10-11机械制造自动化技术-检测过程自动化要点.doc

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1、检测过程方动化主要介绍机械加工过程中检测技术的基本概念、分类、检测方法和常用的检测装置，重点讲工件、刀具及加工设备对加工后的工件进行检测，刀具及加工设备等常用的自动识别技术和自动化检测技术。机械制造系统? 机械加工系统?从概念包含的范围看，机械加工系统是机械制造系统的子 系统。本章主要介绍的是机械加工阶段相关检测技术。制造过程的检测技术机械加工系统 不同的生产条件下，通过自身的定位装夹.运动.控制以及能量供给等机构，按不同的工艺要求实现将毛坯或原材料加工成零件或产品。材料、毛坯 加工工艺信息 能量A机械加工系统零件A图6-1机械加工系统的基本概念要把握住加工过程中各种有价值的数据信息,才能实现

2、被加工工件的质量控制、加工工艺过程的监测、加工过程的优化以及设备的正常运行。制造过程的检测技术机械加工系统 不同的生产条件下，通过自身的定位装夹.运动.控制以及能量供给等机构，按不同的工艺要求实现将毛坯或原材料加工成零件或产品。材料、毛坯 加工工艺信息 能量A机械加工系统零件A图6-1机械加工系统的基本概念要把握住加工过程中各种有价值的数据信息,才能实现被加工工件的质量控制、加工工艺过程的监测、加工过程的优化以及设备的正常运行。对加工后的工件进行检测，仗能起刊刎除废品的作用， 因此檢测过程是被动的；对加工中的工件进行检测，并根据检测结果通过控制糸统对加工过程进行控制，这种方无能防止废品的产生,

3、楼测过程是主动的）如果进一步对测得的加工过程参数进行优化，并校正机床系统, 就能实现自适应控制。检测方法直接测量与间接测量触测量和非接触测量线测量和离线测量直接测量：测量对，直按从测量耳具上篌出枚测几何量的丸小值，测量过程HLit,应用广泛。间接测量：彼测几何童无廉直接测量对，督先测岀与 枝测几何童有关的其他几何量，然后，通过一定的 敦学关糸式进行计算来求得秋测几何童的尺寸值。谁的测量误差大？接触式检验。测童春具的测受头II按与枝测对象的 裹面按触，工件秋测参数的变化，直接反映牲童杆 的移动童上。非接触式检验。测童#具的测受头不与祓测对象表而按耻而是借助电该磁应、宅压，丸隶或放射性 同住素的射

4、线等的作用，以反映秋测参數的变化。这种测童方式，没有因为测头与祓测对象按触发生虜捆而产生的镁左，故衣现代嫩1地糸统中，具有明耳的优越性。农线测量：在加工过程或加工糸统运行过程中对秋 测对象进行检测。通常还得对测得救据进行分析处理，再反績控制糸统调整加工过程，可卖现自动化测童。离线测童：农祓测对象加工后脱誉加工糸统准.进行检测。需人工干预将测童结果输入控制糸统，以调 整后续加工过程。测量误差小量精度高监测 可实现自 动检测与 监控检测装置测谁的信息？谁的哪方面的信息？谁去测?人壬检测11自动检测测对象不同，检测要素不同，检测手段不同,检测装 置也不同尺寸（精度）、形状（精度）、表面粗糙度等I针对

5、耶的检测刀具磨损量、温升、振动、变形等人工检测：是人操作检测工具，收集分析数据信息（离线检测），为产品质量控 制提供依据；但产品结构越来越复杂、产品周期要求越来越短，人工检测在检测精度 及效率方面已不能满足现代化生产要求。自动检测：是借助于各种自动化检测装置和检测技术（可在线监测），自动地灵敏地反映被测工件及设备的参数，为控制系统提供必要的数据信息。自动化检测的优点：检测时间短并可与加工时间重合,使 生产率进一步提高；排除检测中人为的观测误差和操作水平的 影响；迅速及时地提供产品质量信息和有价值的数据,以便对 加工系统中工艺参数及时进行调整,为加工过程的实时控制提 供了条件。检测装置一自动检测

6、装置的检测范从制品（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺陷等的静态检测，到成品生产过程各阶段上的质量控制;从对各种工艺过程及其设备的调节与控制，到实现最佳条件的自动生产，其中每一方面都离不开自动检测技术。检测装置一自动检测装置用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：三坐标测童机、激光测轻仪以及动测撤仪、电动 测微仪和采用电涡流方式的檢测裝置；用于工件表面粗糙度检测：表面轮廓仪；用于刀具磨损或破损监测的：嗥声频谱.红外发射. 探针测量等测量裝置；它们的主要作用就衣于全面地、快速地获得有关产自动检测的类型1. 产品精度检测（被动检测）产品荊度檢测是应工件加工芜成后，按證收的技术 条件进行缺收和分

7、组C1分为合格為与废品；2合格 品分组丿o这种检验只能发现废品，不能预防废品 的产生。2. 工艺过程精度检测（主动检测）檢测对象一般長加工设备和生产工艺过程。目的：预防废品的产生，从工艺上毎证所需的轲度。二工件尺寸的自动测量工件尺寸精度是直接反映产品质量的指标，因此蛊许多|动化制建中都采用自动测査工件的 方法来锋证产品质童和糸统的正常运行。检测方法檢测方廉按其牲制建糸统中所応的住置可以分 为:1 离线检测2 在线检测1 离线检测衣令动化制造糸统生产线以外进行檢测（其檢测 手段可以是人工或1动丿,其檢测周期长，难以及对 反债质童信息。2 在线检测分为工序间检测与最终工序检测。工序间檢测可卖现加工

8、轲度的农线检测及实对补褛。 （可在后姨加工工序中进行补後，以毎证此产的尺 寸轴度丿O最终工序檢测对已加工克成的产品进行檢测，找出镁差产生的斥,调整加工过程。C以银证下一个产品口工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重要的功能。 工件的工件的尺寸和形状误差分为:随机祺盖和糸统谋差。81机谟差:随机误差是由很多暂时未知的微小因素所构成， 这些因素在测量过程屮相互交错、随机变化，以不可预知方式综 合地影响测量结果。就个体而言是不确定的，但对其总体（大量 个体的总和）服从一定的统计规律，因此可以用统计方法分析其 对测量结果的影响。（每一次测量中，随机误差的大小和方向不 定）随机误差是测量结果与在重复性

9、条件下，对同一被测量进行无 限多次测量所得结果的平均值之差。糸统镁差:系统決垦的产生一般9测量仪器或装置本身的 准确度有关；与测量者本身的状况及测量时的外界条件有关。系 统误差是在重复性条件下，对同一被测量进行无穷多次测量所得 结果的平均值与被测量真值之差。（在相同测量条件下、重复测 量所得测量结果总是偏大或偏小且误差数值一定或按一定规律变 化）自动检测过程中,应检测哪种误差?1系统误差1系统误差包括哪些?17实时在线测量影响加工尺寸的因素 一般说来有以下几科点因： /I、切的热引起刀具的伸长，使得加工 尺寸与理论尺寸有屋别；/2、切削热引起工件的膨胀；，3、机床主紬、工件和刀丹糸统在受切创力

10、和切的热作用下的动态麦形； 4、刀具虜损对加工希度的彩响。 5、机廉导轨的几何希度。磨床的专用自动检测装置图中机床、执行机构与测量装置构成一个闭环系统。在 机床加工工件的同时 自动测量头对工件进行测量将测得 的工件尺寸变化量经信号转换放大器,转换成相应的电信号 并经过放大后返回机床控制系统控制机床的执行机构,从图6-4磨削加工中自动测量原理方框图三坐标测量机三坐标测受机（Coordinate Measuring Machining.简稀CMMJ久称计算机救控三坐标测爻机是一种新型嵩枚的梢 海测受仪昙。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量（工件尺寸误差、复杂轮廓形状误差），而且可以通过

11、 与数控机床交换信息，实现对加工的控制。图6-6悬臂式三坐标测量机的示意结构组成工作台.三维测 量头.坐标位移测量装置和 计算机数控装置等组成。三坐标测量机使用加工前测量和加工后测量两种加工前测量的主要目的是测量毛坯尺寸是否过大或过小， 毛坯在托盘上的安装位置是否正确。加工后测量是测量加工检测装置独立于机床,工件需在机床与检测装置之间运输21完的零件的加工部位的尺寸和相互位置精度，再送至装配工 序或线上其它加工工序.三维测头的使用使用三维测头可装在数控机床（加工中心）上使用而 无需将工件从机床上运输至CMM逬行测量.以减少工件来回和 等待的时间,减少设备购入。三维测头平时可安放于刀库中，便用时

12、取出装入主轴孔中。 工件经过高压切削液冲洗，并用压缩空气吹干后进行检测。23激光测径仪使用常用在钢管.钢棒的热轧生产线中测量工件的外径。能用于轧制时的高温、振动大的恶劣环境。工作原理氮氛激光器产生的光束经过平面镜反射到多面棱镜W上,当同步电动机M带动多面棱镜旋转后,激光束通过透镜L4称为平行扫描光束。平行扫描光束经过透镜L5后聚焦到光敏二极管图69激光测径仪原理图L_rwi_rkETL_n_rL_i=i1=1n_9激光测径仪如果透镜L4与透镜L5之间没有被测的钢管，那么光敏二极管接收到 的信号是一个方波脉冲，如640 (a) e脉冲竞度T与同步电机的转速. 透镜L4的焦距多面棱镜的结构有关。圏

13、69激光测径仪原理圏图6-10激光测径仪波形图若有被测件则波形如6J0 (b).其中脉冲竟度与被测件的 尺寸(钢管的直径)成正比。机器人辅助测量磨床专用白动测量装置争标测量机三维测头激光测径仪机器人辅助测量工件尺寸的自动检测工件的圆度垂直度的自动检测相关技 术还没有达到实用程度。加工过程的口动在线检测和补偿自动在线检测定义旨在设备运行.生产不停顿的情况下 根据信号处理的基本原理，踪并掌握设备的当前运行状态 预测未来的状况并申据出现的情况对生产线进行必要的调整。分类（检测范与深度不同闭环系统。检测工件尺寸的变化量。n床监测：即对加工设备状态进行监视。通过传感元件监测有关机床.产品及加工过程的信息

14、。相应的自我调节。实现在线检测的方;种可采用在机床上安装自动检测装置；另一种可采用在自动线中设置自动检测工位的方法。自动化单机可在机床上安装自动尺寸检测装置与自动补偿装置。可组成自动线也具有自动检测与补偿功能。组合机床自动线/专用机床自动线 自动线中适当的位置设置 自动检测工位.由人工对自动线进行调整。加工过程的自动在线检测和补偿自动补偿A对一些采用调整法进行加工的机床，工件的尺寸精度主要取决于机床本身的精度和调整精度。A当工件的精度要求较高，而切削工具磨损较快时，则机床 工作时间不长，工件的尺寸精度就会显著下降。刀具磨损是直接影响被加工工件尺寸精度的因素。如要 保持工件的加工柑度就必须经常停

15、机關刀，又会彩 响加工败率。刀具处于工常磨损状态|必须采取措施来解决加工中工件的自动测童和刀 具的自动补篠问题。加工过程的自动在线检测和补偿自动补偿所谓补偿是指在两次换刀之间进行的刀具多次微量调整，以补偿刀刃因磨损对工件加工尺寸带来的影响。补偿原理机床5加工后的零 件送至检测装置2处检测，若工件尺 寸超过一定值,检测装置产生补偿 信号，经3. 4后操纵机床5上的自动补偿装置使刀具按指定值做补偿运动。当出现的废品超过规定数值,控制图6-12自动补偿的基本过程线路6使机床停止工作。1 工件2测量装置3信号转换、放大装置4控制线路5彳几床6控制线路7分类机8合格补偿量的大小取决于工件的精度要求。补偿

16、量愈小.获得的补偿精度就 愈高，工件尺寸的分散范围也愈小（公差带竟度越小）对补偿执行机构 的灵敏度要求也愈咼。/由于补偿是滞后的,即对已加工的零件进行测量和发出补偿信号避免下 一个零件成为废品 如果功率消耗超过预定值 则说明刀具磨损严重,需换刀。三刀具状态的自动识别与盟测 常用的识别刀具状态的方法(2)力检测通常检测作用在主轴或滚珠丝杠上力的大小，获取切削力或进给力的大小，如果大于设定值，则判断刀具磨损需换刀。(3) 声发射检测切削过程中会发出超声波脉冲而磨损严重的刀具所发出的 声波强度比正常值高37倍。如果通过声发射检测方式检测到声波 强度迅速増强表明刀具磨损严重,需换刀。(4) 学习模式需

17、运用神经网络相关算法建立神经元网络模型,通过先前 获得的数据，对神经网络进行训练，当系统具有一定的判断力后, 再将其用于实际刀具状态识别中。钻头磨损状态自动识别案例检测何信息? 通过检测电动机电流信号来识别刀具磨损状态。依据对钻头磨损量的分类,建立在不同刀具磨损类别下的数学模型用来描述电流与刀具磨损状态的关系。应用中,通过检测电流值的大小，识别刀具的磨损状态。电流信号与刀具磨损量的关系？电流信号不仅与刀具磨损有关,与切削参数.加工材料.刀具材料也密切相关。需建立刀具磨损状态与电流信号之间的关系。 需用到神经网络模型、模糊数学.回归分析等数学知识建立钻削过 程中电流信号与刀具磨损状态的识别模型。

18、37钻头磨损状态自动识别案例1.钻头磨损状态划分根据钻削过程的要求，把刀具磨损量分为A. B、C三类,各类的平均磨损量分别为：02mrrx 0.5mm. 0.8mmo2.电流信号模型电流信号I与切削速度比进给量匸刀具直径d.刀具磨损量w相关,当使用新的切削刃时主轴电流幅值Is oc ksvax fadcly逬给电流幅值If oc心/严严图6-14钻削电流神经网络模型钻头磨损状态自动识别案例主轴电流幅值Is oc ksvcl fcl2da-进给电流幅值Lgv-畑/oc心/严2/3图6-14钻削电流神经网络模对应的A/B/C类刀具磨损量建立电流神经网络数学模型。若已知切削速度X进给量f、刀具直径d

19、 （在当前的刀具磨损量下w）,会有一组对应的电流值（通过神经网络算法获得）将其与实际所测的电流值比较,其贴近程度反映刀具磨损属于何类。刀具状态监测刀具状态识别与状态监测之间的关系？刀具的监测技术与刀具的状态识别技术是紧密相连的。刀具的监 测建立在刀具的状态识别基础之上。刀具状态监测技术强调用什么方法装置（过程）表6-1/6-2刀具状态识别强调结果（刀具状态是好是坏,处于什么程度）刀具状态监测实际应用方法直接测量法：就是直接检测刀具的磨损量,并通过控制系统控制补偿机构进行相应的补偿,保证各加工表面应具有的尺寸精度。不易测量，常需停机测量刀具状态监测刀具状态监测实际应用方法间接测量法：刀具的磨损区

20、往往很难直接测到，常常通过测 量切削力.切削力矩.切削温度.振动参数、噪声和加工表面的粗 糙度等来判断磨损程度。根据切的力的变化刘别刀具的虜损程夂的。对子加工中心而言测量裝負是无比裝应刀具上， -般惜况下，就裝在主斛的4*承上，这科轴承称 为测力轴象。通过测量测力4*永的旻力惜况来确 走刀具的虜损惜况。41刀具的自动监控刀具的自动监控主要集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其他形式的刀具故障等方面。采用刀具监控技术后,可减 少75%的由人和技术因素引起的故障停机时间。刀具寿命自动监控通过对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。当 累计时间达到预定刀具寿命时发出换刀信号；前计算出刀具寿命内可

21、加工的工件数,通过计工件数来 实现刀具寿命监控（加工同一种工件）；41刀具的自动监控切削力.扭矩.振动、声发射（AE ）.激光（表面粗糙图6-17刀具磨损振动监测系统原理图1 工件2加速度计3刀架4车刀刀具磨损、破损的自动监控速度传感器获取振动信号，经放大、滤 波及转换处理后，用计算机进行分析比较，当判别刀具磨损的振动特征最超过允许值，控制器发出换刀信号。刀具的自动监控刀具磨损、破损的自动监控图618声发射钻头破损监测装置原理图切削力.扭矩.振动、声发射（AE ）.激光（表面粗糙度）声发射传感器安装在工作台上接收声音 信号，若钻头发生破摄，所接收到的钻 头的声音信号异常、机床控制器发出换 刀信

22、号。刀具磨摄时的声发射值主要取决于刀具破摄面的大小，与切削条件关系 不大，故应用广泛，既可用于车刀、铳刀等较大的刀具的监测，也可用 于小刀具如小钻头的监测。决策和控制等四个部分组成。一填空题(共5题)1. 制造过程的检测技术就是采用手段、通过各种装置为控制提供必要的参数和数据。2. 费触测量时测量器具的直接与被测对象的接触，测量头的直接反映被测参数的变化。3针对产品的检测要素包括、. 、等。4产品精度检测是在工件 Jn,按验收的技术条件进行验收和分组。在自动检 测中，能自动将工件分为O但这种检测方法只能 废品，不能废品的产生。5工艺过程精度检测可以预防废品的产生，所以这种检测方法也称为。这种检

23、测的对象一般是。加工设备的自动监测监控系统的组成自动化加工监控系统主要由信号检测.特征提取、状态识别、(1) 信号检测：监控系统的首要步骤, 加工过程中产生的信号类型各异,从不 同角度反映加工状态的变化。信号需要 用相应的传感器获取。图619加工过程监控系统一般结构(2) 特征提取：对检测信号进行进一步 处理,从大量检测信号中提取出与加工 状态变化相关的特征参数。加工设备的自动监测监控系统的组成自动化加工监控系统主要由信号检测.特征提取、状态识别、决策和控制等四个部分组成。(3 )状态识另0 :通过建立合理的识别模型 根据所获取加工状态的特征参数对加工过程 的状态進行分类判断。(4 )决策与控

24、制:根据状态识别的结果， 在决策模型指导下对加工状态中出现的故障 做出判决，并进行相应的控制和调整。图619加工过程监控系统一般结构对监控系统的要求对加工过程、机床及刀具状况进行监控,是自动化监控系统 的三个主要任务。各任务除了要选好状态变量之外,还必须满 足以下要求:(1) 加工过程往往需要监控多个状态变量，仅监控一个状态变量是不够的。(2) 由于自动化加工系统本身的加工恃性，必须监测振动情况，在多轴加 工的情况下，还必须选择观测方向。(3) 系统中必须采用相应的识别控制程序对加工过程出现的异常状 态进行识别。由于交换部件刀具的数量大.控制程序长，因此，必须监测 加工过程的初始条件。加工设备

25、的故障诊断 建立在对加工设备的自动监控基础之上的监控的目标测并诊断故障（检测相应的信号根据信号做出设备运行状态的判断）。诊断的定义所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。加工设备的自动监控与诊断包括四方面内容:（1）状态量的监测：就是用适当的传感器实时监测设备运行状态是否正常的状态参数。（信号检测）（2）加工设备运行异常的判别：是将状态量的测量数据进行适当的信息处理利断是否出现设备异常的信号。（特征提取）（3）设备故障原因的识别：找出加工设备发生故障的地点及原 因（设备的哪个部分出现故障，因为什么而发生故障），这是故障 诊断中最难最耗时的工作。（状态识别）加工设备的故障诊断 建立在对加工设备的自动监控基础之上的监控的目标测并诊断故障（检测相应的信号根据信号做出设备运行状态的判断）。诊断的定义所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。加工设备的自动监控与诊断包括四方面内容:（4）控制决策 找出故障发生的地点及原因后，就要对设备进行 检修排除故障,保证设备能够正常工作。状态监测是故障诊断的基础，故障诊断是对监测结果的 进一步分析和处理，而控制决策是在监测和诊断基础上 做出的。因此，三者之间必须紧密集成在一起。