離散之后，加工過程信號也被離散為短時域的信號，而單位體元對應的加工過程信號為該體元加工所用時間的短時域信號，如圖6所示。

圖6 過程信號細分Fig.6 Process signal segmentation

假設一個加工過程時域等于N個短時域Ti，離散后的時域可以表示為Ti(i=1,2,…,N)的集合：

T(N)={T1,T2,…,TN}

(3)

離散后體元Ei,j,k對應的短時域編號為Mi,j,k。每個Ti對應的采樣點個數與采樣頻率有關，設采樣頻率為f，采樣數量為Nn，整個加工過程信號的采樣點可以通過短時域采樣點的集合表示，記整個過程信號的采樣點為X(N)，短時域采樣點集合為x(n)，X(N)可以表示為x(n)的集合：

X(N)={x(1),x(2),…,x(N)}

(4)

短時域采樣點集合x(i)(i=1,2,…,N)可以通過響應信號Rs(t)采樣得到：

(5)

(6)

xp(i)=max{x(i)},i=1,2,…,N

(7)

(8)

(9)

2.3 時空數據知識關聯

通過加工工況和加工過程時域和空間離散，單個體元Ci,j,k切削的工況和過程數據Mi,j,k可以通過切削過程的時空相關性進行關聯。由Rs(t)反映的加工過程的力、熱、位移可以與工況知識進行關聯。加工過程切削力、主軸功率等重要數據均可表示為切削參數的數學模型。切削力F可以表示為工藝參數的函數：

F=K(ap)l(we)m(fz)n=f1(C)

(10)

同樣的，主軸功率Pa也可以通過切向力與切削速度的關系表示為工藝參數的函數：

Pa=Fv=f2(C)

(11)

在Ei,j,k鄰域內，通過加工工況和加工過程信號的時域和空間離散，單個體元的短時加工過程信號可以和體元的工況進行知識關聯。如圖7所示，對于編碼為Ci,j,k的體元，它在參數空間的位置為(ui,vj,wk)，通過知識關聯，Ci,j,k的F可以表示為工藝參數C的數學模型，表示加工過程單個體元的交互作用。

圖7 知識關聯Fig.7 Knowledge association

2.4 時空映射模型構建

2.4.1采集信號到刀具位置映射

時空映射模型的數據來源可以分為兩部分，一部分是通過數據采集得到的加工過程數據，另一部分是零件模型數據，時空映射模型建立的就是從采集到的加工過程數據到零件模型的映射。對于開放式數控系統，加工過程中產生的信息都能通過數控系統采集得到，其中包括加工位置信息、工藝信息和響應信號等，對這些數據的采集是同時域的，因此可以將時域的相應信號映射為加工位置的函數，如圖8所示。以C表示刀具位置，通過數控系統采集到的刀具位置坐標信號為C=Ct=(x(t),y(t),z(t))；響應信號記為Rs(t)。因此，響應信號Rs(t)與加工過程刀具位置存在映射關系:

圖8 時空映射過程Fig.8 Time-position mapping process

Rs=f(C)

(12)

2.4.2刀具位置到切觸點映射

在零件加工過程中，刀具位置和切觸點不是同一個點，通過數控系統采集到的刀具位置坐標為刀尖點的坐標，以球頭銑刀為例，刀尖點和切觸點的關系如圖9所示，其中點C表示刀尖點，點P表示切觸點，矢量n表示切觸點曲面單位法矢，矢量A為單位刀軸矢量，刀具半徑為R。從刀尖點到切觸點的矢量關系如下：

P=C+R·A-R·n

(13)

對于實時采集的刀尖坐標Ct=(x(t),y(t),z(t))，切觸點的坐標Pt=P(t)=(x′(t),y′(t),z′(t))可以通過Ct來表示，則響應信號Rs(t)與加工過程零件位置的時空映射關系如下：

Rs=f(P)

(14)

(a)刀具-工件位置 (b)刀具位姿圖9 刀尖點和切觸點位置關系Fig.9 Position relationship between tool tip andcut contact

通過時空映射模型，可以得到一種加工過程數據的監(jiān)控方法，將加工過程數據映射到零件空間，可以繪制加工過程數據物理云圖，如功率云圖、切削力云圖、振動云圖，這種云圖可以直觀展示加工過程數據在零件空間的分布狀態(tài)。加工過程數據物理云圖的表達式如下：

M=f(Ci,j,k,Mi,j,k)

(15)

通過加工工況和加工過程的離散，可以將加工過程信號映射到零件物理空間，對應體元的顏色表示加工過程數據的數值分級，并且體元還包含加工工況信息。因此，通過時空映射的加工過程監(jiān)控策略，使得加工過程數據可視化，通過顏色進行紋理映射生成的云圖可以直觀表示加工的結果。

3 實驗驗證

航空發(fā)動機葉片為曲面類零件，加工工況復雜，加工過程信號時變性強，進一步體現在主軸負載波動比較劇烈，加工過程負載波動對應的響應信號為主軸功率，因此對其加工過程進行主軸功率的監(jiān)測是十分必要的，進一步通過可視化分析可對加工狀態(tài)進行評判，是進行工藝參數優(yōu)化以降低主軸負載波動、保護機床主軸和刀具的基礎。

3.1 葉片模型參數化與網格細分

葉片曲面在構型時，經過各種裁剪之后，曲面參數(u,v,w)均不在[0,1]之間變化，因此需要重新參數化處理，將(u,v,w)參數歸一化到[0,1]之間。在只考慮單層切削時，S空間對應的切削層為一張自由曲面，而Sp空間則對應w參數為wk的二維參數平面，葉片曲面參數化結果如圖10所示。

圖10 葉片曲面重新參數化Fig.10 Reparameterization of blade surface

對圖11a中的葉片進行網格劃分，記u方向的參數線數量為unum，v方向的參數線數量為vnum，通過(u,v)將曲面劃分為(unum-1)·(vnum-1)個網格單元，如圖11b所示。其中，u方向11條參數線和v方向的8條參數線將葉片曲面劃分為(11-1)×(8-1)=70個網格單元，網格的編號用u和v方向參數線的編號共同決定，記作Cij。如C11和C34，其參數范圍分別為

(16)

(17)

(a)葉片面網格劃分

(b)葉片網格標記圖11 葉片曲面網格劃分Fig.11 Meshing of blade surface

利用UG二次開發(fā)的API函數開發(fā)了網格劃分應用程序，通過選擇需要網格劃分的曲面，輸入u和v方向的參數線數量，提取等參數曲線，通過等參數曲線對曲面進行分割，生成網格曲面。

3.2 功率數據細分與標記

按照時空映射模型中加工過程信號細分與標記原理，將主軸功率信號劃分為短時域信號，每個葉片網格對應的加工過程數據為一段短時域的主軸功率數據，用短時域平均功率代表這段短時域主軸功率數據。

(18)

計算所有網格的短時域平均功率之后，形成一個與葉片網格對應的平均功率表，根據標準顏色表將這一短時域平均功率對應的顏色作為紋理與對應的網格進行紋理映射，形成參數平面功率云圖，如圖12所示。最后，將參數平面再映射到零件表面，生成零件表面主軸功率云圖。其映射關系為

圖12 主軸功率細分與標記Fig.12 Spindle power segmentation and marking

(19)

3.3 主軸功率可視化分析

(20)

生成優(yōu)化區(qū)域分布云圖，分別用三種顏色進行紋理填充，對加工主軸功率進行可視化分析。

為了生成功率云圖，設計了葉片切削實驗，采集了加工過程主軸功率數據，如圖13所示。通過對切削段主軸功率數據分析可得，最大功率為Pa,max=335.15 W。設置參考功率Pref=276 W、η=5%、σ=10%。通過時空映射，得到葉片粗加工主軸功率云圖，見圖14，從云圖中可以清晰定位出葉片加工過程中功率超差的區(qū)域，便于后續(xù)對這些區(qū)域的工藝參數進行優(yōu)化以穩(wěn)定加工過程主軸功率。

圖13 葉片加工主軸功率Fig.13 Blade machining spindle power

4 結論

(a)葉片粗加工結果

(b)葉片功率云圖圖14 葉片粗加工功率云圖Fig.14 Power cloud diagram of blade rough machining

本文首先研究了加工過程數據采集方法，針對華中數控系統和西門子數控系統開發(fā)了相應的數據采集軟件。其次對加工工況進行了時域和空間離散，引入體元模型分別對零件空間和加工過程信號進行細分和標記，在此基礎上，采用短時域處理方法將加工過程信號表征為對應的短時域信號特征，從而建立了單位體元工況和加工過程信號的知識關聯。通過細分后的時空數據和加工過程信號建立了基于過程信號的時空映射模型。最后，以葉片粗加工為例通過時空映射模型對主軸功率進行了可視化分析，生成功率云圖，清晰定位出葉片加工過程中功率超差區(qū)域，對加工狀態(tài)進行評判，為工藝參數優(yōu)化提供依據。