检测过程自动化.pptx

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1、u5.1 5.1 制造过程的检测技术制造过程的检测技术u5.2 5.2 加工尺寸的自动测量加工尺寸的自动测量u5.3 5.3 刀具的自动识别与监测刀具的自动识别与监测u5.4 5.4 加工设备的自动监测加工设备的自动监测u5.5 5.5 相关的检测技术相关的检测技术第1页/共153页第一节第一节 制造过程的检测技术制造过程的检测技术一、基本概念一、基本概念检测技术是机械制造系统不可缺少的部分，它在机械制造领域中占有十分重要的地位。制造过程的检测技术就是采用人工或自动的检测手段，通过各种检测工具或自动化检测装置，为控制加工过程、产品质量等提供必要的参数和数据。这些参数和数据可以是几何的、工艺的或

2、物理的。第2页/共153页机械加工系统信息原材料能量资金成品废品污染控制支持条件加工资源输入加工系统输出第3页/共153页检测与组成加工系统之间的关系，如图5-25-2所示。1 1）定位子系统：建立刀具与被加工工件的相对位置。2 2）运动子系统：为加工提供切削速度及进给量 。3 3）能量子系统：为加工过程改变工件形状提供能量保证。4 4）检测子系统：为控制加工过程、产品质量等提供必要的 数据信息。5 5）控制子系统：对加工系统的信息输入和传递进行必要的 控制，以保证产品质量，提高加工效率，降低成本。它可以是人工控制，也可以是 自动控制。第4页/共153页图5-2机械加工系统的组成第5页/共15

3、3页n对加工后的工件进行检测，仅能起到剔除废品的作用，因此检测过程是被动的；n对加工中的工件进行检测，并根据检测结果通过控制系统对加工过程进行控制，这种方式能防止废品的产生，检测过程是主动的；n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。检测方法按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式：（1 1）直接测量与间接测量 （2 2）接触测量和非接触测量 （3 3）在线测量和离线测量第6页/共153页（1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量n直接测量：测量时，直接从测量器具上读出被测几何量的大小值 n间接测量：被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量有关

4、的其他几何量，然后，通过一定的数学关系式进行计算来求得被测几何量的尺寸值第7页/共153页（2 2）接触测量和非接触测量）接触测量和非接触测量n接触式接触式:测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上，然后通过某种传感器转换为电量。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。n 非接触式非接触式:测量器具的测量头不与工件被测表面接触，而是借助电磁感应、气压，光束或放射性同位素的射线等的作用，以反映被测参数的变化。这种测量方式，没有因为测头与工件接触发生磨损而产生的误差。第8页/共153页（3 3）在线测量和离线测量）在线测量和离线测量n在线测量在线测量

5、:在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测。n离线测量离线测量：在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。第9页/共153页二、检测装置二、检测装置l对被加工工件的 监测与控制 包括：包括：精度、粗糙度、形状、缺陷等；l对加工设备工作状态的在线监测与控制包括：包括：切削负荷、刀具磨损及破损、机床主要部件的温升、振动、变形等；l对加工对象的加工过程在线监测与控制。n监测的内容：监测的内容：第10页/共153页n采用的检测手段可分为：人工检测和自动检测。n人工检测：是人操作检测工具，收集分析数据信息，为产品质量控制提供依据；n自动检测：是借助于各种自动化检测装置和检测技术，自动地灵敏地反映被

6、测工件及设备的参数，为控制系统提供必要的数据信息。二、检测装置二、检测装置第11页/共153页n 机械制造过程中自动化检测的范围：机械制造过程中自动化检测的范围：n从从制制品品（零零件件、部部件件和和产产品品）的的尺尺寸寸、形形状状、缺缺陷陷、性性能能等等的的静静态态检检测测，到到成成品品生生产产过过程程各各阶阶段段上的质量控制；上的质量控制；n从从对对各各种种工工艺艺过过程程及及其其设设备备的的调调节节与与控控制制，到到实实现现最最佳佳条条件件的的自自动动生生产产，其其中中每每一一方方面面都都离离不不开开自动检测技术。自动检测技术。第12页/共153页适用于不同用途的自动检测装置适用于不同用

7、途的自动检测装置：n用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：三坐标测量机、激光测径仪以及气动测微仪、电动测微仪和采用电涡流方式的检测装置；n用于工件表面粗糙度检测：表面轮廓仪；n用于刀具磨损或破损监测的：噪声频谱、红外发射、探针测量等测量装置；n利用切削力、切削力矩、切削功率对刀具磨损进行检测的测量装置。它们的主要作用就在于全面地、快速地获得有关产品质量的信息和数据。第13页/共153页三、自动化检测方法三、自动化检测方法在机械加工中自动化检测方法有两种：1 1产品精度检测 产品精度检测是在工件加工完成后，按验收的技术条件进行验收和分组。这种检验只能发现废品，不能预防废品的产生。2 2工艺

8、过程精度检测 目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。对象:加工设备、工具和生产工艺过程第14页/共153页l在机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的在线检测。如在数控磨床上安装在线检测装置l在自动线中设置专门的自动检测工位，即在某道加工工序刚一完成就立即进行在线检测。如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置。l设置专门的监测装置。如轴承中使用的钢珠、滚针，连杆的秤重。l在柔性系统使用的测量机器人。自动化检测实现的途径自动化检测实现的途径第15页/共153页n计算机技术和电子技术的发展应用对自动检测领域的影响,使自动检测的范畴扩大。n从被加工工件尺寸和几何参数的静态检测，扩展到对加工过程

9、各个阶段的质量控制；n从对工艺过程的监测扩展到实现最佳条件的自适应控制检测。自动化检测技术不仅是现代制造系统中质量管理分系统的技术基础，而且已成为现代制造加工系统不可缺少的一个重要组成部分。第16页/共153页工工件件尺尺寸寸精精度度是是直直接接反反映映产产品品质质量量的的指指标标，因此在许多自动化制造中都采用自动测量工件的方法来保证产品质量和系统的正常运行。一、检测方法一、检测方法 检测方法按其在制造系统中所处的位置可以分为：1.离线检测离线检测 2.过程中检测过程中检测 3.在线检测在线检测第二节第二节 加工尺寸的自动测量加工尺寸的自动测量 第17页/共153页181.离线检测离线检测 在

10、自动化制造系统生产线以外进行检测，其检测周期长，难以及时反馈质量信息。2.过程中检测过程中检测这种检测是在工序内部，即工步或走刀之间，利用机床上装备的测头检测工件的几何精度或标定工件零点和刀具尺寸。检测结果直接输入机床数控系统，修正机床运动参数，保证工件加工质量。一、检测方法一、检测方法第18页/共153页n检测方法：检测方法：测头安装在主轴上测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）或刀架上或刀架上（车削加工中心），通过触点测量和数据处理检测加工表面的尺寸和形状误差或标定工件在机床坐标系中的坐标零点。测头安装在机床工作台测头安装在机床工作台（数控镗铣加工中心）或床或床身上身上（车削加工中心），通过

11、坐标轴运动使刀具与测头接触测出刀具在各方向的偏置量，输入数控系统进行刀具补偿；或者测量刀具磨损量。第19页/共153页3.在线检测在线检测 利用坐标测量机综合检测经过加工后机械零件的几何尺寸与形状位置精度。l坐标测量机按精度按精度可分为生产型和精密型生产型和精密型两大类；l按按自自动动化化水水平平可分为手手动动、机机动动和和计计算算机机直直接接控制三大类。在自动化制造系统中，一般选用计算机直接控制的生产型坐标测量机。第20页/共153页n工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重的在线测量是机械加工中很重要的功能。要的功能。n工件的工件的尺寸和形状误差分为：工件的工件的尺寸和形状误差分为：随机误

12、差和系统误差。随机误差和系统误差。n自动检测中，应该检测系统误差！系统误差！n系统误差包括系统误差包括？第21页/共153页n影响加工尺寸的因素影响加工尺寸的因素一般说来有以下几种原因：n1、切削热引起刀具的伸长，使得加工尺寸与理论尺寸有差别；n2、切削热引起工件的膨胀；n3、机床主轴、工件和刀具系统在受切削力和切削热作用下的动态变形；n4、刀具磨损对加工精度的影响。n 5、机床导轨的几何精度。实时在线测量 第22页/共153页工件尺寸、形状的在线测量方式：第23页/共153页测量传感器测量传感器 测量装置中最主要的部分是传感器，它用以将被测零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如转换成电、气或其

13、他形式的信号。然后将此信号送至放大装置放大或经其他处理后，供机床的控制系统自动控制机床的工作过程。常用的传感器有电气式、光电式、气动式等。第24页/共153页二、自动测量机构二、自动测量机构 1.1.专用自动测量装置 实现加工过程自动检测的过程是由自动检测装置完成的。在大批量生产条件下，只要将自动测量装置安装在机床上，操作人员不必停机测量工件尺寸，就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加工过程（如变换切削用量、停止进给、退刀和停车等）。其自动测量原理如图5-45-4所示。第25页/共153页图5-4加工中自动测量原理方框图第26页/共153页2.

14、2.三坐标测量机三坐标测量机 三坐标测量机又称计算机数控三坐标测量机，它是现代加工自动化系统中的测量设备。三坐标测量机不仅可以在计算机控制的制造系统中直接利用计算机辅助设计和制造系统中的编程信息对工件进行测量和检验，构成设计制造检验集成系统，而且能在工件加工、装配的前、后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理。第27页/共153页 三坐标测量机（Coordinate Measuring Coordinate Measuring MachiningMachining，简称CMMCMM）是2020世纪6060年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。现代CMMCMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂

15、测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，CMMCMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。2.三坐标测量机三坐标测量机第28页/共153页 三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。三坐标测量机的作用：l可以在计算机控制的制造系统中直接利用CAD/CAMCAD/CAM系统中的编程信息对工件进行测量和检验，构成设计制造检验集成系统，l能在工件加工、装配的前、后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理。2.三坐标测量机三坐标测量机第29页/共153页（

16、1 1）CMM的组成的组成机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。lX X向导轨系统装在工作台上;lY Y向导轨系统是移动桥架横梁;lZ Z向导轨系统装在中央滑架内。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。第30页/共153页（1 1）CMMCMM的组成的组成l 三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。l人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。l用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。第31页/共153页32第32页/共153页（1 1）CMMCMM的组成的组成电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成.用

17、于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。436工作台5X2Y移动桥架中央滑架Z轴测头电子系统第33页/共153页（2 2）CMMCMM的工作原理的工作原理 原理：原理：l通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点坐标的获取；l通过相应的数学计算定义，完成对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素；l 进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而完成对被测零件的检验工作。三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。第34页/共153页35 几何量数字测量的功能第35页/共153页36常用测量方法第36页/共153页（四）工作台（四）工作台

18、 早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有旋转工作台，以扩大测量功能。第37页/共153页（五）导轨（五）导轨 导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。在三坐标测量机常用的为滑动导轨和气浮导轨，目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。第38页/共153页三坐标测量机的测量

19、系统三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着CMM测量精度的高低。l 标尺系统标尺系统l标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的。标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的。l标尺系统种类按其性质可以分为：l机械式标尺系统机械式标尺系统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、l光学式标尺系统光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）l电气式标尺系统电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。第39页/共153页第40页/共153页第41页/共153页测头系统测头系统u（1 1）测头 三坐标测量机是用测头来拾取

20、信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。u分类：按结构原理：机械式、光学式和电气式等；按测量方法：接触式和非接触式两类。第42页/共153页测量机原理测量机原理 接触式三坐标测量机的原理是：将被测件置于三坐标的测量空间之内，测出接触点处的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算可以求出被测件的几何尺寸、形状及位置。基本结构基本结构 接触式三坐标测量机的基本结构可分为主机、测头、电气系统三大部分。第43页/共153页1 1）主机）主机（1）主机的构造 框架结构；标尺系统；导轨；驱动装置；平衡部件；转台与附件。(2)(2)主机的结构形式与材料

21、三坐标测量机主机的结构形式可归纳为七大类：桥框式、悬臂式和龙门式，这三类即称为三坐标测量机；由镗床演变而来的立柱式和卧镗式，通常称这 两 类 为 万 能 测 量 机(Universal(Universal Measuring Measuring MachineMachine，UMM)UMM)；由测量显微镜演变而来的仪器台式，又称三坐标测量仪；以及根据极坐标原理制成的极坐标式等。结构材料主要有：铸铁、钢、花岗石、陶瓷和铝。第44页/共153页第45页/共153页(3)(3)标尺系统 标尺系统，也称测量系统，是三坐标测量机的重要组成部分。按系统的性质，可分为机械式标尺系统、光学式标尺系统和电气式标

22、尺系统。2)2)三维测头三维测头 三维测头即是三维测量传感器，它可在3 3个方向上感受瞄准信号和微小位移。三坐标测量机测头的两大基本功能是测微(即测出与给定的标准坐标值的偏差值)和触发瞄准并过零发讯。按照结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式等。机械式主要用于手动测量；光学式主要由于非接触式测量；电气式多用于接触式的自动测量。第46页/共153页3)3)电气系统电气系统 (1)计算机硬件部分。(2)测量机软件，包括控制软件与数据处理软件。它可进行坐标变换与测头校正，生成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差测量，齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等。

23、(3)打印与绘图装置。(4)电气控制系统，具有单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。第47页/共153页1 1、接触式三坐标测量、接触式三坐标测量l测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V V型块测头等。l特点：形状简单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。l目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圆锥形测头 (b)圆柱形测头 (c)球形测头 (d)半圆形测头 (e)点测头 (f)V型块测头 第48页/共153页接触式三坐标测量机的

24、精度的表示方法主要有3 3种：(1)(1)测量机本身的精度：主要是指坐标位置的点位精度。(2)(2)重复精度：是测量机重复测量某一尺寸时测量结果的变动范围。(3)(3)示值精度：是测量机测量任何已知尺寸所得测量结果的误差范围。第49页/共153页接触式三坐标测量的优点：接触式三坐标测量的优点：(1)(1)机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性；(2)(2)与被测件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大；(3)(3)被测件固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出被测件表面的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。第50页/共153页接触式三坐标测量的缺点：接触式三

25、坐标测量的缺点：(1)为确定测量基准点需使用特殊的夹具，测量费用较高。(2)球形测头容易因接触力造成磨损，需要经常校正球形测头的直径。(3)操作不当易损害被测件某些重要部位的表面精度，也会使测头损坏。(4)接触式触发测头是以逐点进出方式进行测量的，测量速度慢。(5)检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发测头的直径必定要小于被测内圆直径，被测件内部不易测量处是测量的死角。(6)对三维曲面的测量，因传统触发式测头是感应元件，测量到的点是测头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对调头半径进行补偿，因而可能会导致修正误差的问题。计算比较繁琐，同时这也是测量误差的来源之一。(7)接触测头在

26、测量时，测头的接触力将使测头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。(8)测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。(9)由 于 测 头 触 发 机 构 的 惯 性 及 时 间 延 迟 而 使 测 头 产 生 超 越(Overshoot)现象，趋近速度会产生动态误差。(10)因为接触面积与被测件表面的几何形状有关，即使测量接触力保持一定，测量压力并不能保证一定。第51页/共153页测量原理与基本结构测量原理与基本结构1 1常用的非接触式测量方法(1)(1)三角测量法。其工作原理是，由激光器(通常是半导体激光器)发出的光，经光学系统形成一个很细的平行光束，照到被测工件表面上。由工件表

27、面反射回来的光，可能是镜面反射光，也可能是漫反射光。(2)(2)光纤式测量法。其原理是通过被测量的形面变化来调制光波，使光纤的光波参量随被测量的形面变化而变化，从而根据被测信号的大小求得被测形面的空间位置关系。2 2、非接触式三坐标测量、非接触式三坐标测量第52页/共153页(3)(3)视像测量法。通过一定方式的照明，将物体的几何轮廓变为光学轮廓。(4)(4)计算机断层扫描(Computed(Computed TomographyTomography，CT)CT)技术，最具代表的是基于X X射线的CTCT扫描机。(5)(5)磁共振成像(Magnetic(Magnetic Resonance R

28、esonance ImagingImaging，MRI)MRI)也称为核磁共振，-理论基础是核物理学的磁共振理论。(6)(6)超声波测量法。(7)(7)层去扫描法。破坏性测量方法，适用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。第53页/共153页 2 2光学测头光学测头(1)(1)一维测头，如三角法测头、光纤测头等；(2)(2)二维测头，主要是各种视像测头，如利用CCDCCD摄像机测量平面轮廓的测头；(3)(3)二维加一维测头，是在二维测头基础上，再增加对焦功能，使它能实现三维测量；(4)(4)三维测头，如用莫尔条纹技术形成等高线进行条纹计数的测头、体视式测头；(5)(5)接触式测头。它首先利用测端拾取工

29、件表面位置信息，然后用光学原理进行转换。根据测量方法，光学测头可分为三角法测头、光纤式测头、视像测头等。第54页/共153页采用非接触式三坐标测量，有如下突出的优点：采用非接触式三坐标测量，有如下突出的优点：(1)(1)能够快速收集到测量曲面的计算机建模信息，用于CADCAD、FEMFEM分析等；(2)(2)测量点云能够实现与CADCAD数据、工程图或样本的对比；(3)(3)能够对零件进行快速复制，快速成型或数控加工；(4)(4)能够应用数字化样机；(5)(5)能够测量体积小、形状复杂和体积很大的被测零件；(6)(6)测量点云的噪声点数量小，并且可以经过调整而进一步减少噪声点；(7)(7)接触

30、式测量设备不能测量的结构，如内部结构，各种柔软的、易变形 的物体和不可接触的高精密被测件等；(8)(8)能够装在机器人上实现自动测量；(9)(9)重量轻、结构紧凑、操作简单；(10)(10)带有先进的计算和渲染测量点云的功能。第55页/共153页非接触式三坐标测量的主要缺点：非接触式三坐标测量的主要缺点：(1)(1)因为非接触式测头大多是接收被测件表面的反射光或散射光，容易受到被测件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等；(2)(2)测头容易受到环境光线及杂散光影响；(3)(3)非接触式测量只做被测件轮廓坐标点的大量取样，不能进行面上指定点的测量，对边线及凹孔等的处理比较困难；(4)(4)使用光

31、学测头测量时，测量镜头的焦距调整会影响测量精度；(5)(5)被测件表面的粗糙度会影响测量结果；(6)(6)光学阴影处及光学焦距变化处是测量死角。第56页/共153页3.3.三维测头的应用三维测头的应用 三坐标测量机的测量精度很高。为了保证它的高精度测量，避免因振动、环境温度变化等造成的测量误差，必须将其安装在专门的地基上和在很好的环境条件下工作。被检零件必须从加工地输送至测量机，有的需要反复输送几次，这对于质量控制要求不是特别精确可靠的零件，显然是不经济的。一个解决方法是将三坐标测量机上用的三维测头直接安装在计算机数控机床上，该机床就能象三坐标测量机那样工作。第57页/共153页4.4.激光测

32、径仪激光测径仪 激光测径仪是一种非接触式测量装置。常用在轧制钢管、钢棒等热轧制件生产线上。为了提高生产效率和控制产品质量，必须随机测量轧制中轧件外径尺寸的偏差，以便及时调整轧机，保证轧件符合要求。这种方法适用于扎制时对温度高、振动大等恶劣条件下的尺寸检测。激光测径仪包括光学机械系统和电路系统两部分。其中光学机械系统由激光电源、氦氖激光器、同步电动机、多面棱镜及多种形式的透镜和光电转换器件组成。而电路系统主要由整形放大、脉冲合成、填充计数、微型计算机、显示器和电源等组成。第58页/共153页图5-6激光测径仪原理图第59页/共153页图5-7激光测径仪波形图第60页/共153页激光测径仪激光测径

33、仪第61页/共153页第62页/共153页第63页/共153页5.5.机器人辅助测量机器人辅助测量n机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100%的测量。n直接测量：绝对测量，要求机器人具有较高的运动精度和定位精度，造价高；n间接测量：辅助测量，特点是测量过程中机器人坐标运动不参与测量过程，他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。采用通用机器人，对传感器要求较高，要求具有一定智能和柔性，可以进行姿态和位置调整并独自完成测量工作。第64页/共153页1.1.自动在线检测自动在线检测 自动在线检测：是指在设备运行、生产不停顿的情况下，根据信号处理的基本原理，跟踪并掌握设

34、备的当前运行状态，预测未来的状况并根据出现的情况对生产线进行必要的调整。在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测应用的范围和深度的不同，将自动在线检测大致分为：自动检测、机床监测和自适应控制。三、加工过程的在线检测和补偿三、加工过程的在线检测和补偿第65页/共153页（1 1）自动检测）自动检测 指主动自动检测，即加工中测量仪与机床、刀具、工件等设备组成闭环系统。通过在线检测装置将测得的工件尺寸变化量经信号转换和放大后送至控制器，控制执行机构对加工过程进行控制。第66页/共153页（2）机床监测）机床监测 机床监测的基本方法是检测系统从机床上安装的传感元件获得有关机床、产品以及加工过程的数据，

35、将机床上反馈来的监测数据与机床输入的技术数据相比较，并利用比较的差值对机床进行优化控制。监监测测数数据据一一般般为为实实时时输输入入和和连连续续传传输输的的信信息息流。流。（3）自适应控制）自适应控制 指加工系统能自动适应客观条件的变化而进行相应的自我调节。第67页/共153页n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。n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。n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精度就必须经常停机调刀，又会影响加工效率。n必须采取措施来解决加工中工件的自动测

36、量和刀具的自动补偿问题。2.2.自动补偿自动补偿第68页/共153页n加工尺寸的自动补偿多采用尺寸控制原则，在不停机的状态下，以检测的工件尺寸作为信号，控制补偿装置，实现脉动补偿。图5-8自动补偿的基本过程1-工件2-测量装置3-信号转换、放大装置4-控制线路5-机床6-控制线路7-分类机8-合格品第69页/共153页 所所谓谓补补偿偿，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。每次补偿量的大小取决于工件的精度要求，即尺寸公差带的大小和刀具的磨损情况。每次的补偿量愈小，获得的补偿精度就愈高，工件尺寸的分散范围也愈小，对补偿执行机构的灵敏度要求也愈高。根

37、据误差补偿运动实现的方式，可分为硬件补偿和硬件补偿和软件补偿软件补偿。硬件补偿是由测量系统和伺服驱动系统实现的误差补偿运动。目前多数机床的误差补偿都采用这种方法。而软件补偿主要是针对象三坐标测量机和数控加工中心这样结构复杂的设备。第70页/共153页n 自动调整相对于加工是滞后的。为保证在对前一个工件进行测量和发出补偿信号时，后一个工件不会成为废品，就不能再工件已达到极限尺寸是才发出补偿信号，为必须建立一个公差带，分别设置上下警告界限，如图5-95-9所示。当工件尺寸超过警告界限时，计算机软件就发出补偿信号，控制补偿装置按预先确定的补偿量进行补偿，是工件回到正常尺寸公差带中。图5-9被加工工件

38、的尺寸分布与补偿第71页/共153页n一、刀具的自动识别一、刀具的自动识别n机械加工过程中最为常见的故障便是刀具状态的变化。n刀具状态识别、检测与监控是加工过程检测与监控最为重要最为关键的技术之一。n刀具状态的识别、检测及监控对降低制造成本、减少制造环境的危害，保证产品质量，具有十分重要的意义。第三节第三节 刀具的自动识别和监测刀具的自动识别和监测第72页/共153页n 刀具的自动识别主要是在加工过程中能在线识别出切削状态：n刀具磨损、破损、切屑缠绕以及切削颤振等。n关于刀具状态识别的方法较多，目前主要有：n基于时序分析刀具破损状态识别n基于小波分析刀具破损状态识别n基于电流信号刀具磨损状态识

39、别n基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。一、刀具的自动识别一、刀具的自动识别第73页/共153页基于电流信号的钻头磨损状态检测基于电流信号的钻头磨损状态检测以检测电动机电流信号为例来识别钻头的磨损状态。n1.钻头磨损状态划分；n2.电流信号模型；n3.建立神经网络模型；n4.对刀具磨损状态进行判别图像识别技术、红外成像技术等现代计算机技术的应用。第74页/共153页图5-10钻削电流神经网络模型图5-11刀具磨损状态识别方法示意图第75页/共153页YG6车削GH4169时前刀面磨损形貌乳化液 干切 水蒸汽 a)vc=40m/minb)vc=50m/minYG6A铣刀片磨损第76页/共15

40、3页第77页/共153页第78页/共153页二、刀具尺寸测量控制系统二、刀具尺寸测量控制系统 刀具检测技术与刀具识别技术往往是紧密联系在一起的，刀具的检测是建立在刀具识别的基础上的。在自动化的制造系统中，必须设置刀具磨损、破损的检测与监控装置，以防止发生工件成批报废和设备损坏事故。（1 1）直接测量法）直接测量法 （2 2）间接测量法）间接测量法第79页/共153页（1 1）直接测量法）直接测量法 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。图图5-12镗刀磨损测量镗刀磨损测量1-刀柄参考表面刀柄参考表面2-磨损测量传磨损测量传

41、感器感器3-测量装置测量装置4-刀具触头刀具触头第80页/共153页（2 2）间接测量法）间接测量法n在大多数切削加工中，刀具的磨损往往因为被工件、切屑等所遮盖而很难直接测量，因此，目前多采用间接测量方式。常通过测量切削力、切削力矩、切削温度、振动、噪声和加工表面的粗糙度等来判断磨损程度。n根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的。n对于加工中心而言测量装置是无法装在刀具上，一般情况下，就装在主轴的轴承上，这种轴承称为测力轴承。通过测量测力轴承的受力情况来确定刀具的磨损情况。第81页/共153页表表5-1刀具磨损的监测方法刀具磨损的监测方法方方法法传感方式传感方式应用场合应用场合主要特性主要特性直

42、直接接法法光学图像法光学图像法砂轮磨损、离砂轮磨损、离线或在线，非线或在线，非实时监测多种实时监测多种刀具刀具分辨率分辨率0.10.2m，精度，精度15m，尚未实用化，设备较昂贵尚未实用化，设备较昂贵接触法接触法车削、钻削刀车削、钻削刀具具灵敏度灵敏度10m，受切屑与切削温度变，受切屑与切削温度变化影响，有一定应用前景化影响，有一定应用前景放射线法放射线法各种切削工艺各种切削工艺灵敏度灵敏度10m，不受切屑、切削液和，不受切屑、切削液和切削温度影响，需进一步解决防护问切削温度影响，需进一步解决防护问题，有应用前景题，有应用前景第82页/共153页方方法法传感方式传感方式应用场合应用场合主要特性

43、主要特性间间接接法法切削力（扭矩切削力（扭矩法）法）车、钻、镗削车、钻、镗削等等灵敏度灵敏度1020m，其中切削分力比，其中切削分力比率法与功率谱分析法有应用价值率法与功率谱分析法有应用价值功率（电流）功率（电流）法法车、铣、钻削车、铣、钻削等等灵敏度不高，响应慢，安装、使用方灵敏度不高，响应慢，安装、使用方便便切削温度法切削温度法车削等车削等灵敏度相当低，响应慢，不可用于切灵敏度相当低，响应慢，不可用于切削液使用状态，预测无应用前途削液使用状态，预测无应用前途刀具工件距离刀具工件距离探测法探测法车削等车削等分辨率分辨率0.52m，精度，精度25m，探，探测刀具磨损前后刀具工件间距离变化，测刀

44、具磨损前后刀具工件间距离变化，多数方法处于实验研究阶段多数方法处于实验研究阶段声发射法、噪声发射法、噪声、振动分析声、振动分析车、钻、铣、车、钻、铣、拉、镗、攻螺拉、镗、攻螺纹等纹等已得到证明，其中声发射（已得到证明，其中声发射（AE）法）法对车、铣、钻削等刀具破损灵敏，但对车、铣、钻削等刀具破损灵敏，但尚未建立不同程度磨损的判据，有极尚未建立不同程度磨损的判据，有极大的应用前景大的应用前景第83页/共153页表表5-2刀具破损的监测方法刀具破损的监测方法方方法法传感参传感参数数传感原理传感原理传感器件传感器件主要特性主要特性直直接接法法光学图光学图像像光发射、折射及光发射、折射及富氏变换或其

45、它函富氏变换或其它函数变换，数变换，TV摄像摄像光敏、激光、光光敏、激光、光纤、光学传感器，纤、光学传感器，CCD或摄像管或摄像管可提供直观图像，结果较精可提供直观图像，结果较精确，受切削条件影响，不易实确，受切削条件影响，不易实现实时监测，正在进行实用化现实时监测，正在进行实用化开发开发接触法接触法电阻变化，开关电阻变化，开关量，磁力线变化量，磁力线变化应变片，印刷电应变片，印刷电阻器，开关电路，阻器，开关电路，磁隙传感器磁隙传感器简便，受切削温度、切削力简便，受切削温度、切削力和切屑变化的影响，不能实时和切屑变化的影响，不能实时监测，可靠性问题尚待解决监测，可靠性问题尚待解决间间接接法法切

46、削力切削力切削力变化，切切削力变化，切削分力比率削分力比率应变片，动态应应变片，动态应变仪，力传感器变仪，力传感器灵敏度受切削力、切削温度灵敏度受切削力、切削温度和切屑变化影响可进行实时监和切屑变化影响可进行实时监测，可靠性问题尚待解决测，可靠性问题尚待解决扭矩扭矩主轴电动机、主主轴电动机、主轴或进给系统扭矩轴或进给系统扭矩应变片，电流表应变片，电流表成本低，易使用，已实用，成本低，易使用，已实用，对大钻头破损（折断）探测有对大钻头破损（折断）探测有效，尚待提高灵敏度效，尚待提高灵敏度第84页/共153页表表5-2刀具破损的监测方法刀具破损的监测方法方方法法传感参传感参数数传感原理传感原理传感

47、器件传感器件主要特性主要特性间间接接法法功率功率主电动机或进给主电动机或进给电动机功率消耗电动机功率消耗霍尔传感器、霍尔传感器、互感器或功率表互感器或功率表成本低，易使用，有商品供成本低，易使用，有商品供应商，尚待提高灵敏度应商，尚待提高灵敏度振动振动切削过程振动切削过程振动震动加速度传感震动加速度传感器器灵敏，有应用前途和工业使灵敏，有应用前途和工业使用潜力，抗机械干扰能力差用潜力，抗机械干扰能力差超声波超声波接收主动发射超接收主动发射超声波的反射波声波的反射波超声波换能器超声波换能器与接受器与接受器测量刀具切削部位，可实现测量刀具切削部位，可实现扭矩限制，灵敏度有限，受切扭矩限制，灵敏度有

48、限，受切削振动变化和切屑的影响，处削振动变化和切屑的影响，处于研究阶段于研究阶段噪声噪声切削区域加工噪声切削区域加工噪声麦克风麦克风可进行切削状态、刀具破损可进行切削状态、刀具破损探测，尚处于研究阶段探测，尚处于研究阶段声发射声发射刀具破损发出的刀具破损发出的声发射信号声发射信号声发射传感器声发射传感器灵敏实时，使用方便，成本灵敏实时，使用方便，成本适中，是最有希望的刀具破损适中，是最有希望的刀具破损探测方法，小量供应市场，有探测方法，小量供应市场，有较广泛的工业应用潜力较广泛的工业应用潜力第85页/共153页切削测力仪第86页/共153页应变片原理在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹

49、性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。第87页/共153页 能将温度转换为电压的传感器能将温度转换为电压的传感器热电偶热电偶第88页/共153页声发射传感器声发射传感器第89页/共153页三、刀具的自动监控三、刀具的自动监控 随着柔性制造系统（FMSFMS）、计算机集成制造系统（CIMSCIMS）等自动化加工系统的发展，对加工过程刀具切削状态的实时在线监测技术的要求越来越迫切。原来由人观察切削状态，判别刀具是否磨、破损的任务改由

50、自动监控系统来承担。因此该系统的好坏，直接影响加工自动化系统的产品质量和生产效率，严重时还会造成重大事故。据统计，采用监控技术后，可减少人和技术因素引起故障停机时间75%75%。目前，刀具的监控主要刀具的监控主要集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其它形式的集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其它形式的刀具故障等方面。刀具故障等方面。第90页/共153页（1 1）刀具寿命自动监控）刀具寿命自动监控 刀具寿命检测原理是通过对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。图5-13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-车刀第91页/共153页（2 2）刀具磨损、破损的自动监控）刀