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4.1监控系统的组成和分类19
4.1.1监控系统的组成19
参考文献22
前言
在我国对外开放进一步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力非常重要。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工医疗等的发展起着越来越重要的作用。
智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
第一章数控机床的基本概念
1.1数控技术与数控
数控技术，简称数控（NumericalControl—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。
由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。
用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。
采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。
它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。
控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。
数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。
带有自动换刀装置ATC（AutomaticToolChanger—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（MachineCenter—MC）。
它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；
减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。
加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。
在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FlexibleManufacturingCell—FMC）。
FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。
FMC既是柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。
在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）。
FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。
随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。
将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem-—CIMS）。
CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。
在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。
计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。
1.2数控系统及其组成
数控系统的基本组成
数控系统是所有数控设备的核心。
数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、位置等），其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。
因此，作为数控系统的最基本组成应包括：
程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。
输入/输出装置输入/输出装置的作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。
键盘和显示器是任何数控设备都必备的最基本的输入/输出装置。
此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。
作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。
数控装置数控装置是数控系统的核心。
它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。
数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。
在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令。
它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。
它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。
此外，根据系统和设备的不同，如：
在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；
刀具的选择和交换指令；
冷却、润滑装置的起、停指令；
工件的松开、夹紧指令；
工作台的分度等辅助指令。
在数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供给外部辅助控制装置，由辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行器件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。
伺服驱动伺服驱动通常由伺服放大器（亦称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。
在数控机床上，目前一般都采用交流伺服电动机作为执行机构；
在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。
另外，在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有采用直流伺服电动机；
对于简易数控机床，也有用作为执行器件。
伺服放大器的形式决定于执行器件，它必须与驱动电动机配套使用。
以上是数控系统最基本的组成部分。
随着数控技术的发展和机床性能水平的提高，对系统的功能要求也日益增强，为了满足不同机床的控制要求，保证数控系统的完整性和统一性，并方便用户使用，常用较为先进的数控系统，一般都带有内部可编程控制器作为机床的辅助控制装置。
此外，在金属切削机床上，主轴驱动装置也可以成为数控系统的一个部分；
在闭环数控机床上，测量、检测装置也是数控系统必不可少的。
对于先进的数控系统，有时甚至采用计算机作为系统的人机界面和数据的管理、输入/输出设备，从而使数控系统的功能更强、性能更完善。
总之，数控系统的组成决定于控制系统的性能和设备的具体控制要求，其配置和组成具有很大的区别，除加工程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三个最基本的组成部分外，还可能有更多的控制装置。
图1-1的虚线框部分表示计算机数控系统。
NC、CNC、SV与PLC的概念
NC（CNC）、SV与PLC（PC、PMC）是数控设备中最为常用的英文缩写，在实际使用中，在不同的场合具有不同的含义。
NC（CNC）NC与CNC分别是数控（NumericalControl）与计算机数控（ComputerizedNumericalControl）的常用英文缩写。
由于现代数控都采用了计算机控制，因此，可以认为NC和CNC的含义完全等同。
在工程应用上，根据使用场合的不同，NC（CNC）通常有三种不同的含义：
在广义上代表一种控制技术——数控技术；
在狭义上代表一种控制系统的实体——数控系统；
此外，还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。
SVSV是伺服驱动（ServoDrive，简称伺服）的常用英文缩写。
按日本JIS标准规定的术语，它是“以物体的位置、方向、状态作为控制量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。
简言之，它是一种能够自动跟随目标位置等物理量的控制装置。
在数控机床上，伺服驱动的作用主要有两个方面：
一是使坐标轴按照数控装置给定的速度运行；
二是使坐标轴按照数控装置给定的位置定位。
伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移和速度；
执行机构是伺服或；
对输入指令信号进行控制和功率放大的部分常称为伺服放大器（亦称为驱动器、放大器、伺服单元等），它是伺服驱动的核心。
伺服驱动不仅可以和数控装置配套使用，而且还可以单独作为一个位置（速度）随同系统使用，故也常称为伺服系统。
在早期的数控系统上，位置控制部分一般与CNC制成一体，伺服驱动只进行速度控制，因此，伺服驱动又常称为速度控制单元。
PLCPC是可编程序控制器（ProgrammableController）的英文缩写。
随着个人计算机的日益普及，为了避免和个人计算机（亦称PC）混淆，现在一般都将可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器（ProgrammalbeLogicController——PLC）或可编程序机床控制器（ProgrammableMachineController——PMC）。
因此，在数控机床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含义。
PLC具有响应快、性能可靠、使用方便、编程和调试容易等特点，并可直接驱动部分机床电器，因此，被广泛用来作为数控设备的辅助控制装置。
目前，大多数数控系统都带有内部PLC，用于处理数控机床的辅助指令，从而大大简化了机床的辅助控制装置。
此外，在很多场合，通过PLC的轴控制模块、定位模块等特殊功能模块，还可以直接利用PLC，实现点位控制、直线控制以及简单的轮廓控制，组成数控专用机床或数控生产线。
1.3数控机床的组成与加工原理
数控机床的基本组成
数控机床是最典型的数控设备。
为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工零件的工作过程。
在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行：
据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，即编写加工程序。
将所编写的加工程序输入数控装置。
数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助机能控制装置发出相应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。
在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。
操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠的运行。
由此可知，作为数控机床的基本组成，它应包括：
输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分
第二章数控机床的组成部分
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。
为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即上图中的虚线部分），这样就构成了闭环控制的数控机床框图。
开环控制系统的工作过程是这样的：
将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包含有上述4个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。
若为闭环系统，则在输入指令值的同时，反馈检测机床工作台的实者间有误际位移值，反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，说明二差，则数控装置控制机床向着消除误差的方向运动。
2.1程序编制及程序载体
数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。
在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；
刀具与零件相对运动的尺寸参数；
零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。
得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。
编制程序的工作可由人工进行；
对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设计。
编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。
2.2控制介质
数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称之为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。
常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。
其宽为25.4mm，厚0.108mm，每行除了必须有一个φ1.17mm的同步孔外，最多可以有8个φ1.33mm的信息孔。
用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码（纸带上孔的排列规定，称为代码）。
把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。
2.3输人/输出装置
输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。
根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。
数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；
数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。
1）对于穿孔纸带，配用光电阅读机；
（过时、淘汰）；
2）对于盒式磁带，配用录放机；
3）对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；
4）现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式）；
5）DNC网络通讯、RS232串口通讯。
2.4CNC单元
CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。
CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。
其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；
选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。
准备功能：
G00,G01,G02,G03,
辅助功能：
M03，M04
刀具、进给速度、主轴：
T，F，S
2.5数控装置
数控置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。
数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。
在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。
2.6伺服系统
由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。
每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。
如三轴联动的机床就有三套驱动系统。
脉冲当量：
每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。
常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。
伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。
在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。
2.7机床本体
数控机床中的机床，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。
实践证明：
数控机床除由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，并且由于是自动控制，在加工中不能像在通用机床上那样可以随时由人工进行干预。
所以其设计要求比通用机床更严格，制造要求更精密。
因而后来在数控机床设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控机床的外部造型、整体布局、传动系统以及刀具系统等方面都已发生了很大的变化
2.8位置反馈系统（检测反馈系统）
伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构（工作台）的位移反馈。
包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。
（作业：
让同学们网上查找反馈元件，下节课用5分钟自述所查内容）
反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。
反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。
2.9机床的机械部件
1）主运动部件
2）进给部件（工作台、刀架）
3）基础支承件（床身、立柱等）
4）辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等
5）储备刀具的刀库，自动换刀装置（ATC）
对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展。
2.10辅助控制装置
辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。
这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。
由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。
第三章数控机床在线检测技术
数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。
目前完成这些检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。
在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。
在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。
闭环在线检测的优点是：
能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。
3.1、数控机床在线检测系统的组成
数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助；
另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构如图1所示。
图1计算机辅助在线检测系统组成
数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。
硬件部分通常由以下几部分组成：
（1）机床本体
机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。
（2）数控系统
目前数控机床一般都采用CNC数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。
计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。
CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。
（3）伺服系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。
伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。
（4）测量系统
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。
其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。
目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如图2所示。
它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。
测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；
按信号传输方式可分为硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；
按接触形式可分为接触测量和非接触测量。
用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。
图2雷尼绍RMP60无线电式测头
（5）计算机系统
在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。
在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用Pentium级别以上的计算机。
3.2数控机床在线检测的工作原理
实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过G31跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。
信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。
上位机通过监测CNC系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。
测量典型几何形状时检测路径的步骤为：
1.确定零件的待测形状特征几何要素；
2.确定零件的待测精度特征；
3.根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及分布；
4.根据测点数及分布形式建立数学计算公式；
5.确定检测零件的工件坐标系；
6.根据检测条件确定检测路径。
3.3数控机床在线检测编程
在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。
目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。
商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。
不仅提供在线检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。
随后可以把编制好的程
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