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1、1第五章第五章 检测过程自动化检测过程自动化2l对对加加工工后后的的工工件件进进行行检检测测，仅仅能能起起到到剔剔除除废废品品的的作用作用，因此，因此检测过程检测过程是是被动的被动的；l对对加加工工中中的的工工件件进进行行检检测测，并并根根据据检检测测结结果果通通过过控控制制系系统统对对加加工工过过程程进进行行控控制制，这这种种方方式式能能防防止止废品的产生废品的产生，检测过程是，检测过程是主动的主动的；l如如果果进进一一步步对对测测得得的的加加工工过过程程参参数数进进行行优优化化，并并校正机床系统，就能实现自适应控制。校正机床系统，就能实现自适应控制。3 检测方法分类检测方法分类按其在制造系
2、统中按其在制造系统中所处位置所处位置 可分为下列几可分为下列几种方式：种方式：（1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量（2 2）接触测量和非接触测量）接触测量和非接触测量 （3 3）在线测量和离线测量）在线测量和离线测量4（1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量直接测量：直接测量：测量时，直接从测量器具上读出被测几测量时，直接从测量器具上读出被测几 何量的大小值何量的大小值 间接测量间接测量：被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量有关的其他几何量，然后，通过一定的被测几何量有关的其他几何量，然后，通过一定的数学关系式进行计算来求得被测
3、几何量的尺寸值数学关系式进行计算来求得被测几何量的尺寸值 5（2 2）接触测量和非接触测量）接触测量和非接触测量l接触式检验。接触式检验。测量器具的测量头直接与工件被检验测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触，的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上，杆的移动量上，然后通过某种传感器转换为电量。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。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。l 非接触式检验。非接触式检验。测量器具的测量头不与工件被测表测量器具的测量头不与工件被测表面接触面接触，而是，而是借助电磁感应、气压，光束或
4、放射性借助电磁感应、气压，光束或放射性同位素的射线等的作用同位素的射线等的作用，以，以反映被测参数的变化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。而产生的误差。6（3 3）在线测量和离线测量）在线测量和离线测量l在线测量在线测量;在在加工过程加工过程或或加工系统运行过加工系统运行过程程中对被测对象进行检测。中对被测对象进行检测。l离线测量：离线测量：在被测对象加工后脱离加工在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。系统在进行检测。7二、检测装置二、检测装置l对对被加工工件被加工工件的的 监测与控制监测与控制 包括：包
5、括：精度、粗糙度、形状、缺陷等；精度、粗糙度、形状、缺陷等；l对对加工设备工作状态加工设备工作状态的的在线监测与控制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；温升、振动、变形等；l对对加工对象加工对象的的加工过程在线监测与控制加工过程在线监测与控制。监测的内容：监测的内容：8采用的检测手段可分为：采用的检测手段可分为：人工检测和自动检测。人工检测和自动检测。人人工工检检测测：是是人人操操作作检检测测工工具具，收收集集分分析析数数据据信信息息，为为产品质量控制提供依据产品质量控制提供依据；自自动动检检测测：是是借
6、借助助于于各各种种自自动动化化检检测测装装置置和和检检测测技技术术，自自动动地地灵灵敏敏地地反反映映被被测测工工件件及及设设备备的的参参数，为数，为控制系统提供必要的数据信息控制系统提供必要的数据信息。二、检测装置二、检测装置9 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：l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；l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
7、，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。10适用于不同用途的自动检测装置：适用于不同用途的自动检测装置：l用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：三三坐坐标标测测量量机机、激激光光测测径径仪仪以以及及气气动动测测微微仪仪、电电动动测微仪和采用电涡流方式的检测装置；测微仪和采用电涡流方式的检测装置；l用于工件表面粗糙度检测：用于工件表面粗糙度检测：表面轮廓仪；表面轮廓仪；l用用于于刀刀具具磨磨损损或或破破损损监监测测的的：噪噪声声频频谱谱、红红外外发发射射、探针测量等测量装置；探针测量等测量装置；l利利用用切切削削力力
8、、切切削削力力矩矩、切切削削功功率率对对刀刀具具磨磨损损进进行行检测的测量装置。检测的测量装置。它它们们的的主主要要作作用用就就在在于于全全面面地地、快快速速地地获获得得有有关产品质量的信息和数据。关产品质量的信息和数据。11三、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：在机械加工中自动化检测方法有两种：1产品精度检测产品精度检测 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。条件进行验收和分组。这种检验只能发现废品，不这种检验只能发现废品，不能预防废品的产生能预防废品的产生。2工艺过程精度检测工艺过程精度检
9、测目的：目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。l检验的对象是检验的对象是加工设备、工具和生产工艺加工设备、工具和生产工艺过程过程12l在在机床上安装自动化检测装置机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的实现加工过程中的在在线检测线检测。如在。如在数控磨床上安装在线检测装置数控磨床上安装在线检测装置l在自动线中在自动线中设置专门的自动检测工位设置专门的自动检测工位，即在，即在某道加某道加工工序工工序刚一完成刚一完成就立即进行就立即进行在线检测在线检测。如曲轴加工自。如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置。动生产线上的动平衡实验装置。l设置专门的监测装
10、置设置专门的监测装置。如轴承中使用的钢珠、滚针，。如轴承中使用的钢珠、滚针，连杆的秤重。连杆的秤重。l在柔性系统使用的在柔性系统使用的测量机器人测量机器人。自动化检测实现的途径自动化检测实现的途径13第二节第二节 加工尺寸的自动测量加工尺寸的自动测量一、检测方法一、检测方法二、测量传感器二、测量传感器三、自动测量机构三、自动测量机构四、加工过程的在线检测和补偿四、加工过程的在线检测和补偿14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，因因此此在在许许多多自自动动化化制制造造中中都都采采用用自自动动测测量量工工件件的的方方法来保证产品质量和系统的正常运行法来保证产品
11、质量和系统的正常运行。一、检测方法一、检测方法 检检测测方方法法按按其其在在制制造造系系统统中中所所处处的的位位置置可可以以分分为：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 151.离线检测离线检测 在在自自动动化化制制造造系系统统生生产产线线以以外外进进行行检检测测，其其检测周期长，难以及时反馈质量信息。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这种种检检测测是是在在工工序序内内部部，即即工工步步或或走走刀刀之之间间，利利用用机机床床上上装装备备的的测测头头检检测测工工件件的的几几何何精精度度
12、或或标标定定工工件件零零点点和和刀刀具具尺尺寸寸。检检测测结结果果直直接接输输入入机机床床数数控控系系统统，修修正正机机床床运运动动参参数数，保保证证工工件件加加工工质质量。量。一、检测方法一、检测方法16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）（数控镗铣加工中心）或刀架上或刀架上（车削加工中心），通过（车削加工中心），通过触点测量触点测量和和数据处理数据处理检测检测加工表面的尺寸和形状误差加工表面的尺寸和形状误差或或标定标定工件在机床坐标工件在机床坐标系中的系中的坐标零点坐标零点。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）（数控镗铣加工中心）
13、或床或床身上身上（车削加工中心），通过（车削加工中心），通过坐标轴运动坐标轴运动使使刀具与刀具与测头接触测头接触测出刀具在各方向的偏置量测出刀具在各方向的偏置量，输入数控系，输入数控系统统进行刀具补偿进行刀具补偿；或者；或者测量刀具磨损量测量刀具磨损量。173.在线检测在线检测 利利用用坐坐标标测测量量机机综综合合检检测测经经过过加加工工后后机机械械零零件件的几何尺寸与形状位置精度的几何尺寸与形状位置精度。l坐标测量机坐标测量机按精度按精度可分为可分为生产型生产型和和精密型精密型两大类；两大类；l按按自自动动化化水水平平可可分分为为手手动动、机机动动和和计计算算机机直直接接控控制制三大类。三大
14、类。在在自自动动化化制制造造系系统统中中，一一般般选选用用计计算算机机直直接接控控制的生产型坐标测量机。制的生产型坐标测量机。18p工件尺寸、形状工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重要的的在线测量是机械加工中很重要的功能。功能。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：随机误差和系统误差。随机误差和系统误差。自动检测中，应该检测那种误差？自动检测中，应该检测那种误差？系统误差！系统误差！系统误差包括？系统误差包括？19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：一般说来有以下几种原因：1、切削热引起切削热引起刀具的伸长刀具的伸长，使得，使得加工加工尺寸
15、与理论尺寸有差别尺寸与理论尺寸有差别；2、切、切削热引起削热引起工件的膨胀工件的膨胀；3、机床主轴、工件和刀具系统在机床主轴、工件和刀具系统在受切受切削力和切削热作用下削力和切削热作用下的的动态变形动态变形；4、刀具磨损刀具磨损对加工精度的影响对加工精度的影响。5、机床导轨的几何精度。、机床导轨的几何精度。实实时时在在线线测测量量 20工件尺寸、形状的在线测量方式：工件尺寸、形状的在线测量方式：21二、测量传感器二、测量传感器 测量装置中最主要的部分是传感器测量装置中最主要的部分是传感器，它用以将被测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、零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如
16、转换成电、气或其他形式的信号气或其他形式的信号。然后将此信号送至放大装置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。机床的工作过程。常用的传感器有电气的和气动的两大类。常用的传感器有电气的和气动的两大类。22(一一)电气传感器电气传感器1电接触式传感器电接触式传感器23电接触式传感器结构示意图242、光电式传感器：、光电式传感器：利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。检验成品尺寸的示意图检验成品尺寸的示意图加工过程中测量工件尺寸的原理加工过程中测量工件尺寸的
17、原理25(二二)气动传感器气动传感器 气动传感器一般都由气动传感器一般都由气动测量头气动测量头和和气体计量仪气体计量仪组成。组成。测量原理：测量原理：压缩空气进入计量仪的气室压缩空气进入计量仪的气室A A，其压力为，其压力为p1p1，压缩，压缩空气再经过小孔空气再经过小孔l l进入气室进入气室B B，然后经喷嘴，然后经喷嘴2 2排入大气。排入大气。l当测量工件时，当测量工件时，工件放在喷嘴孔工件放在喷嘴孔2前面，形成一个气隙前面，形成一个气隙Z，此，此时，压缩空气必须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应时，压缩空气必须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。与此气隙的大小
18、有一定关系。l当工件尺寸增大时，当工件尺寸增大时，气隙气隙Z减小，气室减小，气室B的压力的压力p2上升；上升；l当工件尺寸减小时，当工件尺寸减小时，气隙气隙Z增大，气室增大，气室B的压力的压力p2下降，下降，l显然，通过测量压力显然，通过测量压力p2，即可测知工件尺寸的变化。，即可测知工件尺寸的变化。26气室气室B的压力的压力p2与气隙与气隙Z的关系的关系27 1)1)薄膜式气动星仪薄膜式气动星仪 l薄膜式气动量仪的结构原理：薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后的压缩空气经管道过滤以后的压缩空气经管道1进入稳压器进入稳压器2稳压。打开开关稳压。打开开关3，压缩空气进入气动量仪的进气口，经小孔压缩
19、空气进入气动量仪的进气口，经小孔4及及5分为两路，一路分为两路，一路进入薄膜进入薄膜6上方的气室，另一路进入下气室。上方的气室，另一路进入下气室。下气室有管道下气室有管道8通喷嘴通喷嘴9，工件，工件l0即放在喷嘴即放在喷嘴9前面而形成一个前面而形成一个气隙气隙Z，气隙，气隙Z的变化将影响下的变化将影响下气室的压力气室的压力Pl；上气室的压缩空气经测量杆上气室的压缩空气经测量杆7上端的锥面出气环而排入大气。上端的锥面出气环而排入大气。28 当测量气隙当测量气隙Z增大时增大时(相当于工件外尺寸减小相当于工件外尺寸减小)，则下气室压，则下气室压力力p1下降，膜片下降，膜片6原来的平衡位置被破坏，因而
20、使膜片下移，原来的平衡位置被破坏，因而使膜片下移，测量杆测量杆7也随之下移，从而增大了测量杆也随之下移，从而增大了测量杆7上端出气环的排气上端出气环的排气截面积，使上气室压力截面积，使上气室压力p2也下降，也下降，当测量杆当测量杆7下移至某一位下移至某一位置，置，上、下气室的压力使膜片上、下气室的压力使膜片6 6重新获得平衡的位置，重新获得平衡的位置，测量杆测量杆7即即保持不动，通过表杆保持不动，通过表杆11、指示表指示表14指示出工件指示出工件的尺寸偏差。的尺寸偏差。当测量气隙当测量气隙Z减小时减小时(相当于工件尺寸增大相当于工件尺寸增大)，仪表动作过程与上述相反。仪表动作过程与上述相反。2
21、9 2)2)波纹管式传感器波纹管式传感器 它具有两个波纹状皱褶它具有两个波纹状皱褶管管1和和5，其中一边通入，其中一边通入恒定压力的压缩空气，恒定压力的压缩空气，另一边与测量头头喷嘴另一边与测量头头喷嘴相通，即通测量气压。相通，即通测量气压。301.1.专用自动测量装置专用自动测量装置 实实现现加加工工过过程程自自动动检检测测的的过过程程是是由由自自动动检检测测装置完成的。装置完成的。在在大大批批量量生生产产条条件件下下，只只要要将将自自动动测测量量装装置置安安装装在在机机床床上上，操操作作人人员员不不必必停停机机测测量量工工件件尺尺寸寸，就就可可以以在在加加工工过过程程中中自自动动检检测测工
22、工件件尺尺寸寸的的变变化化，并并能能根根据据测测得得的的结结果果发发出出相相应应的的信信号号，控控制制机机床床的的加加工工过过程程（如如变变换换切切削削用用量量、停停止止进进给给、退退刀刀和和停停车车等）。等）。三、自动测量机构三、自动测量机构31其自动测量原理如其自动测量原理如 所示。所示。32 三坐标测量机（三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称，简称CMM）是）是20世纪世纪60年代发展起来的一种新型年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。高效的精密测量仪器。现代现代CMM不仅能不仅能在计算机控在计算机控制下完成各种复杂测量制下完成各种复杂测量
23、，而且可以，而且可以通过与数控机床交通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数并且还可以根据测量数据，实现反求工程。据，实现反求工程。目前，目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、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。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33 三三坐坐标标测测量量机机是是现现代代加加工工自自动动化化系系统统中中的的测测量量设备。设备。三坐标测量机的作用：三坐标测量
24、机的作用：l可可以以在在计计算算机机控控制制的的制制造造系系统统中中直直接接利利用用CAD/CAM系系统统中中的的编编程程信信息息对对工工件件进进行行测测量量和和检检验验，构成设计构成设计制造制造检验集成系统，检验集成系统，l能能在在工工件件加加工工、装装配配的的前前、后后或或过过程程中中给给出出检检测测信息并进行信息并进行在线反馈处理在线反馈处理。2.三坐标测量机三坐标测量机34（1）CMM的组成的组成机械系统：机械系统：一般由三一般由三个正交的直线运动轴个正交的直线运动轴构成。构成。lX向导轨向导轨系统装在工系统装在工作台上作台上;lY向导轨系统向导轨系统是移动是移动桥架横梁桥架横梁;lZ
25、向导轨系统向导轨系统装在中装在中央滑架内。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。35（1）CMM的组成的组成l 三个方向轴上均装三个方向轴上均装有有光栅尺用以度量光栅尺用以度量各轴位移值各轴位移值。l人工驱动的人工驱动的手轮手轮及及机动、数控驱动的机动、数控驱动的电机电机一般都在各轴一般都在各轴附近。附近。l用来触测被检测零用来触测被检测零件表面的件表面的测头装在测头装在Z轴端部轴端部。3637436工作台工作台5X2Y（1）CMM的组成的组成电子系统：电子系统：一般由一般由光栅计数系统光栅计数系统、测头信号接口测头信号接口和和计
26、算机等组成计算机等组成.p用于获得被测坐标点数据，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。并对数据进行处理。移动桥架移动桥架中央滑架中央滑架Z轴轴测头测头电子系统电子系统3821ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理的工作原理 原理：原理：l通过探测传感器（测头）与测量通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，空间轴线运动的配合，对被测几对被测几何元素进行离散的空间点坐标的何元素进行离散的空间点坐标的获取获取；l通过相应的数学计算定义，通过相应的数学计算定义，完成完成对所测得点（点群）的拟合计算，对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素还原出被测的几何元素；l 进行其与理论
27、值（名义值）之进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而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。完成对被测零件的检验工作。三坐标测量机三坐标测量机是基于是基于坐标测量坐标测量的通用化的通用化数字数字测量设备测量设备。39 几何量几何量数字测量的功能数字测量的功能40常常用用测测量量方方法法41（四）、工作台（四）、工作台 早期的三坐标测量机的工作台一般是由早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸铁或铸钢制成铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采的，但近年来，各生产厂家已广泛采用用花岗岩来制造工作台花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形，这是因为花岗岩变形小、稳定性
28、好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。易于加工。有些测量机装有可升降的工作台有些测量机装有可升降的工作台，以扩大以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有轴的测量范围，还有些测量机备有旋旋转工作台转工作台，以扩大测量功能。，以扩大测量功能。42（五）、导轨（五）、导轨 导轨是测量机的导向装置导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，直接影响测量机的精度，因而要求其具有因而要求其具有较高的直线性精度较高的直线性精度。在三坐标测量机常用的为在三坐标测量机常用的为滑动导轨滑动导轨和和气浮导轨气浮导轨，目前，多数三坐标测量机已采用目前，多数三坐标测量机已采
29、用空气静压导轨空气静压导轨（又（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。等。43123456A-AAA工作台工作台气垫气垫滚轮滚轮压缩弹簧压缩弹簧导向块导向块桥架桥架44三坐标测量机的测量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三坐标测量机的测量系统由标尺系统标尺系统和和测头系统测头系统构成，构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着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。测量精度的高低。标尺系统标尺系统标尺系统标尺系统是用来度
30、量各轴的坐标数值的是用来度量各轴的坐标数值的。标尺系统种类按其性质可以分为：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（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、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，（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅光栅，激光干涉仪），激光干涉仪）l电气式标尺系统电气式标尺系统（如（如感应同步器感应同步器，磁栅）。，磁栅）。45测头系统测头系统（1 1）测头）测头 三坐标测量机是用测头来拾取信号的，三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而因而测头的测头的性能直接影响测量精度和
31、测量效率性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。头就无法充分发挥测量机的功能。p分类：分类：l按结构原理按结构原理：机械式机械式、光学式光学式和和电气式电气式等；等；l按测量方法按测量方法：接触式接触式和和非接触式非接触式两类。两类。46l机械接触式测头机械接触式测头l测头形状：测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、头、点测头、V型块测头型块测头等。等。l特点：特点：形状简单，形状简单，制造容易制造容易，但是测量力的大小取决于操作，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此者
32、的经验和技能，因此测量精度差、效率低测量精度差、效率低。l目前除目前除少数手动测量机少数手动测量机还采用此种测头外，还采用此种测头外，绝大多数测量机绝大多数测量机已不再使用这类测头已不再使用这类测头。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圆锥形测头圆锥形测头 (b)圆柱形测头圆柱形测头 (c)球形测头球形测头 (d)半圆形测头半圆形测头 (e)点测头点测头 (f)V型块测头型块测头 47 2电气接触式测头电气接触式测头12534弹簧弹簧芯体芯体测杆测杆钢球钢球触点触点测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，
33、也称为触发式测头故称为动态测头，也称为触发式测头。动态测头结构简单、。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量逐点测量，不能作连续的扫描测量 电气接触式测头目前已为绝大电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，部分坐标测量机所采用，按其按其工作原理可分为动态测头和静工作原理可分为动态测头和静态测头态测头。（1）动态测头）动态测头 常用动态测头的结构如图所示。常用动态测头的结构
34、如图所示。48RENISHAW电阻型触发式探头电阻型触发式探头49 三坐标测量机的测量精度很高。三坐标测量机的测量精度很高。为为了了保保证证三三坐坐标标测测量量机机的的高高精精度度测测量量，避避免免因因振振动动、环环境境温温度度变变化化等等造造成成的的测测量量误误差差，必必须须将将其其安安装在专门的装在专门的地基上和在很好的环境条件地基上和在很好的环境条件下工作。下工作。被被检检零零件件必必须须从从加加工工地地输输送送至至测测量量机机，有有的的需需要要反反复复输输送送几几次次，这这对对于于质质量量控控制制要要求求不不是是特特别别精精确确可靠的零件，显然是不经济的。可靠的零件，显然是不经济的。一
35、一个个解解决决方方法法是是将将三三坐坐标标测测量量机机上上用用的的三三维维测测头头直直接接安安装装在在计计算算机机数数控控机机床床上上，该该机机床床就就能能象象三三坐坐标测量机那样工作。标测量机那样工作。3.三维测头的应用三维测头的应用50511.自动在线检测自动在线检测 自自动动在在线线检检测测：是是指指在在设设备备运运行行、生生产产不不停停顿顿的的情情况况下下，根根据据信信号号处处理理的的基基本本原原理理，跟跟踪踪并并掌掌握握设设备备的的当当前前运运行行状状态态，预预测测未未来来的的状状况况并并根根据据出出现现的情况的情况对生产线进行必要的调整对生产线进行必要的调整。四、加工过程的在线检测
36、和补偿四、加工过程的在线检测和补偿 在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测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应用的范围和深度的不同，将的不同，将自动在线检测大致分自动在线检测大致分为为：自动检测、机床监测和自适应控制。自动检测、机床监测和自适应控制。52（1 1）自自动动检检测测 指指主主动动自自动动检检测测，即即加加工工中中测测量量仪仪与与机机床床、刀刀具具、工工件件等等设设备备组组成成闭闭环环系系统统。通通过过在在线线检检测测装装置置将将测测得得的的工工件件尺尺寸寸变变化化量量经经信信号号转转换换和和放放大大后后送送至至控控制制器器，控控制制执执行行机机构构对对加加
37、工工过过程进行控制程进行控制。535455（2）机机床床监监测测 机机床床监监测测的的基基本本方方法法是是检检测测系系统统从从机机床床上上安安装装的的传传感感元元件件获获得得有有关关机机床床、产产品品以以及及加加工工过过程程的的数数据据，将将机机床床上上反反馈馈来来的的监监测测数数据据与与机机床床输输入入的的技技术术数数据据相相比比较较，并并利利用用比比较较的的差差值对值对机床进行优化控制机床进行优化控制。监测数据监测数据一般为一般为实时输入和连续传输的信息流实时输入和连续传输的信息流。（3）自自适适应应控控制制 指指加加工工系系统统能能自自动动适适应应客客观观条条件的变化而进行相应的自我调节
38、。件的变化而进行相应的自我调节。56对对一一些些采采用用调调整整法法进进行行加加工工的的机机床床，工工件件的的尺尺寸寸精度主要取决于精度主要取决于机床本身的精度机床本身的精度和和调整精度调整精度。当当工工件件的的精精度度要要求求较较高高，而而切切削削工工具具磨磨损损较较快快时时，则则机机床床工工作作时时间间不不长长，工工件件的的尺尺寸寸精精度度就就会会显显著著下下降。降。p刀刀具具磨磨损损是是直直接接影影响响被被加加工工工工件件尺尺寸寸精精度度的的因因素素。如如要要保保持持工工件件的的加加工工精精度度就就必必须须经经常常停停机机调调刀刀，又又会影响加工效率。会影响加工效率。p必必须须采采取取措
39、措施施来来解解决决加加工工中中工工件件的的自自动动测测量量和和刀刀具的自动补偿问题。具的自动补偿问题。2.自动补偿自动补偿57加加工工尺尺寸寸的的自自动动补补偿偿多多采采用用尺尺寸寸控控制制原原则则，在在不不停停机机的的状状态态下下，以以检检测测的的工工件件尺尺寸寸作作为为信信号号，控控制补偿装置，实现脉动补偿。制补偿装置，实现脉动补偿。5859 在在机机械械加加工工过过程程中中最最为为常常见见的的故故障障便便是是刀刀具具状状态态的变化。的变化。p刀刀具具状状态态识识别别、检检测测与与监监控控是是加加工工过过程程检检测测与与监监控控最为重要最为关键的技术之一最为重要最为关键的技术之一。刀刀具具
40、状状态态的的识识别别、检检测测乃乃至至监监控控对对降降低低制制造造成成本本、减减少少制制造造环环境境的的危危害害，保保证证产产品品质质量量，具具有有十十分分重重要的意义。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60一、刀具的自动识别一、刀具的自动识别刀刀具具的的自自动动识识别别主主要要是是在在加加工工过过程程中中能能在在线线识识别别出出切切削削状状态态（刀刀具具磨磨损损、破破损损、切切屑屑缠缠绕绕以以及及切切削削颤颤振等）。振等）。刀具状态识别的方法：刀具状态识别的方法：l基于时序分析刀具破损状态识别、基于时序分析刀具破损状态识别、l基于小波分析刀具破损状态识别、基于小
41、波分析刀具破损状态识别、l基于电流信号刀具磨损状态识别基于电流信号刀具磨损状态识别l基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。61 在在自自动动化化的的制制造造系系统统中中，必必须须设设置置刀刀具具磨磨损损、破破损损的的检检测测与与监监控控装装置置，以以防防止止发发生生工工件件成成批批报报废废和设备损坏事故。和设备损坏事故。（1）直直接接测测量量法法 直直接接测测量量法法就就是是直直接接检检测测刀刀具具的的磨磨损损量量，并并通通过过控控制制系系统统控控制制补补偿偿机机构构进进行行相相应应的的补偿，保证各加工表面应具有的尺寸精度。补偿，保证各加工表面应具有的
42、尺寸精度。二、刀具尺寸测量控制系统二、刀具尺寸测量控制系统1-1-刀柄参考表面刀柄参考表面2-2-磨损测量传感器磨损测量传感器3-3-测量装置测量装置4-4-刀具触头刀具触头62（2）间接测量法）间接测量法p刀刀具具的的磨磨损损区区往往往往很很难难直直接接测测到到，常常常常通通过过测测量量切切削削力力切切削削力力矩矩、切切削削温温度度、振振动动参参数数、噪噪声声和和加加工工表面的粗糙度等来判断磨损程度。表面的粗糙度等来判断磨损程度。p 根据根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的。切削力的变化判别刀具的磨损程度的。p对于对于加工中心而言测量装置是无法装在刀具上，一加工中心而言测量装置是无法装在刀具
43、上，一般情况下，般情况下，就装在主轴的轴承上，这种轴承称为测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的磨损情况。63 随随着着柔柔性性制制造造系系统统（FMSFMS）、计计算算机机集集成成制制造造系系统统（CIMSCIMS）等等自自动动化化加加工工系系统统的的发发展展，对对加加工工过过程程刀刀具具切切削削状状态态的的实实时时在在线线监监测测技技术术的的要要求求越越来来越越迫迫切切。原原来来由由人人观观察察切切削削状状态态，判判别别刀刀具具是是否否磨磨、破破损损的的任任务务改改由由自自动动监监控控系系统统
44、来来承承担担。因因此此该该系系统统的的好好坏坏，直直接接影影响响加加工工自自动动化化系系统统的的产产品品质质量量和和生生产产效效率率，严严重重时时还还会会造造成成重重大大事事故故。据据统统计计，采采用用监监控控技技术术后后，可可减减少少人人和和技技术术因因素素引引起起故故障障停停机机时时间间75%75%。目目前前，刀刀具具的的监监控控主主要要集集中中在在刀刀具具寿寿命命、刀刀具具磨磨损损、刀刀具具破破损损以以及及其其它它形形式的刀具故障等方面。式的刀具故障等方面。（1）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。（2）刀具磨损、破损的自动监控三、刀具的自
45、动监控三、刀具的自动监控64一、监控系统的组成、要求和分类一、监控系统的组成、要求和分类 对对加加工工过过程程的的监监控控是是机机械械制制造造自自动动化化的的基基本本要要求求之之一一。加加工工过过程程的的在在线线监监控控涉涉及及很很多多相相关关技技术术，如如传传感感器器技技术术、信信号号处处理理技技术术、计计算算机机技技术术、自自动动控控制技术、人工智能技术以及切削机理等。制技术、人工智能技术以及切削机理等。第四节第四节 加工设备的自动监测加工设备的自动监测 1.1.组成组成 自自动动化化加加工工监监控控系系统统主主要要由由信信号号监监测测、特特征征提提取取、状状态态识识别别、决决策策和和控控
46、制制四四个个部部分分组组成成，如如图图5-155-15所所示。示。（1 1）信信号号检检测测 信信号号检检测测是是监监控控系系统统的的首首要要一一步步，加加工工过过程程的的许许多多状状态态信信号号从从不不同同角角度度反反映映加加工工状状态态的变化。的变化。65（2 2）特特征征提提取取 特特征征提提取取是是对对检检测测信信号号的的进进一一步步加加工工处处理理，从从大大量量检检测测信信号号中中提提取取出出与与加加工工状状态态变变化化相相关关的的特特征征参参数数，目目的的在在于于提提高高信信号号的的信信噪噪比比，增加系统的抗干扰能力。增加系统的抗干扰能力。（3 3）状状态态识识别别 状状态态识识别
47、别实实质质上上是是通通过过建建立立合合理理的的识识别别模模型型，根根据据所所获获取取加加工工状状态态的的特特征征参参数数对对加工过程的状态进行分类判断。加工过程的状态进行分类判断。（4 4）决决策策与与控控制制 根根据据状状态态识识别别的的结结果果，在在决决策策模模型型指指导导下下对对加加工工状状态态中中出出现现的的故故障障做做出出判判决决，并并进进行行相相应应的的控控制制和和调调整整，例例如如改改变变切切削削参参数数、更更换换刀刀具具、改改变变工工艺艺等等。要要求求决决策策系系统统实实时时、快快速速、准确、适应性强。准确、适应性强。662.2.要求要求 加加工工过过程程、机机床床以以及及刀刀
48、具具工工况况监监控控是是自自动动化化加加工工监监控控系系统统具具有有的的三三个个主主要要任任务务。各各个个任任务务除除了了选选好好状状态态变变量量之之外外，还还必必须须满满足足如如下下的的一一些些要要求：求：（1 1）同同加加工工过过程程往往往往需需要要监监控控多多个个状状态态变变量量，仅监控一个状态变量是不够的；仅监控一个状态变量是不够的；（2 2）由由于于自自动动化化加加工工系系统统本本身身的的加加工工特特性性，必必须须监监测测振振动动情情况况，在在多多轴轴加加工工的的情情况况下下，还还必必须选择观测方向；须选择观测方向；（3 3）系系统统中中必必须须采采用用相相应应的的识识别别控控制制程
49、程序序对对加工过程出现的异常状态进行识别；加工过程出现的异常状态进行识别；（4 4）由由于于交交换换部部件件、刀刀具具的的数数量量大大、控控制制程程序序长，因此，必须监测加工过程的初始条件。长，因此，必须监测加工过程的初始条件。67二、加工设备的故障诊断二、加工设备的故障诊断所所谓谓诊诊断断就就是是对对设设备备的的运运行行状状态态做做出出判判断断。设设备备在在运运行行过过程程中中，内内部部零零部部件件和和元元器器件件因因为为受受到到力力、热热、摩摩擦擦、磨磨损损等等多多种种作作用用，其其运运行行状状态态不不断断变变化化，一一旦旦发发生生故故障障，往往往往会会导导致致严严重重后后果果。因因此此必
50、必须须在在设设备备运运行行过过程程中中对对设设备备的的运运行行状状态态及及时时做做出出判判断断，采采取取相相应应的的决决策策，在在事事故故发发生生以以前前就发现并加以消除。就发现并加以消除。加加工工设设备备的的自自动动监监控控与与故故障障诊诊断断主主要要有有四四个个方方面的内容：面的内容：（1 1）状状态态量量的的监监测测 状状态态量量监监测测就就是是用用适适当当的的传传感感器器实实时时监监测测设设备备运运行行状状态态是是否否正正常常的的状状态态参数。参数。68 （2 2）加加工工设设备备运运行行异异常常的的判判别别 运运行行异异常常的的判判别别是是将将状状态态量量的的测测量量数数据据进进行行