4.4.2典型设备的信息处理
4.4.2.1加工设备的信息系统
（1）计算机数字控制（CNC）系统
a.系统的组成
数控设备在数控系统的控制下，自动地按照给定的程序进行机械零件的加工。
数控系统由数控程序、输入输出设备、计算机控制装置、可编程序控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，习惯上称为CNC系统。
该系统的主要功能有：
输入。输入CNC的信息有零件程序、控制参数和补偿数据。输入的形式有光电机输入、键盘输入、磁盘输入和计算机接口输入。从CNC的工作看，有存储方式输入和NC工作方式输入。存储方式输入是将加工的零件程序一次全部输入到CNC的内部存储器中，加工时再从存储器把一个个程序段调出。NC工作方式是指CNC装置一面输入一面加工。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
译码。不论系统工作在NC方式还是存储方式，都是将零件程序以程序段为单位进行处理，把其中的各种零件的轮廓信息（例如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等），按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的形式，并以一定的数据格式存放在内存的专用区间。
在译码过程中还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。
刀具补偿。刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常，CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工作还包括程序段之间的自动转接和刀具磨损过量判断。
进给速度处理。编程使用的刀具移动速度是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标方向上的分速度，另外，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制也是在这里处理。在有些CNC装置中，软件的自动加速或减速也是在这里处理。
插补。其任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点密化”。插补在每个插补周期运行一次。在一个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干次插补周期后，插补完一个程序段的加工，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
位置控制。位置控制处在伺服回路位置环上，这部分工作可以由软件或硬件完成。主要任务是：在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值控制进给电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。
I/O处理。主要处理CNC装置与机床执行机构之间的各种信息的输入、输出，例如换刀、换挡、冷却等。
显示。CNC装置的显示主要是为操作员提供方便，通常应有：零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置还有刀具加工轨迹的静态和动态显示。
诊断。现代CNC装置都具有联机和脱机诊断的能力。联机诊断指CNC装置中的自诊断程序，这种自诊断程序融合在各个部分，随时检查不正常的事件。脱机诊断是指系统运转在诊断条件下（并非真正的加工条件）。一般CNC装置配备有各种脱机诊断程序，以检查存储器、外围设备、I/O接口等。
c.硬件结构
采用单微处理器结构时，只有一个微处理器以集中控制、分时处理的方式控制各项任务。有的CNC装置虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线，占有总线资源；而其他微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。它们组成了主从结构，故被归于单微处理器结构中。
采用多微处理器结构时，由于采用模块结构，各模块间的互连与通信是在机柜内耦合的。典型的有共享总线和共享存储器两种结构。
d.软件结构
软件和硬件在逻辑上是等价的，所以在CNC装置中，由硬件完成的工作原则上也可以由软件完成。软件和硬件的分配比例主要由性价比决定。在现代CNC装置中，软件和硬件的界面关系并不固定。
软件的结构既取决于软件和硬件的分工，又取决于软件本身的工作性质。下面以一个单微处理器的CNC装置为例，介绍一种软件结构。该中断优先级共8级，其中第0级为最低优先级，实际上是初始化程序；第7级为最高级。除了第4级为硬件中断，完成报警功能外，其余均为软件中断。
（2）分布数字控制（DNC）系统
a.DNC的概念
分布数字控制（DNC）俗称群控，是用1台或多台计算机对多台数控机床实施综合数字控制。DNC系统很容易成为企业级信息集成的基本组成部分。相对于柔性制造系统（FMS），DNC系统的投资少得多。DNC系统对于资金和技术力量不足的中小企业有一定的推广价值。DNC系统的核心是数控机床。
b.与计算机的互连
DNC系统与计算机的互连应以局域网或内联网（intranet）为基础，并开发通信系统和接口。DNC系统的难点是数控系统的异构问题。如果选用不同的联接标准（例如RS-232C、RS-485、RS-422、RS-511等），以组件对象技术为基础，集中力量研究可重构数控系统的集成软件，异构问题不会成为使用DNC的障碍。
c.系统结构
DNC系统结构有一定的灵活性，主要根据实际情况来决定。需要考虑的因素有：工厂所需自动化的程度、信息流分配、计算机控制结构层次及加工零件的工艺要求等。设计DNC系统时也有多种方案可供选择。
4企业信息的管理和处理
组成部分有：中央计算机、外部设备、通信接口、机床控制器、机床。DNC系统最根本的任务是在多台机床间分配信息，使机床控制器能完成各自的操作。大体上可以把DNC系统分为3种结构：一般结构、读带机旁路式结构、混合结构。中央计算机执行直接数控的3项任务：从存储器取回零件程序并把它传递给机床、控制信息流动、监控并处理反馈。
将中央计算机的远程通信线与读带机并联接于机床控制器，就构成了读带机旁路式结构（BTR——Behind the Tape Reader）。BTR结构灵活，可靠性高，当中央计算机发生故障后各数控装置仍可独立使用。缺点是设备多，费用较高。
一个系统可同时采用两种方式，即一部分机床采用BTR方式，另一部分只带机床控制器，由计算机进行直接数控。这种系统称混合型结构。
DNC系统的BTR结构与一般结构的根本差别在于BTR结构使用了现有的数控机床控制装置，而一般结构则使用机床控制系统（包括CNC的软硬件系统）。
因此，BTR方式只是从单机向多机控制迈出了试探性的一小步，而DNC的一般结构才具有比较明显的“群控”概念，是企业信息化工程底层自动化发展的基础。
d.系统组成
DNC系统的组成包括硬件部分和软件部分。DNC系统的软件部分涉及通信、生产管理、零件加工程序的自动编制等，是企业级信息集成研究的基本问题，本书的其他章节已经作了比较详细的介绍。DNC系统的硬件主要考虑以下3方面问题：
计算机方面，一般微机都具有1个～2个RS-232C通信接口，但要开发通信软件。
数控机床方面，应该具有必要的接口，例如FAUNC数控系统采用8086CPU，并提供一个通用异步收发器8251和一个标准的EIARS-232C串行接口，这些接口是DNC系统必要的硬件环境。
通信线路方面，首先要保证连线正确，必须按照接口规范的要求连线。计算机数控机床的连接分为两种情况：传输距离在50m以内时，采用不加调制解调器（Modem）的通信方法；长距离数据通信则采用加Modem的方法。在将Modem与计算机连接时要特别注意，并非所有RS-232C接口都是相同的，必须参考它们的使用说明书。另外，外接Modem与计算机的RS-232C接口之间的电缆也必须符合要求。
e.通信软件
从程序框架大体上可以看出通信软件的主要功能是：数据发送、数据接收、编辑程序、后置处理。在数据发送的执行中，短程序一次送完，3000条语句以上的长程序采用边加工边送程序的方案。DNC系统的通信软件包含的模块有：数据发送模块、数据接收模块、延时模块、重编码模块、数据程序头模块、主菜单模块、显示器屏幕范围设定模块、数据程序名通用键入模块、通信规程设定模块、发送接收方向判别及发送条数监视模块、编辑模块等。
4.4.2.2检测设备
在零件加工制造时，对零件加工精度的检测是保证加工质量的重要手段，部分重要数据是产品质量跟踪的依据。测量可以采用手工方法，也可以采用现代的自动测量装置，例如三坐标测量机。零件精度的检测过程可以分为工序间循环内检测和最终工序检测。采用的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。循环内检测可实现加工精度的在线实时补偿；最终工序检测实现对产品质量的最后把关和统计分析。为了得到高精度的读数，一般采用接触式测量方法。大多数现有的非接触遥感设备准确性差，且结构十分复杂。
三坐标测量机是一种高精度、高效率、多功能的测量仪器，几乎可以用来测量任何尺寸的形位误差，快速地完成复杂零件的三维空间尺寸的测量。三坐标测量机的X、Y、Z这3个坐标可以灵活移动，三维测头对被测零件采样，显示装置显示测量结果，并可进行数据处理。测量过程可以进行数控编程，测量机能够按照程序自动工作，检测的效率比人工高几十倍，而且可测量具有复杂曲面的零件加工精度。三坐标测量机不适用于零件加工的在线检测。
循环内检测是一种在线检测方法，是利用数控机床和加工中心上的位置检测系统工作的。它具有如下功能：监测加工的极限情况、磨损补偿、根据基准面确定工件位置、根据基准点补偿尺寸变化、进行尺寸的自动检测。
在企业信息化工程中，利用机器人进行辅助测量是比较好的方法。工业机器人自问世以来，发展十分迅速，其应用领域也不断扩大。机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等优点，可以实现对零件100%的测量，因此特别适合零件制造的工序间测量和流程生产的过程测量。与坐标测量机相比，造价低、使用灵活、易入线。国外已经有测量机器人问世。机器人测量分直接测量和间接测量。直接测量又称为绝对测量，它要求机器人具有较高的运动精度和定位精度，因此造价较高。间接测量又称辅助测量，特点是在测量过程中机器人的坐标运动不参与测量过程，它的任务是模拟人的动作，将测量工具或传感器送至测量位置。
机器人末端执行器夹持传感器，模拟人的测量动作将传感器送到测量位置。
计算机是系统信息转换和控制中心，负责采集传感器的信号并对其进行处理，同时与机器人上的PLC接口交换信息，控制机器人的启动和停止、运行路线、任务转换等。当机器人运动到指定位置后发出信号，通知计算机开始采集传感器提供的测量信号。完成测量任务后机器人复位。
4.4.2.3刀具和夹具
（1）刀具系统
在传统的机械加工中，由于自动化程度不高，生产节奏慢，刀具问题的矛盾不突出。但是，在高度自动化的加工系统中，刀具成为提高工作效率的关键，于是人们开始研究如何设计高效的刀具系统。
（2）夹具系统
制造自动化系统的夹具系统主要由机床夹具、托盘以及自动上下料装置3部分组成。
a.机床夹具。制造自动化系统的机床夹具种类很多，有只装一个零件的夹钳，有复杂的图框式或台架式夹具，可以从几个面让刀具接近零件进行加工，还有可以同时夹装两个或多个零件的更大型夹具。
b.托盘。在制造自动化系统中，箱体零件通常使用夹具安装，而夹具又安装在托盘上。在加工过程中一般不将零件与托盘分离，称为“随行夹具”。托盘的样式有多种，它是工件与机床的接口。
c.自动上下料装置。这是一种处在机床与物料传送设备、物料传送设备与托盘站（或立体仓库）之间的装卸设备。常见的有托盘交换器（APC——Automatic Pallet Changer）、自动输送小车、机器人等。
夹具系统的操作方式有人工操作、自动操作和混合操作3种。自动化程度低的地方采用人工操作，自动化程度高的地方采用自动操作，为了提高投资的效率可以采用混合操作，即人和机器互相配合的操作。自动化操作不仅能够减轻人的体力劳动、提高劳动生产率，而且通过控制设备可以与生产管理系统交换信息，有利于实现企业级信息集成。
4.4.3物料储运系统
4.4.3.1物料储运系统的组成和信息处理
制造系统的物流包括以下3个方面：
a.原材料、半成品、成品所构成的工件流；
b.刀具、夹具构成的工具流；
c.托盘、辅助材料、备件构成的配套流。
