硕士论文——数控加工质量远程监控系统及接口技术研究

河北工业大学硕士学位论文数控加工质量远程监控系统及接口技术研究摘 要随着生产过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高，柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）更是提出了机床加工过程中各种误差的自动监测和自动补偿问题。目前，数控加工的质量监控问题已成为机械加工特别是精密加工和超精密加工中的瓶颈问题。同时，监控的远程实现问题越来越受到关注。数控机床误差远程监控是利用现代化通信技术实现异地间的监测、诊断及补偿行为。远程监控可将机床监测技术、故障诊断技术、误差补偿技术与计算机网络技术相结合。现代制造业追求高精、高效的生产和低成本产品的同时，数控系统网络化、远程化的需求也日益迫切，因此对占主导地位的数控机床提出了更高的要求。本文主要研究内容如下：1. 国内外数控加工及其质量远程监控技术的研究现状和发展趋势，提出了用于数控加工质量远程监控的方法和系统；2. 研究了数控加工质量监控系统中人机交互接口的实现方法及模型，开发了误差数据处理的人机交互接口；3. 研究了数控加工质量监控系统的远程实现方法，基于 LabVIEW 平台开发了系统的远程接口；4. 研究了用于数控加工质量远程监控的系统实现模型，实现了系统的人机交互、远程通讯及与 MATLAB 平台的交互。充分利用计算机丰富的资源和强大的功能，把数控机床的质量监控和远程监控等大量复杂的工作都交给计算机来完成，实现了数控机床的自动化和网络化。关键词：数控加工、质量控制、人机交互、远程监控、远程通讯、接口i数控加工质量远程监控系统及接口技术研究NC QUALITY REMOTE MONITORING SYSTEMAND INTERFACE TECHNOLOGYABSTRACTWith the rapid development of the production process automation and the extensive application of precision machining, the demand for accuracy of NC machining is increasing more and more. Flexible Manufacturing System (FMS) and the Flexible Manufacturing Cell (FMC) have put forward some problems about machining error in the automatic monitoring and automatic compensation. Currently, the NC machining quality control has become a bottleneck problem concerning machining, especially precise machining and ultra-precision machining.Meanwhile, we are paying more and more attention to the realization of remote control. The Remote error Control on NC tools can act as modern communication technologies to achieve long-distance monitoring, diagnosis and compensation. Remote Control can be combined with machine monitoring technology, fault diagnosis technology, error compensation techniques and computer network technology.While Modern manufacturing are pursuiting the products of high-precision, high-efficiency and low-cost production, The demand for NC system network and NC remote system becomes increasingly urgent. As a result, we should set higher requirement for the dominant NC machine tools. This paper studies the following:1. Making research on Current situation and trends of NC machining and the quality Remote monitoring technology domestic and overseas， bring forward a set of system and method of the quality Remote monitoring technology used on NC machining；2. Making research on the method and model of Human-computer interaction interface in the quality remote monitoring system of NC machining ， developing human-computer interaction interface for error data handling；3. Making research on Remote realization method of the quality monitoring system of NC machining，based on LabVIEW platform, developing systematic long-range interface；4. Making research on Remote realization method of the quality monitoring system of NC machining，realizing the systematic human-computer interaction , long-rangecommunication and interactive with MATLAB platform；Fully utilizing rich resource and powerful function of computer, all given large amount of complicated job such as numerical control machine tool quality monitoring and long-range supervisory control is accomplished by the computer ,to realize automation and network of numerical control machine tools.Keywords: NC Machining, Quality Control, Human-computer Interaction, Remote Monitoring, Long-range Communication, Interfaceii河北工业大学硕士学位论文目录第一章绪论 11-1课题的提出及意义 11-2数控系统远程监控技术的发展现状 21-3数控技术发展趋势 21-4 课题主要内容 4第二章 数控加工质量控制方法研究52-1 数控加工中的质量问题分析 52-1-1 质量参数分析 52-1-2 质量参数对加工的影响分析 62-2 提出数控加工质量监控系统 62-2-1 一般结构 62-2-2 典型结构 62-2-3 特殊结构 72-2-4 用于数控加工质量监控的系统结构设计 82-3 系统的关键技术 102-3-1 常见质量控制方式 102-3-2 各种质量控制方式采用的关键技术 102-4 本章小结 12第三章 系统人机接口研究 133-1 用于质量监控系统的人机接口 133-2 人机接口设计的主要方法 133-3 人机接口结构模型 143-3-1 用户模型 143-3-2 领域模型 153-3-3 交互模型 153-4 人机接口的开发 163-4-1 接口设计原则及工作方式 163-4-2 质量监控系统及相关人机接口组成 173-4-3 误差数据处理的人机接口开发 173-5 本章小结 21第四章 数控系统远程通讯 224-1 加工中心远程监控要求 224-2 远程监控的方式方法及通信模式 224-2-1 远程监控方法 224-2-2 远程监控方式 244-2-3 网络通信模式 254-3 基于 LabVIEW 远程监控方法 284-4 基于虚拟仪器平台的远程实现及应用 294-4-1 虚拟仪器平台特点及构成 294-4-2 LabVIEW 平台的应用 294-4-3 远程数据传输程序设计 314-4-4 前后面板设计 334-5 本章小结 35iii数控加工质量远程监控系统及接口技术研究第五章 用于数控加工质量远程监控的系统研发365-1 系统组成及功能分析365-2 系统开发375-2-1 数控加工质量远程监控系统375-2-2 数控质量加工系统的远程实现505-3 接口研究545-3-2 数据远程传输接口545-3-2 LabVIEW 与 MATLAB 的接口555-4 本章小结59第六章 结论与展望60参考文献61致谢63iv河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1-1课题的提出及意义计算机技术的产生和高速发展使传统的制造业产生了根本性变革，形成全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效、柔性自动化等特点。数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现柔性自动化、网络化、柔性化、集成化、智能化的基础。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化1，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，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。机床与数控技术的结合使得数控机床在现代制造业中占主导地位，它的制造精度和控制精度直接决定了整个国家制造业的水平，由于制造、安装、磨损、变形等原因，任何数控机床都存在误差现象。误差现象的普遍存在，严重影响着制造精度和控制精度，误差问题一直受到人们的关注。随着科技的进步和发展，人们对机械产品的精度和质量要求越来越高，并且日益激烈的市场竞争迫使制造行业的企业个体在提高机械产品精度和质量的同时，还要提高加工效率、降低加工成本，因此，如何快速经济有效的解决误差问题已是刻不容缓的事情。数控机床加工质量控制研究的意义精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和关键技术及发展方向。提高机床加工精度有两种基本方法：误差防止法和误差补偿法（或称精度补偿法）。误差防止法是试图通过机床的设计和制造途径消除或减少可能的误差源。误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，它主要采用“软技术”。加工过程质量控制系统的形式通常有离线式和在线式两大类。在线式是指以实时、在线的方式获取质量信息，并实现反馈质量控制。它包括对生产的运行状态控制和对产品的制造质量控制；离线质量控制一般是指对产品本身的质量检测采用离线的方式来进行，在根据检测结果去调节生产。数控系统要求产品加工有高的效率和精度，所以数控机床上一般采用实时性强、效率高、对质量保证能力强的在线检测控制方式。为了减小误差，解决精度和效率之间的矛盾，许多专业人士已经或正在进行大量的科学研究和实验。有的采用改造机床硬件来达到减小误差的目的，有的应用闭环或半闭环反馈装置对误差进行补偿，它们各有特点，各有利弊。其中改造机床硬件的方法要通过提高加工母机的精度实现，成本高实现起来困难；反馈装置使用普遍，但是也存在成本高的问题，每台机床都要配备昂贵的检测装置，另外检测装置的损坏会导致误差补偿失灵甚至情况更糟。鉴于此特点，我们对数控机床的软件补偿方法进行研究。数控机床的软件补偿是提高加工精度和控制精度的发展趋势，而软件误差补偿的关键技术是误差模型技术。近年来,随着计算机和网络通讯为代表的信息技术的飞速发展和广泛应用,制造业无论是观念,还是技术都发生了很大的变化。传统的以相对固定的机器和生产场所为中心,由上至下进行管理控制的大批量制造生产模式正逐步向以人为中心,基于技术的先进制造生产模式转变。全球制造的思想就是利用异地的资源(设备、知识、人力)来制造市场所需产品,从而加工单元的远程监控技术就成为它的重要组成部分，要实现加工单元的远程监控,首要解决的问题是数控机床的网络通讯和控制技术问题。数控机床误差远程监控是利用现代化通信技术实现异地间的监测、诊断及补偿行为。远程监控可将机床监测技术、故障诊断技术、误差补偿技术与计算机网络技术相结合。通过在数控机床的现场建立监测服务器，同时在数控机床上设立几何误差、热误差的状态监测点，将实时采集的数据存入服务器中；另一方面在远程端建立相应的监控中心，随时为数控现场的加工提供远程监测、故障诊断及误差补偿。同时，计算机与数控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口和通信协议。随着数字驱动技术及各种制造技术的发展，提高数控系统的灵活多变性、可扩展性、可移植性、互操作性、可重用性已经成为迫切的需要。同时，接口的稳定性、高速性、兼容性也是选择设计要考虑的主要因素。而人机接口是人与计算机交流和相互作用的中介，它的设计是一项重要工作，但却在一段时期内不受人们重视。一些质量不好的人机接口，使得计算机系统的数据输人和操作错误屡屡发生，使工作受到很大损失，使得用户情绪低落，效率不高，反过来又影响计算机的功效，最后甚至发生用户厌恶计算机，以至于放弃使用计算机的极端情况。一个成功的监控系统，不仅要具有强大而完善的功能，更要有1数控加工质量远程监控系统及接口技术研究良好的人机交互接口。1-2数控系统远程监控技术的发展现状跨越时空障碍，通过网络对远程的设备进行远程监控2，一直是许多应用领域的迫切需求和科研人员研究的重要课题。同时也是当前计算机网络技术应用的重要课题。网络监控技术的研究目的3，就是利用日臻完善的计算机网络和现场总线理论与技术，特别是飞速发展的 Internet 技术，开发出一套实用的网络监控系统，以实现方便、灵活、有效地对远程设备进行控制与状态监测，其技术意义和社会意义都是十分深远的。众所周知，网络技术目前己成为现代信息技术的主流，网络的概念也随着 Internet 技术的发展和广泛应用而进入各个行业和领域，而在制造业中的表现尤为引人注目。Internet（因特网）和 Intranet（企业网）是目前网络技术应用的两个重点。Internet 是世界上最大的计算机网络，它几乎覆盖到了全球每个国家和地区，拥有无限的信息资源。Intranet 则是计算机网络发展的另一个方面，它是组成 Internet 的基本细胞，它将企业内部进行网络化，并可以与 Internet 相联接，通过这个桥梁，车间与车间、车间与企业计算中心、企业与企业之间可以实现异地任务同步处理。Internet 技术的发展和应用的普及，使其成为目前世界上经济增长最快的行业。企业信息化的范围也随之由企业内部扩展到企业供应链甚至全球范围。利用因特网进行数据通信，对于工业生产的远程监控有着极其重要的现实意义。同时，世界各国的数控系统厂商要保持自己的市场竞争力，采用先进的计算机网络技术，开发研究具有网络远程监控功能的数控系统，必将对数控技术的发展和应用产生不可估量的深远影响。在这种情况下，开展对数控系统网络远程监控的研究，成为了数控系统的一个重要性能指标，得到了世界各国的广泛重视。如果通过进行数控系统网络功能化的改造，使得车间中的数控加工系统具有网络功能，并能共享远程环境的大容量数据资源，如硬盘、磁盘存储阵列等多种海量数据存储器。或将远程计算中心的 CAD/CAM 系统生成的庞大的 NC 代码加工程序通过网络传输给加工设备，并存储在本地硬盘中，然后由数控加工系统读取硬盘中的该 NC 代码，进行零件加工。那么数控系统将可以直接通过网络读取远程数据存储媒介中的大型程序，这将大大提高数控系统对大容量数控程序的控制能力，网络数控系统通过高速通信网络可及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接收远程监控命令，为真正的网络制造提供最必要的支持。采用网络监控，还可方便制造过程中的生产调度、刀具/夹具管理、过程监控和远程故障诊断。国外的某些数控设备，如日本生产的加工中心上已经具备远程故障诊断功能，远在异国的用户加工中心现场的故障信息可以通过 Internet 传送到生产厂商的监控中心，监控中心调用其故障巡检系统对用户加工中心进行故障诊断，然后将故障排除方法发送到用户端设备，并在屏幕上显示出来，指导用户排除故障，在远程故障诊断和远程控制方面发挥了极其重要的作用。国内中软与其它公司联合开发的实时嵌入式 Linux 数控系统平台，具备一定的网络功能。整个平台在中软公司研制的强实时 Linux 环境上开发完成。该项目获得国家经贸委颁发的“科技创新成果奖”，并已经在实际的数控机床上使用，受到了一线工人的欢迎。武汉华中科技股份有限公司研制开发的华中世纪星（HNC-21M）铣削数控装置，是继华中 I 型系列数控产品装置之后开发的具有网络功能的数控产品，该产品利用以太网实现网络通信，并通过 RS-232 实现串口通信，可以实现网络路径的连接和断开，网络文件的传输和保存功能，具有很好的开放性。但目前国产的大多数数控系统及普通的进口数控系统都没有远程监控功能。而且无大容量的存储设备（如硬盘），仅使用高价位、低容量的电子盘等设备。数控机床无法通过高速通信网络及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接收远程监控命令，无法为真正的网络制造提供最必要的支持。要真正实现网络化制造，实现远程网络监控是必要的前提条件1-3数控技术发展趋势数控技术的发展从性能、功能、体系结构三方面看，发展趋势如下：（1） 性能发展方向1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。2河北工业大学硕士学位论文3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。（2） 功能发展方向1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于 CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补(非均匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。4)内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准 PLC 用户程序实例，用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。（3）体系结构的发展方向1)集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA、EPLD、CPLD 以及专用集成电路 ASIC 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用 FPD 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和 CRT 抗衡的新兴显示技术，是 21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如 CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：3数控加工质量远程监控系统及接口技术研究 高速、高精加工技术及装备的新趋势； 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。1-4 课题主要内容论文的主要工作：分析有关数控加工质量远程监控技术的发展状况和趋势，分析机床误差分类方法、种类及产生原因，对机床加工质量的影响等；（1）分析数控加工质量控制方法，研究数控加工质量监控系统，提出系统设计方案；（2）对系统人机接口的实现方法进行了比较分析，研发数控加工质量监控系统人机接口；（3）研究数控系统远程通讯具体实现，对远程技术方法进行了对比分析；研发基于 Lab View 的远程接口；（4）对数控质量加工远程监控系统进行了研发。课题内容结构：质量监控方法研究系统接口分析远程实现技术LabView 平台搭建数控加工质量远程监控系统开发图 1.1 课题内容结构Fig. 1.1 The structure of this thesis4河北工业大学硕士学位论文第二章 数控加工质量控制方法研究2-1 数控加工中的质量问题分析2-1-1 质量参数分析数控机床的精度是机床性能的一项重要指标，它是影响工件加工质量的重要因素。机床精度的高低以机床误差的大小来衡量。机床误差就是机床按某种操作规程指令所产生的实际影响与该操作规程所预期产生的影响之间的差异。也可简单理解为：机床误差是机床工作台和刀具在运动中，理想位置和实际位置的差异。按照影响机床加工质量各参数的产生条件、产生根源或者性质不同它可以有好多分类方法，下面分别叙述。根据机床误差参数产生条件不同，可分为：（1）静态误差参数：是在不切削的情况下检测得到的机床误差，它包括机床的几何精度和定位精度两项内容，反映的是机床的原始制造精度以及机床本身的重力引起的误差等参数量。（2）准静态误差参数：它也主要由机床本身的制造精度决定。之所以称为准静态的，是指其指标在给定的条件下，能够在一定时期内基本保持不变或变化缓慢。机床的准静态误差对加工产品的尺寸精度占很大的比重。如机床热误差、工件热误差、刀具磨损（引起）误差等参数量。（3）动态误差参数：是指机床在实际切削加工条件下加工的工件所达到的精度，它不仅与数控机床的原始制造精度相关，如加工时的夹具、刀具和工件本身的误差参数量，也与切削时的力、速度等相关。（4）高频误差参数：也是一种动态误差，如震动引起的误差等参数量。 根据机床误差参数产生根源不同，可分为：（1）几何误差参数：机床的原始制造、装配缺陷等造成的机床误差，是机床固有的误差。影响机床的重复精度和运动精度，可以直接测量，但是测量结果包含其它原因造成的比如说热误差。机床的主要组成部件为导轨及工作台，它们之间有 6 个自由度。由于制造上的误差，它们之间相对运动时，在轴向上存在定位误差，在其余的 5 个自由度上也有微量位移（线位移或角位移），这些误差就是机床的主要误差源，也即误差元素。以三轴加工中心为例，它有 21 项几何误差。其中包括：Z z(x) z(x) y(x)Yx(x)y(x) x(x)X图 2.1 单坐标运动误差Fig. 2.1 Single-coordinate motion error1）沿 X 轴运动时，有 6 个误差元素：定位误差 x(X)、Y 向平移误差 y(X)、Z 向平移误差 z(X)、滚动误差 x(X)、颠摆误差 y(X)和摇摆误差 z(X)；如图 3.1 所示。2）沿 Y 轴运动时，有 6 个误差元素：定位误差 x(Y)、Y 向直线度误差 y(Y)、Z 向直线度误差 z(Y)、滚动误差 x(Y)、颠摆误差 z(Y)和摇摆误差 x(Y)；5数控加工质量远程监控系统及接口技术研究3）沿 Z 轴运动时，有 6 个误差元素：定位误差 x(Z)、Z 向直线度误差 z(Z)、Y 向直线度误差 y(Z)、滚动误差 x(Z)、颠摆误差 y(Z)和摇摆误差 z(Z)；4）X、Y 轴之间的垂直度误差 xy，X、Z 轴间的垂直度误差 xz，Y、Z 轴间的垂直度误差 yz。5）符号 、 的下标表示误差方向，括号中的字母表示运动方向。(2)热误差参数：机床温度变化引起热变形所造成的机床误差。具有复杂非线性特性，致使测量困难。机械加工过程中，常有大量的热传入工艺系统中，工艺系统在热的作用下，常产生复杂的变形，从而破坏工件和刀具相对运动的准确性，引起加工误差，从而对加工质量产生很大影响。由于热变形产生的误差，补偿起来却不那么容易， 因为热变形的产生是一动态过程， 具有非线性、时滞的特点，用传统的方法很难精确地对其进行补偿。(3)运动误差参数:反应了机床达到准确位置的能力。运动误差受机床溜板、齿轮、轴承、电机等的影响。几何误差和运动误差是内在联系的。(4)力误差参数：机床受力（包括切削力、工件和夹具重力、装卡力等）引起变形所造成的机床误差，也称为刚度误差。(5)控制误差参数：机床的控制系统性能所造成的机床误差。(6)检测误差参数：检测系统的性能、测量精度等造成的机床误差。随机误差：外界干扰造成的机床误差。2-1-2 质量参数对加工的影响分析上述分析的各种误差参数对数控机床的加工精度影响程度不一样。根据美国 Kline 等的研究成果，影响程度分配如表 2.1 所示。由表中可以看出，几何误差、热误差、力误差及刀具误差占总误差的 75左右。另外，各种误差源的影响程度随机床种类或工作状态不同而变化，如大型机床的力误差就占很大的比例。表 2.1 数控机床各种误差所占比例Table 2.1 Proportion of different errors for NC machine tool机床误差几何误差2250热误差28刀具误差13.5加工过程夹具误差7.5工作热误差和35误差6.5弹性变形其他误差7.5检测误差不确定性误差1015安装误差52-2 提出数控加工质量监控系统2-2-1 一般结构：原始质量控制方法一般都是采用手动、PLC 或单片机控制方式，这里就不展开研究了，重点考虑占据数控加工质量控制主导地位的计算机监控系统。2-2-2 典型结构计算机监测控制系统，是以监测控制计算机为主题，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体，图 2.2 示出了一个典型的计算机监测控制系统。6河北工业大学硕士学位论文运行人员通信监视监督系统软件外部设备人机接口电源主 机通信控制支持软件过程数据过程数据应用软件视频处理输出输入监测控制计算机控制检测执行机构测量变送图像检测加 工 过 程图 2.2 计算机监测控制系统示意图Fig. 2.2 Computer monitoring system schematic drawing2-2-3 特殊结构（1）计算机监测系统计算机监测系统 (computer monitor system) 又称计算机数据采集与处理系统 (computer data acquisition system)。它的主要功能是以计算机为核心对生产过程的参数和工况进行巡回检测，图 2.3 是其简化系统图。监测系统的信息处理只是将生产过程的信号进行必要的预处理，如滤波、平滑、分类等，以适应显示和打印等的需要。监测系统的输出只作用于有关的外部设备和人机接口设备，提供信息的显示和报道，供生产人员分析、判断，以便于生产人员掌握生产进行的情况，监视生产过程的进行。监测系统的输出不直接作用于生产过程的执行机构不直接影响生产过程的进行它是一个开环监测系统。生产过程的控制和调节由人工完成。操作人员 监视打印机 键 盘 操作台 显示器 外存储器监测主机计算机视频处理A/D变换DI接口脉冲计数工业摄像机模拟检测量开关检测量脉冲检测量检测加工过程监测对象图 2.3计算机监测系统方框图7数控加工质量远程监控系统及接口技术研究Fig. 2.3 Computer monitoring system block diagram （2）计算机监督系统计算机监督系统(computer supervisory system)以具有分析决策功能为特点。它在检测系统的基础上，发挥计算机智能化特点，充分利用计算机快速计算、大量记忆、综合分析、逻辑判断等功能，对预处理后的信息进行二次加工，如各种常规计算、有关的性能指标计算、各种数据和指标的图形生成、数据的组织管理、事故状态判断和记录、险情预测预报、根据历史数据及当前生产状况形成下一步应如何进行生产操作的建议等。监督系统的结构类似于图 2.3，但所采用的计算机及外设的层次往往较高。而在软件的设计上则包含更广泛和丰富的内容，如具有实时数据库(包括历史数据库)、故障诊断专家系统、生产指导专家系统等。监督系统的输出除了监测系统所具有的内容外，主要还包括故障诊断、险情预报、生产操作指导等。在现代监督系统中，常以图、文、声的多媒体形式输出，达到友好的、人性化的人机交互。和监测系统一样，监督系统不直接作用于生产过程的执行机构，它仍是一个开环系统。生产人员根据监督系统提供的信息，进行最后的确认、判断，再由人工操作完成生产过程的控制和调节。（3）计算机控制系统计算机控制系统(computer control system)又称直接数字控制系统(direct digital control, DDC)。它的特点是具有自动控制功能，即由计算机直接对生产：过程进行控制。它是在监测系统的基础上根据事先决定并存储在计算机中的一种或多种控制策略，输出控制信息，直接作用在执行机构上，完成自动控制和调节功能。其系统方框图如图 2.4 所示。它是一个闭环系统，不仅有从生产过程送至计算机系统的检测信息通道(如图 2.4 由 AD，SI，脉冲量检测，视频处理等组成的通道)，而且有从计算机系统送至生产过程的控制信息通道(图 2.4 由 DA，SO，脉冲量执行等组成的通道)。操作人员监视打印机键 盘操作台显示器外存储器控制主机计算机视频处理A/D转换 SI接口 脉冲计数 D/A转换 SO接口 脉冲输出工业模拟量开关量脉冲量功放开关量脉冲量摄像机检测检测检测执行执行执行执行加工过 程控制对象图 2.4 计算机控制系统方框图Fig2.4 Computer control system block diagram2-2-4 用于数控加工质量监控的系统结构设计（1）监测控制系统的一般结构功能在这个系统中，计算机直接参与生产过程的检测（monitor）、监督（supervise）、控制（control）和远程（remote），或者说应具有下述四方面的功能：1）采集和处理功能主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出（如打印制表和 CRT 屏幕显示），为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。2）监督功能将监测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以储存。根据实际生产过程的需要及生产进程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情8河北工业大学硕士学位论文预测，并以图、文、声等多种形式及时做出根本报告，以进行操作指导、事故报警。监督系统的输出一般都不直接作用于生产过程，而是经过生产人员的判断后再由操作人员对生产过程进行干预。3）控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。4）通信功能这里所说的通信，主要是指在监测控制系统中，计算机与计算机之间、相同类型或不同类型总线之间以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监测控制计算机在一起联合工作，这时就需要在计算机之间进行通信，实时、可靠地传递信息。特别在分级计算机监测控制系统、分布式计算机监测控制系统中，通信是一个非常重要的问题。完整的计算机监测控制系统是上述四种功能的综合集成，它利用计算机高速度、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。当然，在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述一项或两项功能；或是以某一项为主，而辅以其他功能。这样可以更针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性。（2）系统结构设计本文将构建一个系统，使其在远程计算机监控操作下，实现在线监测、误差补偿、控制加工过程功能，以最大限度的提高数控机床的加工精度，保证数控机床的加工质量。其基本的组成结构及运行方式如图 2.5 所示。操作员打印机键盘操作台显示器外存储器人机接口、远程控制接口CAD、模板式CAM模误差建块模信息输误差补偿入式建模块模误差自在线检动建模测模块模块主机软件控制部分远程控制接口视频处功率A/D转换S/I接D/ASO理放大器口转换接口工业激光热误差几何误开关量功放开关量摄像机干涉仪检测差检测检测执行执行数控加工过程9数控加工质量远程监控系统及接口技术研究图 2.5 计算机监测控制系统图Fig2.5 Computer monitoring & control diagram这是一个闭环控制系统，不仅有数控加工过程送至计算机系统得检测信息通道，包括 AD,SI，脉冲量监测，视频处理等通道；而且有从计算机系统送至生产过程的控制信息通道，包括 DA,SO 脉冲量执行等通道。同时，还有远程传输的功能，由远程接口来实现。其中，此监测控制系统控制数控机床加工质量关键技术就是误差补偿功能的实现。误差监控系统该系统包括系统设置模块、CADCAM 模块、误差模型自动设计模块、在线检测模块、误差参数综合辨识模块、误差补偿模块和远程监控模块。误差模型是误差分析、质量监控、误差校正、误差补偿的及时可靠的依据和基础，误差模型自动设计方法是数控误差补偿新技术研究的核心和关键技术之一。虚拟误差补偿仪是实现误差补偿的关键技术。关键技术正是误差补偿新技术的体现。2-3 系统的关键技术2-3-1 常见质量控制方式根据用户的要求及采用的技术不同，质量控制方式一般有以下常见类型：(1) 根据自动化程度高低不同可分为手动、机动、计算机控制；(2)根据所采用的计算机控制方式不同：可分为软件、硬件控制方式、软硬件混合方式；(3)根据控制实施环节不同可分为离线、在线；在线式是指以实时、在线的方式获取质量信息，并实现反馈质量控制。它包括对生产的运行状态控制和对产品的制造质量控制；离线质量控制一般是指对产品本身的质量检测采用离线的方式来进行，在根据检测结果去调节生产。(4)根据质量控制实施的及时性可以分为实时控制、分时控制2-3-2 各种质量控制方式采用的关键技术（1）检测技术检测技术是数控机床和测量机的重要技术组成部分，由其构成的系统可用做测定数控系统的位置和速度，发送反馈信号给 CNC（计算机数控）装置构成闭环控制，也可以和数字显示仪表相配构成测量位移的数字显示系统。40 多年来世界各国都在致力于发展位置数字测量，研究开发新型的测量元件和信息处理技术，到目前为止人们所公认已得到广泛应用的位置测量技术是光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅和激光。在 80 年代由于微电子技术的迅速发展和微处理器的出现。就由可能采用电子细分和数字化处理的办法对测量传感器的节距（信号周期）进行电子细分和误差修正，以提高测量系统的分辩率和系统的准确率，以及系统的动态响应速度。测头是检测技术中最为关键的部分，测头主要有机械测头、电气测头、光学测头等，此外还有测头回转体等附件。测头按测量方法可分为接触式和非接触式之分，接触式测头便于拾取三维尺寸信号，应用甚为广泛，种类也很多；非接触式测头由于有不与工件接触的优点，发展也十分迅速。接触式测头可分为硬测头与软测头两类。硬测头多为机械式测头，主要用于手动测量。由于人工直接操作，故测量力不易控制。测量力过大，会引起测头和被测件的变形，测量误差也较大；测量力过小，又不能保持测头与被测件可靠接触；测量力的变化也会使瞄准精度下降。而软测头的测端与被测件接触后，测端可作偏移，传感器进而输出开关信号或模拟信号。软测头包括触发式测头和模拟式测头。在测端接触工件后仅发出瞄准信号的测头称为触发式测头；除发讯外还能进行偏移量读数的称为模拟式测头。在线检测技术已经成为检测技术的最新发展方向。加工中心在线检测技术是提高加工中心加工精度和自动化程度的关键技术之一，是计算机集成制造系统（CISM）中计算机辅助质量监控（CAQC）的关键技术。（2）智能技术所谓人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上实现智能，或者说是人类智能在机器上的模拟。10河北工业大学硕士学位论文其研究内容主要包括：机器感知；机器思维；机器学习；机器行为；智能系统及智能计算机构造技术。20 世纪 70 年代后期以来，人工智能的研究以其新颖丰富的思想和强有力的问题求解能力迅速渗透到各种领域中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控制技术。随着智能控制研究的深人和应用的扩大，提出了多种智能控制的结构理论，如自动控制人工智能运筹学的三元结构，自动控制人工智能运筹学信息论的四元结构，以及多元结构(自动控制人工智能运筹学信息论计算机生物学)等。其理论体系也日趋庞大，至今虽无严格的定义和统一说法，但“模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是三种典型的智能控制方法为大多数人接受，也较确切地反映了智能控制的研究和应用情况。（3）补偿技术补偿技术是应用某种控制策略,利用监测装置、执行机构和计算机技术来减小加工误差,提高加工精度,可以在不提高机床本身加工精度的条件下,使被加工的工件获得有可能比母机更高的精度。误差补偿的关键技术包括:a 误差在线测量技术;b 误差的在线建模和预报;c 误差补偿控制与补偿执行机构其中,误差的建模和预报是实施误差补偿的基础,同时又是各种间接测量原始误差方法的基础,在误差补偿技术中具有非常重要的地位。（4）接口技术随着计算机技术的迅猛发展，计算机已广泛应用于现代数控加工领域，并起着越来越重要的作用。接口技木是计算机技术中的关键技术之一，对接口问题处理得好坏直接影响到计算机性能以及数控加工质量监控系统功能的优劣，是开发计算机功能的重要途径。在计算机技术中，凡是不同特性部件的交接部分都称为接口。接口可以分为硬件接口和软件接口两部分，硬件接口是指两个部件实体之间的连线和逻辑电路，而软件接口一般指为连接两个程序段或块而专门设计的程序。硬件接口往往需要相应软件的支持。接口技术就是指将不同特性的部件通过一定的方法很好地联接起来，佼之能有效地工作的科学方法。对接口技术的研究不仅在于它的重要性，还在于具体接口技术的多样性;与计算机相接的外部世界是五花八门的，它们的特性差异极大，这就要求采用不同的接口方法，以达到理想的接口要求。本文将着重讨论软件接口，主要包括以下几类接口：1）人机接口人机接口是计算机同人机交互设备之间实现信息传输的控制模块。人机接口与人机交互设备一起完成两个任务，一个是信息形式的转换，把外界信息转换成计算机能接受、处理的信息或把计算机处理后的信息转换成外部设备能显现的形式。另一个是计算机与外部设备的速度匹配，也就是完成信息速率与传输速率的匹配即信息传输的控制问题。2）过程接口国车接口是实现一个系统跟另外系统进行信息交互的桥梁，在不同的系统之间，根据系统的关联程度的不同存在紧耦合和松耦合两种。在过程接口和系统信息交互的过程中，两种模式使用得很普遍：同步调用和异步调用，同步调用要求接口发出请求消息后必须等待服务端系统的应答消息，接口阻塞直至超时；异步调用则发出请求消息后，接口可以从事其它处理，定时轮询服务端应答消息和消息或事件通知。3）通讯接口数控机床网络通讯在技术实现上大体可分为两种路线：一是在数控系统内部集成网络通信功能，设计制造带有网络接口的数控系统