第5章制造系統(tǒng)檢測過程自動化課件

第5章制造系統(tǒng)檢測過程自動化5.1概述5.2工件尺寸精度的檢測和控制5.3刀具工作狀態(tài)的檢測和控制5.4自動化加工過程的檢測和監(jiān)控5.5實例視頻第5章制造系統(tǒng)檢測過程自動化5.1概述15.1概述5.1.1自動化檢測的目的和意義5.1.2自動化檢測的內(nèi)容5.1.3自動化檢測裝置的分類5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑5.1概述5.1.1自動化檢測的目的和意義25.1.1自動化檢測的目的和意義在自動化制造系統(tǒng)中，為了保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要利用各種自動化監(jiān)測裝置，自動地對加工對象的有關(guān)參數(shù)、加工過程和系統(tǒng)運行狀態(tài)進行檢測，不斷提供各種有價值的信息和數(shù)據(jù)（包括被測對象的尺寸、形狀、缺陷、加工條件和設(shè)備運行狀況等），及時地對制造過程中被加工工件質(zhì)量進行監(jiān)控，還能自動監(jiān)控工藝過程，以確保設(shè)備的正常運行。5.1.1自動化檢測的目的和意義在自動化制35.1.1自動化檢測的目的和意義

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，自動化檢測的范疇已從單純對被加工零件幾何參數(shù)的檢測，擴展到對整個生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。從對工藝過程的監(jiān)控擴展到實現(xiàn)最佳條件的適應(yīng)控制生產(chǎn)。因此，自動化檢測不僅是質(zhì)量管理系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，也是自動化加工系統(tǒng)不可缺少的組成都分。在先進制造技術(shù)中，它還可以更好地為產(chǎn)品質(zhì)量體系提供技術(shù)支持。

5.1.1自動化檢測的目的和意義隨著計算機45.1.1自動化檢測的目的和意義

實現(xiàn)檢測自動化，消除了人為誤差，使檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠。由于采用了先進的在線監(jiān)測儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，使檢測精度大大提高。加工工藝過程與自動測量過程結(jié)合，大大降低了輔助時間，提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了制造成本。同時，檢測自動化能在人無法進行檢測的場合實現(xiàn)自動檢測，擴大檢測應(yīng)用范圍；能對加工控制系統(tǒng)自動反饋檢測信息，實現(xiàn)加工過程的自適應(yīng)控制和優(yōu)化生產(chǎn)。5.1.1自動化檢測的目的和意義實現(xiàn)檢測55.1.2自動化檢測的內(nèi)容

1.自動檢測技術(shù)的目的2.自動檢測信號的選擇5.1.2自動化檢測的內(nèi)容1.自動檢測技61.自動檢測技術(shù)的目的

在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，常常采用自動檢測技術(shù)。采用自動檢測技術(shù)的目的主要有兩個：一是對被加工對象進行質(zhì)量控制；二是對加工狀態(tài)和設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)控。

1）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測2）以監(jiān)控為目的的自動檢測1.自動檢測技術(shù)的目的在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，常常71）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測

以質(zhì)量控制為目的自動檢測分兩種情況：在線檢測和離線檢測。

在線自動檢測是在加工及裝配過程中，對工件的尺寸、形位公差和外形等進行連續(xù)或間斷的檢測，輸出信息供調(diào)節(jié)補償、減小誤差或作顯示、報警之用。

離線自動檢測是在加工或裝配完成后．對零件或產(chǎn)品進行自動測量，確定零件是否合格，產(chǎn)品是否符合規(guī)范。1）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測以質(zhì)量控制為目的82）以監(jiān)控為目的的自動檢測

以監(jiān)控為目的的自動檢測主要包括對工位狀況的檢測、對設(shè)備工作狀態(tài)的檢測、工藝過程的檢測、材料和零件傳送過程的檢測。

（1）對于加工過程每個工位狀況的檢測內(nèi)容包括材料或坯件是否到達工位，在加工前工件是否已準確定位和夾緊，工作臺、刀具、夾具、輔助系統(tǒng)、裝配工具等是否都處于正常位置等，其檢測的內(nèi)容可能有位置、夾緊力、力矩等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測以監(jiān)控為目的的自動檢92）以監(jiān)控為目的的自動檢測

（2）設(shè)備工作狀態(tài)的檢測包括電機的輸出功率、主軸的扭矩、刀具的破損和過度磨損、齒輪和軸承的潤滑、零件的過熱和冷卻、機架的斷裂應(yīng)力、工件、夾具或工件臺的變形等。

（3）工藝過程的檢測包括運動件是否碰撞，加工參數(shù)是否合理，振動、噪聲、排屑、冷卻潤滑液的檢測等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測（2）設(shè)備工作狀態(tài)的102）以監(jiān)控為目的的自動檢測

（4）材料、零件傳送過程的檢測包括自動搬運小車的導向檢測、自動倉庫堆垛機的工位檢測、立體倉庫和刀庫的狀態(tài)監(jiān)測、刀具認址的檢測等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測（4）材料、零件傳送112.自動檢測信號的選擇

1）檢測信號選擇的原則（1）信號能否準確可靠地反映被測對象和工況的實際狀態(tài)。（2）信號是否便于實時和在線檢測。（3）檢測設(shè)備的通用性和經(jīng)濟性。

2）常用自動檢測信號在加工系統(tǒng)中常用于產(chǎn)品質(zhì)量自動檢測和控制的特征信號有：尺寸和位移、力和力矩、振動、溫度、電信號、光信號和聲音。

2.自動檢測信號的選擇1）檢測信號選擇的原則125.1.3自動化檢測裝置的分類

自動化檢測裝置的種類和規(guī)格較多，主要有以下幾種分類方法：

（1）按測量信號的轉(zhuǎn)換原理劃分有電氣式（電感式、互感式、電容式、電接觸式和光電式等）和氣動式（浮標式、波管式和膜片式等）。5.1.3自動化檢測裝置的分類自動化檢測裝135.1.3自動化檢測裝置的分類

（2）按測量頭與被測物的接觸情況劃分有接觸式和非接觸式。接觸式的量頭直接與工件被測表面相接觸，工件被測參數(shù)的變化直接反映在量桿的移動量上，然后通過傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號或氣信號。按量頭與工件表面的接觸點數(shù)目又可分為單點式、兩點式和三點式。

非接觸式的量頭不與工件被測表面接觸，而是借助氣壓、光束或放射性同位素的射線等的作用，反映被測參數(shù)的變化。這種測量方式不會因為測頭與工件接觸而影響測量精度。5.1.3自動化檢測裝置的分類（2）按測量頭145.1.3自動化檢測裝置的分類

（3）按檢測目的劃分尺寸測量和形狀測量裝置，如：三坐標測量機、激光測徑儀、氣動測微儀、電動測微儀。

位置測量（孔間距、輪廓間距、孔到邊緣距離）裝置等，以及表面紋理、粗糙度的測量裝置，如：表面輪廓儀。

刀具磨損或破損監(jiān)測的裝置，如：噪聲頻譜、紅外發(fā)射、探針測量等測量裝置。5.1.3自動化檢測裝置的分類（3）按檢測目155.1.3自動化檢測裝置的分類

（4）按檢測方式劃分加工后撤至測量環(huán)境中的被動測量；在線主動檢測；在加工位置工序間的檢測。5.1.3自動化檢測裝置的分類（4）按檢測方165.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、機械制造技術(shù)及其應(yīng)用水平的提高，以及自動化制造系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，自動化檢測的內(nèi)容也不斷擴展。實現(xiàn)檢測過程的自動化主要有以下幾個途徑：

（1）在機床上安裝自動化檢測裝置實現(xiàn)加工過程中的在線檢測。如在數(shù)控磨床上安裝在線檢測裝置。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑隨著計算機175.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

（2）在自動線中設(shè)置專門的自動檢測工位，這種方法既可以是在制造過程剛一完成就立即進行的自動檢測，也可以是按照制造過程順序在關(guān)鍵工序上布置若干個檢測工作站。前者屬于加工過程后在線檢測，后者屬于分布式檢測，通常在檢測內(nèi)容多且復雜或技術(shù)上難以實現(xiàn)在加工工位上進行檢測時采用，如曲軸加工自動生產(chǎn)線上的動平衡實驗裝置。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑（2）在自動線185.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

（3）設(shè)置專門的監(jiān)測裝置。如發(fā)動機和軸承制造中的活塞環(huán)、滾針、鋼球等零件的分類機，連桿穩(wěn)重分類自動線等。

（4）在柔性加工系統(tǒng)中，采用測量機器人進行輔助測量。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑（3）設(shè)置專門195.2工件尺寸精度的檢測和控制

機械零件的加工精度和表面質(zhì)量決定了機械零件的加工質(zhì)量。機械加工精度指機械零件加工以后的實際幾何參數(shù)與標準幾何參數(shù)相符合的程度。加工誤差是指機械零件加工以后的實際幾何參數(shù)與標準幾何參數(shù)偏差的大小。偏差越小，則表明機械零件的加工精度就越高，反之則低。因此，機械零件加工精度的高低，一般是以加工誤差的大小來反映的。5.2工件尺寸精度的檢測和控制機械零件的205.2工件尺寸精度的檢測和控制5.2.1影響零件加工尺寸的因素（書中解釋）5.2.2零件加工尺寸的測量方法與裝置1.長度尺寸測量2.零件加工表面的自動檢測3.加工過程中的主動測量4.三坐標測量機與測量機器人（書中解釋）5.2工件尺寸精度的檢測和控制5.2.1影響零件加工211.長度尺寸測量

長度測量用的量儀按測量原理可分為機械式、光學式、氣動式和電動式四大類。其中適合于大中批量生產(chǎn)現(xiàn)場使用的，主要有氣動量儀和電動量儀兩大類。

1）氣動量儀2）電動量儀1.長度尺寸測量長度測量用的量儀按測量原理可221）氣動量儀

氣動量儀將被測盤的微小位移量轉(zhuǎn)變成氣流的壓力、流量或流速的變化，然后通過測量這種氣流的壓力或流量變化，用指示裝置指示出來，作為量儀的示值或信號。氣動量儀容易獲得較高的放大倍率（通?？蛇_2000-10000倍），測量精度和靈敏度均很高，各種指示表能清晰顯示被測對象的微小尺寸變化1）氣動量儀氣動量儀將被測盤的微小位移量轉(zhuǎn)變231）氣動量儀

氣動量儀操作方便，可實現(xiàn)非接觸測量；測量器件結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)小型化，使用靈活；氣動量儀對周圍環(huán)境的抗干擾能力強，廣泛應(yīng)用于加工過程中的自動測量。但對氣源的要求高，響應(yīng)速度略慢。氣動量儀一般由指示轉(zhuǎn)換部分和測頭兩部分組成。指示轉(zhuǎn)換部分又有壓力型和流量型兩類。1）氣動量儀氣動量儀操作方便，可實現(xiàn)非接觸測241）氣動量儀

（1）壓力型量儀壓力型氣動量儀主要有薄膜式、波紋管式和水柱式等類型。如圖5.1～圖5.3所示分別為膜片式氣動量儀、波紋管氣動量儀、水柱式氣動量儀的原理圖。其主要原理均是用工件尺寸的變化引起氣動量儀內(nèi)氣體壓力的變化，從而推動指示表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1）氣動量儀（1）壓力型量儀251）氣動量儀

（1）壓力型量儀（薄膜式）

如圖5.1所示的膜片氣動量儀，當測量間隙Z發(fā)生變化時，下氣室壓力隨之變化，膜片8失去原有平衡，帶動錐桿3上下移動，從而改變錐桿3與出氣環(huán)7之間的間隙，使上氣室壓力也產(chǎn)生變化。錐桿3的移動量可以從指示表上讀出間隙Z的大小，同時由電觸點發(fā)出相應(yīng)指示信號。

1）氣動量儀（1）壓力型量儀（薄膜式）261）氣動量儀

1）氣動量儀271）氣動量儀

（1）壓力型量儀（波紋管式）

如圖5.2所示的波紋管氣動量儀，當測量間隙Z的變化，使兩側(cè)波紋管1、5產(chǎn)生壓力差，推動框架3左右移動，經(jīng)齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動指針4移動，反映間隙Z的大小。

1）氣動量儀（1）壓力型量儀（波紋管式）281）氣動量儀

（1）壓力型量儀（水柱式）

如圖5.3所示的水柱式氣動量儀，其各種壓力取決于穩(wěn)壓管9插入水中的深度H，穩(wěn)壓后的氣流經(jīng)主噴嘴3進入測量氣室4，然后經(jīng)測量噴嘴6和工件之間的測量間隙Z流入大氣。因此，隨著間隙Z的變化，測量氣室的靜壓力Pb也相應(yīng)變化，水柱的高度落差H就可指示Z的大小。1）氣動量儀（1）壓力型量儀（水柱式）291）氣動量儀

1）氣動量儀301）氣動量儀

（2）流量型氣動量儀流量型氣動量儀的原理如圖5.4所示，測量間隙Z的變化可使通過測量噴嘴8的空氣流量發(fā)生變化，錐度玻璃管4內(nèi)的浮子5隨之上下升降，以達到新的平衡位置，該位置指示出相應(yīng)的Z的大小。1）氣動量儀（2）流量型氣動量儀311）氣動量儀

氣動量儀在測量不同對象時必須配備有相應(yīng)的測頭，根據(jù)測量方式的的不同，氣動測頭可分為接觸式和非接觸式兩類。在自動化檢測中主要采用非接觸式測頭。非接觸式測頭的結(jié)構(gòu)簡單，測量時從噴嘴中逸出的壓縮空氣直接向被測表面噴吹，可以消除或減少工件表面上殘留的油、塵或切削液對測量結(jié)果的影響，因而使用較為廣泛。如圖5.5所示為用于測量不同對象的幾種非接觸量頭的結(jié)構(gòu)圖。

1）氣動量儀氣動量儀在測量不同對象時必須配備321）氣動量儀

1）氣動量儀332）電動量儀

電動量儀一般由指示放大部分和傳感器組成，電動量儀的傳感器大多為各種類型的電感和互感傳感器或電容傳感器。各種電動量儀廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場和實驗室的精密測量工作。特別是將各個傳感器與各種判別電路、顯示裝置等組成的組合式測量裝置，更是廣泛應(yīng)用于工件的多參數(shù)測量。2）電動量儀電動量儀一般由指示放大部分和傳感器342）電動量儀

用電動量儀測量各種長度時，既可用單傳感器測量，也可雙傳感器測量。用單傳感器測量傳動裝置測量尺寸時只用一個傳感器，雖然可節(jié)省費用，但由于支撐端的磨損或工件自身的形狀誤差，有時會導入測量誤差，影響測量精度。如圖5.6所示是常用的幾種單傳感器測量傳動裝置。2）電動量儀用電動量儀測量各種長度時，既可用352）電動量儀

2）電動量儀362.零件加工表面的自動檢測

零件加工表面的幾何結(jié)構(gòu)由形狀、波度和粗糙度組成。形狀屬于宏觀范疇，粗糙度屬于微觀范疇，波度介于兩者之間。粗糙度是一種說明表面凹凸不平的微米數(shù)量級的幾何量，一直是工程制造中設(shè)計和檢驗零件表面質(zhì)量的主要標準。2.零件加工表面的自動檢測零件加工表面的372.零件加工表面的自動檢測

實際生產(chǎn)中檢測零件加工表面粗糙度最常用的方法是用接觸式輪廓儀/粗糙度計測量粗糙度參數(shù)，或用比較樣板進行對比評估。由于觸針法具有易劃傷被測表面、測量速度低的缺點，故不適合在線自動測量。2.零件加工表面的自動檢測實際生產(chǎn)中檢測零382.零件加工表面的自動檢測

光學探針是一種非接觸測量粗糙度的手段，它以一個聚焦光點入射到被測表面上，模擬機械觸針進行測量。此外，非接觸式的粗糙度光學測量方法和儀器還有很多，如光切顯微鏡、干涉測量儀（X射線干涉儀、差動干涉儀、同軸干涉儀、散斑干涉儀等），但它們受人的主客觀因素影響大和效率低，故目前尚未能在實際生產(chǎn)中用于自動測量。2.零件加工表面的自動檢測光學探針是392.零件加工表面的自動檢測

激光也被用于觀察表面微觀形貌和測量表面粗糙度。激光照射被測物體表面時，反射率因表面粗糙度不同而有差異，因此，可根據(jù)激光反射率和對信號的比較分析測出表面粗糙度。加工紋理不同或材料不同，測得結(jié)果也不同。許多學者都在致力于光散射法用于在線測量的研究。2.零件加工表面的自動檢測激光也被用于觀403.加工過程中的主動測量

加工過程中的主動測量裝置一般作為輔助裝置安裝在機床上。在加工過程中，不需停機測量工件尺寸，而是依靠自動檢測裝置，在加工的同時自動測量工件尺寸的變化，并根據(jù)測量結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的信號，控制機床的加工過程（如變換切削用量、停止進給、退刀和停車等）。

1）定尺寸點接觸式測量裝置2）氣動式主動測量裝置3）激光測量3.加工過程中的主動測量加工過程中的主動411）定尺寸點接觸式測量裝置

應(yīng)用定尺寸裝置進行在線尺寸檢測在磨削加工中比較多見，在其他切削加工工序中應(yīng)用很少。因為磨削工序的加工余量小，切屑細小，發(fā)熱量小，而且加工區(qū)域供有大量的切削液，可迅速去除產(chǎn)生的熱量，同時工件表面粗糙度低，因而不會引起較大的測量誤差。1）定尺寸點接觸式測量裝置應(yīng)用定尺寸裝置進行在421）定尺寸點接觸式測量裝置

如圖5.8所示為某磨削加工中的一個自動測量裝置。工件1在機床5加工的同時，自動測量頭2對其進行測量，將所測得的工件尺寸變化量經(jīng)信號轉(zhuǎn)換放大器3，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號或氣信號，經(jīng)放大后返回機床的控制系統(tǒng)，通過執(zhí)行機構(gòu)4控制加工過程。1）定尺寸點接觸式測量裝置如圖5.8所示為某431）定尺寸點接觸式測量裝置

1）定尺寸點接觸式測量裝置442）氣動式主動測量裝置

外圓磨削中使用的壓力型單點式氣動測量裝置如圖5.11所示，測量頭體3裝在磨床工作臺上，測量杠桿2的硬質(zhì)合金端與工件1的下母線相接觸，另一端面與氣動噴嘴7相對，中間留有一定間隙量。杠桿2的中部薄弱具有一定彈性，以保持觸頭對工件的測量壓力。松開螺釘5，可借助螺母6調(diào)節(jié)量頭的高低。氣動量儀所發(fā)出的氣壓信號，不能直接控制執(zhí)行機構(gòu)，一般需將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，因此，通常需要有電—氣信號轉(zhuǎn)換器。2）氣動式主動測量裝置外圓磨削中使用的壓力452）氣動式主動測量裝置

2）氣動式主動測量裝置463）激光測量

單頻激光干涉測量系統(tǒng)測量原理如圖5.12所示。3）激光測量473）激光測量

氦氖激光管1產(chǎn)生的激光經(jīng)透鏡組后成為平行光束，經(jīng)反射鏡4到分光鏡5，激光被分為兩路，一路到裝在被測件8上的移動反射鏡7而反射回來，另一路經(jīng)反射鏡4到固定反射鏡9再反射回來。這兩路反射回來的激光通過分光鏡5而匯合形成干涉。運動反射棱鏡7隨被測件8運動，使該路的光程變化，這造成干涉條紋亮暗變化。

3）激光測量氦氖激光管1產(chǎn)生的激光經(jīng)透鏡組后483）激光測量

被測件每移動激光波長λ的一半，干涉條紋亮暗變化一周期。相位板6用于獲得兩路相位差為90°的干涉條紋信號的細分和辨向。該兩路相差90°的干涉信號通過干涉測量器10，最后成為具有長度單位當量的脈沖，顯示出被測件的移動距離。半圓光闌3的作用是防止返回激光回到激光管。3）激光測量被測件每移動激光波長λ的一半，干涉493）激光測量

激光的頻率和幅值改變都會影響到單頻激光干涉測量系統(tǒng)的精度，因此，環(huán)境（氣壓、濕度、溫度、氣流等）變化將影響激光測量精度。雙頻激光干涉測量系統(tǒng)受環(huán)境干擾的影響比單頻激光測量系統(tǒng)小很多，使測量精度大為提高，因而得到廣泛應(yīng)用。3）激光測量激光的頻率和幅值改變都會影響到單503）激光測量

如很多超精密機床上都裝有雙頻激光位移傳感器，檢測機床Z向和X向運動部件的位移，與精密數(shù)控系統(tǒng)組成精密反饋控制系統(tǒng)，以保證加工的尺寸精度。這種測量系統(tǒng)的激光管輸出的激光可在強磁場作用下分裂成f1和f2兩個頻率，旋向相反的兩束圓偏振光，它們經(jīng)1/4波片成為垂直和水平兩個方向(90o)的線偏振光。

3）激光測量如很多超精密機床上都裝有雙頻激光位513）激光測量

機械制造實際測量應(yīng)用中經(jīng)常需要多路激光同時進行測量，如數(shù)控超精密車床需用兩路激光同時測量，三坐標測量機需要用三路激光同時測量。將一路激光用分光鏡分為幾路激光的技術(shù)很簡單。3）激光測量機械制造實際測量應(yīng)用中經(jīng)常需要多路523）激光測量激光測徑儀的組成包括光學機械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分。

光學機械系統(tǒng)由激光電源、氦氖激光器、同步電動機、多面棱鏡及多種形式的透鏡和光電轉(zhuǎn)換器件組成。

電路系統(tǒng)主要由整形放大、脈沖合成、填充計數(shù)、微型計算機、顯示器和電源等組成。3）激光測量激光測徑儀的組成包括光學機械系533）激光測量

激光測徑儀的工作原理圖如圖5.14所示，氦氖激光器光束經(jīng)平面反射鏡L1、L2射到安裝在同步電動機M轉(zhuǎn)軸上的多面棱鏡W上，當棱鏡由同步電動機M帶動旋轉(zhuǎn)之后，激光束就成為通過L3焦點的一個掃描光束，這個掃描光束通過透鏡之后，形成一束平行運動的平行掃描光束。平行掃描光束經(jīng)透鏡L5以后，聚焦到光電二極管V上。3）激光測量激光測徑儀的工作原理圖如圖5.1543）激光測量

如果L4、L5中間沒有被測的工件，光電二極管的接受信號將是一個方波脈沖，如圖5.15（a）所示。如果在L4、L5間測量空間有被測件D，則光電二極管V上的信號波形如圖5.15（b）所示。圖中脈沖寬度T′與被測件D大小成正比，T′也就是光束掃描移動這段距離d所用的時間。3）激光測量如果L4、L5中間沒有被測的工件553）激光測量

3）激光測量565.3刀具工作狀態(tài)的檢測和控制5.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念5.3.2刀具補償裝置的工作原理5.3.3刀具補償裝置的典型機構(gòu)與應(yīng)用1.雙端面磨床的自動補償2.鏜孔刀具的自動補償3.立銑工件直線度的自動補償（看書）4.數(shù)控立銑工件平面度的自動補償（看書）5.精密絲杠螺距的自動補償（看書）5.3刀具工作狀態(tài)的檢測和控制5.3.1刀具尺寸控制575.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念

刀具尺寸控制系統(tǒng)是指加工時對工件已加工表面進行在線自動檢測。當?shù)毒咭蚰p等原因，使工件尺寸變化而達到某一預(yù)定值時，控制裝置發(fā)出指令，操縱補償裝置，使刀具按指定值進行微量位移，以補償工件尺寸變化，使工件尺寸控制在公差范圍內(nèi)。5.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念刀具尺寸控585.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念

尺寸控制系統(tǒng)由自動測量裝置、控制裝置和補償裝置組成。如圖5.20（a）所示為典型鏜孔尺寸控制系統(tǒng)。

5.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念尺寸控制595.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念

加工后的工件由測頭2進行測量，其測量值傳遞給控制裝置3，控制裝置將測量值與規(guī)定尺寸進行比較，獲得尺寸偏差值，然后將偏差值信號轉(zhuǎn)換和放大，再傳遞給補償裝置4，補償裝置利用信號，使鏜頭上的鏜刀產(chǎn)生微量位移，然后繼續(xù)加工下一件。

如圖5.20（b）所示為常用的拉桿—擺塊式補償裝置。刀具的徑向尺寸補償由拉桿的軸向位移轉(zhuǎn)換為擺塊的擺動來實現(xiàn)。5.3.1刀具尺寸控制系統(tǒng)的概念加工后的605.3.2刀具補償裝置的工作原理

目前，在金屬切削加工中，自動補償裝置多采用尺寸控制原則，即在工件完成加工后，自動測量其實際尺寸，當工件的尺寸超出某一規(guī)定的范圍時，測量裝置發(fā)出信號，控制補償裝置，自動調(diào)整機床的執(zhí)行機構(gòu)，或?qū)Φ毒哌M行調(diào)整以補償尺寸上的偏差。自動補償系統(tǒng)一般由測量裝置、信號轉(zhuǎn)換或控制裝置以及補償裝置三部分組成。5.3.2刀具補償裝置的工作原理目前，在金615.3.2刀具補償裝置的工作原理

自動補償系統(tǒng)的測量和補償過程是滯后于加工過程的，為了保證在對前一個工件進行測量和發(fā)出補償信號時，后一個工件不會成為廢品，就不能在工件已達到極限尺寸時才發(fā)出補償信號。一般應(yīng)使發(fā)出補償信號的界限尺寸在工件的極限尺寸以內(nèi)，并留有一定的安全帶。

如圖5.21所示，通常將工件的尺寸公差帶分為若干區(qū)域。5.3.2刀具補償裝置的工作原理自動補償系625.3.2刀具補償裝置的工作原理

5.3.2刀具補償裝置的工作原理635.3.2刀具補償裝置的工作原理

如圖5.21（a）所示為孔的補償分布圖，加工孔時，由于刀具磨損，工件尺寸不斷變小。當進入補償帶B時，控制裝置就發(fā)出補償信號，補償裝置按預(yù)先確定的補償量補償，使工件尺寸回到正常尺寸Z中。在靠近上、下極限偏差處，還可根據(jù)具體要求劃出安全帶A，當工件尺寸由于某些偶然原因進入安全帶時，控制裝置發(fā)出換刀或停機信號。

如圖5.21（b）所示是軸的補償帶分布圖。

5.3.2刀具補償裝置的工作原理如圖5.645.3.2刀具補償裝置的工作原理

在某些情況下，考慮到其他原因，例如機床或刀具的熱變形，會使工件尺寸朝相反的方向變化，如圖5.21（c）所示。將正常尺寸帶Z放在公差帶的中部，兩端均劃出補償帶B。此時，補償裝置應(yīng)能實現(xiàn)正、負兩個方向的補償。通常，當某—個工件的尺寸進入補償帶時，并不立即進行補償，而將此測量信號儲存起來，必須當連續(xù)出現(xiàn)幾個補償信號時，補償裝置才會得到動作信號。5.3.2刀具補償裝置的工作原理在某些情655.3.2刀具補償裝置的工作原理

測量控制裝置大多向補償裝置發(fā)出脈沖補償信號，或者補償裝置在接收信號以后進行脈動補償。每一次補償量的大小，決定于工件的精度要求，即尺寸公差帶的大小，以及刀具的磨損狀況。5.3.2刀具補償裝置的工作原理測量控制665.3.2刀具補償裝置的工作原理

每次的補償量越小，獲得的補償精度越高，工件的尺寸分散度也越小。但此時對補償執(zhí)行機構(gòu)的靈敏度要求也越高。當補償裝置的傳動副存在間隙和彈性變形，以及移動部件間有較大摩擦阻力時，就很難實現(xiàn)均勻而準確的補償運動。5.3.2刀具補償裝置的工作原理每次的補償671.雙端面磨床的自動補償如圖5.22所示為磨削軸承雙端面的情形。

1.雙端面磨床的自動補償681.雙端面磨床的自動補償

如圖5.22所示，機床有左右兩個砂輪4和5，被磨削工件7從兩個砂輪間通過，同時磨削兩端面，氣動量儀的噴嘴3用于測量砂輪5相對于定位板6的位置，并保證定位板6比砂輪5的工作面低一個數(shù)值Δ，以保證工件順利輸出。

1.雙端面磨床的自動補償如圖5.22所示，機床691.雙端面磨床的自動補償

如圖5.22所示，已加工工件7的厚度由擋板2、氣動噴嘴1進行測量。如果砂輪5磨損了，則氣隙Z1變大，氣動量儀將發(fā)出信號，使砂輪5進行補償。如果工件尺寸過厚，則氣隙Z2將變小，氣動量發(fā)出信號，使砂輪4進行補償。

1.雙端面磨床的自動補償如圖5.22所示702.鏜孔刀具的自動補償

鏜刀的自動補償方式最常用的是借助鏜桿或刀夾的特殊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)補償運動。這一方式又可分為兩類。

（1）利用錘桿軸線與主軸回轉(zhuǎn)軸線的偏心進行補償；（2）利用擺桿或刀夾的彈性變形實現(xiàn)微量補償。偏心補償裝置相關(guān)資料中均有介紹，本書僅介紹變形補償。2.鏜孔刀具的自動補償鏜刀的自動補償方式712.鏜孔刀具的自動補償

壓電晶體式自動補償裝置是一種典型的變形補償裝置，它是利用壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)刀具補償運動的。如石英、鈦酸鋇等一類離子型晶體，由于結(jié)晶點陣的規(guī)則排列，在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，即在承受外力的相應(yīng)兩個表面上出現(xiàn)正負電荷，形成電位差，這就是壓電效應(yīng)。反之，晶體在外加直流電壓的作用下，就會產(chǎn)生機械變形，這就是電致伸縮效應(yīng)。2.鏜孔刀具的自動補償壓電晶體式自動補償722.鏜孔刀具的自動補償采用壓電陶瓷元件的鏜刀自動補償裝置如圖5.23所示。

2.鏜孔刀具的自動補償采用壓電陶瓷元件732.鏜孔刀具的自動補償

如圖5.23所示，該裝置的補償原理如下：當壓電陶瓷元件1通電時向左伸長，于是推動滑柱2、方形截面的楔塊8和圓柱楔塊7，通過圓柱楔塊7的斜面，克服板彈簧4的壓力，將固定在滑套6中的鏜刀5頂出。2.鏜孔刀具的自動補償如圖5.23所示，742.鏜孔刀具的自動補償

如圖5.23所示，當通入反向直流電壓時，元件1收縮，在彈簧3的作用下，方形楔塊8向下位移，以填補由于元件1收縮時騰出的空隙。當再次變換通入正向電壓時，元件1又伸長，如此循環(huán)下去，經(jīng)過若干次脈沖電壓的反復作用，刀具向外伸出預(yù)定的補償量。該裝置采用300V的正反向交替直流脈沖電壓，以計數(shù)繼電器控制脈沖次數(shù)。每一脈沖的補償量為0.002~0.003mm，刀尖的總補償量為0.1mm。2.鏜孔刀具的自動補償如圖5.23所示，當755.4自動化加工過程的檢測和監(jiān)控5.4.1刀具磨損和破損的檢測和監(jiān)控5.4.2自動化加工設(shè)備的功能監(jiān)控與故障診斷5.4.3柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控和故障診斷5.4自動化加工過程的檢測和監(jiān)控5.4.1刀具磨損和765.4.1刀具磨損和破損的檢測和監(jiān)控

刀具的磨損和破損，與自動化加工過程的尺寸加工精度和系統(tǒng)的安全可靠性具有直接關(guān)系。因此，在自動化制造系統(tǒng)中，必須設(shè)置刀具磨損、破損的檢測與監(jiān)控裝置，用以防止可能發(fā)生的工件成批報廢和設(shè)備事故。

1.刀具磨損的檢測和監(jiān)控2.刀具破損的監(jiān)控方法5.4.1刀具磨損和破損的檢測和監(jiān)控刀771.刀具磨損的檢測和監(jiān)控

刀具磨損的檢測方式分直接檢測和間接檢測兩種。1）刀具磨損的直接檢測與補償2）刀具磨損的間接檢測和監(jiān)控1.刀具磨損的檢測和監(jiān)控刀具磨損的檢測方式781）刀具磨損的直接檢測與補償

在加工中心或柔性制造系統(tǒng)中，加工零件的批量小。為了保證加工精度，較好方法是直接檢測刀具的磨損量，并通過補償機構(gòu)對相應(yīng)尺寸誤差進行補償，如圖5.27所示的鏜刀刀刃的磨損測量原理圖。

1）刀具磨損的直接檢測與補償在加工中心或柔性791）刀具磨損的直接檢測與補償

如圖5.27所示，當鏜刀停在測量位置時、測量裝置移近刀具并與刀刃接觸，磨損測量傳感器從刀柄的參考表面上測取讀數(shù)。刀刃和參考表面與測量裝置的相鄰兩次接觸，其讀數(shù)變化值即為刀刃的磨損值。測量過程、數(shù)據(jù)的計算和磨損值的補償過程都可以由計算機進行控制和完成。

1）刀具磨損的直接檢測與補償如圖5.27所示802）刀具磨損的間接檢測和監(jiān)控

在加工過程中，多數(shù)刀具的磨損區(qū)被工件或切屑遮蓋，很難直接測量刀具的磨損值，因此多采用如下間接測量的方法。（1）以刀具壽命為判據(jù)（書中解釋）（2）以切削力為判據(jù)（書中解釋）（3）以加工表面粗糙度為判據(jù)（書中解釋）2）刀具磨損的間接檢測和監(jiān)控在加工過程中，多數(shù)812.刀具破損的監(jiān)控方法

刀具的破損檢測是保證機械加工自動化生產(chǎn)正常進行的重要措施。在自動化生產(chǎn)中，若刀具的破損未能及時發(fā)現(xiàn)，會導致工件報廢，甚至損壞機床。方法如下：

1）光電式刀具破損檢測2）氣動式刀具破損檢測3）探針式監(jiān)控4）電磁式監(jiān)控5）主電動機負荷監(jiān)控6）聲發(fā)射監(jiān)控2.刀具破損的監(jiān)控方法刀具的破損檢測是保證機械821）光電式刀具破損檢測

采用光電式檢測裝置可以直接檢測鉆頭或絲錐是否完整或折斷。

如圖5.31所示，光源的光線通過隔板中的小孔射向剛加工完畢返回的鉆頭，若鉆頭完好，光線受阻，光敏元件無信號輸出。若鉆頭折斷，光線射向光敏元件，發(fā)出停機信號。這種破損檢測裝置易受切屑干擾。1）光電式刀具破損檢測采用光電式檢測裝置可以831）光電式刀具破損檢測

1）光電式刀具破損檢測842）氣動式刀具破損檢測

氣動式刀具的破損檢測原理與光電式相似，如圖5.32所示。當完好鉆頭或絲錐返回原位后，氣閥接通，噴嘴噴出的氣流被鉆頭擋住，壓力開關(guān)不動作。當?shù)毒哒蹟鄷r，氣流就沖向氣動壓力開關(guān)，發(fā)出刀具折斷信號。

2）氣動式刀具破損檢測氣動式刀具的破損檢測853）探針式監(jiān)控

探針式監(jiān)控方法多用來測量孔的加工深度，并間接地檢查出孔加工刀具（鉆頭）的完整性，尤其是對于在加工中容易折斷的刀具，如直徑小于10-12mm的鉆頭等。該檢測方法結(jié)構(gòu)簡單，使用很廣泛。

如圖5.33所示其裝置。

3）探針式監(jiān)控探針式監(jiān)控方法多用來測量孔的加863）探針式監(jiān)控

如圖5.33所示，裝有探針的檢查裝置裝在機床移動部件（如滑臺、主軸箱）上，探針1向右移動，進入工件2的已加工孔內(nèi)。當孔深不夠或有折斷的鉆頭和切削堵塞時，探針板壓縮滑桿3，克服彈簧力而后退，使擋塊5壓下限位開關(guān)6，發(fā)出下一道工序不能繼續(xù)進行的信號。3）探針式監(jiān)控如圖5.33所示，裝有探針的檢874）電磁式監(jiān)控

如圖5.34所示為電磁式監(jiān)控裝置的示意圖。

4）電磁式監(jiān)控884）電磁式監(jiān)控

如圖5.34所示為電磁式監(jiān)控裝置的原理圖。它是帶有線圈的U形電磁鐵和鉆頭組成閉合的磁路，然后利用磁通變化的原理來檢測刀具是否折斷。當鉆頭折斷時，磁阻增大，使線圈中的電壓發(fā)生變化而發(fā)出信號。因為刀具會帶有磁性，只適用于加工非鐵磁性材料的工件。

4）電磁式監(jiān)控如圖5.34所示為電磁式監(jiān)895）主電動機負荷監(jiān)控

在切削過程中，刀具的破損會引起切削力和切削轉(zhuǎn)矩的變化，而切削力、轉(zhuǎn)矩的變化可直接由機床電動機功率來表示。因此，檢測機床電動機功率可以判斷刀具狀態(tài)。5）主電動機負荷監(jiān)控在切削過程中，刀具的破損會906）聲發(fā)射監(jiān)控

在金屬切削過程中，用聲發(fā)射方法檢測小尺寸刀具破損非常有效。聲發(fā)射是固體材料或構(gòu)件受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。金屬切削過程中可產(chǎn)生頻率范圍從幾十千赫至幾兆赫的聲發(fā)射信號。產(chǎn)生聲發(fā)射信號的來源有工件的斷裂、工件與刀具的摩擦、切屑變形、刀具的破損及工件的塑性變形等。

6）聲發(fā)射監(jiān)控在金屬切削過程中，用聲發(fā)射方法916）聲發(fā)射監(jiān)控

正常切削時，信號器所拾取的信號為一個小幅值連續(xù)信號，當?shù)毒咂茡p時，聲發(fā)射信號增長幅值遠大于正常切削時的幅度。

如圖5.35所示為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖。

6）聲發(fā)射監(jiān)控正常切削時，信號器所拾取的信號為926）聲發(fā)射監(jiān)控

如圖5.35所示，當切削加工中發(fā)生鉆頭破損時，用安裝在工作臺上的聲發(fā)射傳感器檢測鉆頭破損所發(fā)出的信號，并由鉆頭破損檢測器處理。當確認鉆頭已破損時，檢測器發(fā)出信號通過計算機控制系統(tǒng)進行換刀。根據(jù)大量實驗，此增大幅度為正常切削時的3~7倍，并與刀具破損面積有關(guān)。

6）聲發(fā)射監(jiān)控如圖5.35所示，當切削加工中935.4.2自動化加工設(shè)備的功能監(jiān)控與故障診斷1.監(jiān)控系統(tǒng)概念與組成1）監(jiān)控系統(tǒng)的概念2）監(jiān)控系統(tǒng)的組成3）加工設(shè)備功能監(jiān)控的內(nèi)容4）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求2.加工設(shè)備的故障診斷5.4.2自動化加工設(shè)備的功能監(jiān)控與故障診斷1941）監(jiān)控系統(tǒng)的概念

對加工過程的監(jiān)控是機械制造自動化的基本要求之一。加工過程的在線監(jiān)控涉及很多相關(guān)技術(shù)，如傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及切削機理等。

切削過程監(jiān)控指的是在加工狀態(tài)下對刀具、工件、機床的工況和切削過程動態(tài)變化的信息進行自動檢測、處理、識別、判斷及狀態(tài)反饋控制。1）監(jiān)控系統(tǒng)的概念對加工過程的監(jiān)控是機械制造自952）監(jiān)控系統(tǒng)的組成

自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)主要由信號檢測、特征提取、狀態(tài)識別、決策和控制四個部分組成。

（1）信號檢測。信號檢測是監(jiān)控系統(tǒng)的首要一步，加工過程的許多狀態(tài)信號從不同角度反映加工狀態(tài)的變化。（2）特征提取。特征提取是對檢測信號的進一步加工處理，從大量檢測信號中提取出與加工狀態(tài)變化相關(guān)的特征參數(shù)，目的在于提高信號的信噪比，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。2）監(jiān)控系統(tǒng)的組成自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)主要由信號962）監(jiān)控系統(tǒng)的組成

（3）狀態(tài)識別。狀態(tài)識別實質(zhì)上是通過建立合理的識別模型，根據(jù)所獲取加工狀態(tài)的特征參數(shù)對加工過程的狀態(tài)進行分類判斷。

（4）決策與控制。根據(jù)狀態(tài)識別的結(jié)果，在決策模型指導下對加工狀態(tài)中出現(xiàn)的故障做出判決，并進行相應(yīng)的控制和調(diào)整，例如改變切削參數(shù)、更換刀具、改變工藝等。要求決策系統(tǒng)實時、快速、準確、適應(yīng)性強。2）監(jiān)控系統(tǒng)的組成（3）狀態(tài)識別。狀態(tài)識別實質(zhì)973）加工設(shè)備功能監(jiān)控的內(nèi)容

（1）工件加工過程的監(jiān)控。加工過程工件的監(jiān)視項目有：工序監(jiān)視（是否所要求的加工）、工件監(jiān)視（是否規(guī)定的加工件）、工件安裝位姿監(jiān)視（是否進入正確安裝姿態(tài)）、尺寸與形狀誤差監(jiān)視、表面粗糙度監(jiān)視等。

（2）機床運行監(jiān)控。包括：①驅(qū)動系統(tǒng)的監(jiān)控；②主軸軸承與主軸回轉(zhuǎn)部件監(jiān)控；③機床狀態(tài)監(jiān)視；④精度監(jiān)控。（書中解釋）3）加工設(shè)備功能監(jiān)控的內(nèi)容（1）工件加工過程的984）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

加工過程、機床以及刀具工況監(jiān)控是自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)具有的3個主要任務(wù)。各個任務(wù)除了選好狀態(tài)變量之外，還必須滿足如下的一些要求。

（1）同加工過程往往需要監(jiān)控多個狀態(tài)變量，僅監(jiān)控一個狀態(tài)變量是不夠的。

（2）由于自動化加工系統(tǒng)本身的加工特性，必須監(jiān)測振動情況，在多軸加工的情況下，還必須選擇觀測方向。4）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求加工過程、機床以及刀具工994）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

（3）系統(tǒng)中必須采用相應(yīng)的識別控制程序?qū)庸み^程出現(xiàn)的異常狀態(tài)進行識別。

（4）由于交換部件、刀具的數(shù)量大、控制程序長，因此，必須監(jiān)測加工過程的初始條件。4）對監(jiān)控系統(tǒng)的要求（3）系統(tǒng)中必須采用相應(yīng)的1002.加工設(shè)備的故障診斷

所謂診斷就是對設(shè)備的運行狀態(tài)做出判斷。設(shè)備在運行過程中，內(nèi)部零部件和元器件因為受到力、熱、摩擦、磨損等多種作用，其運行狀態(tài)不斷變化，一旦發(fā)生故障，往往會導致嚴重后果。因此必須在設(shè)備運行過程中對設(shè)備的運行狀態(tài)及時做出判斷，采取相應(yīng)的決策，在事故發(fā)生以前就發(fā)現(xiàn)并加以消除。

2.加工設(shè)備的故障診斷所謂診斷就是對設(shè)備的1012.加工設(shè)備的故障診斷

加工設(shè)備的自動監(jiān)控與故障診斷主要有4個方面的內(nèi)容：

（1）狀態(tài)量的監(jiān)測。狀態(tài)量監(jiān)測就是用適當?shù)膫鞲衅鲗崟r監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)是否正常的狀態(tài)參數(shù)。

（2）加工設(shè)備運行異常的判別。運行異常的判別是將狀態(tài)量的測量數(shù)據(jù)進行適當?shù)男畔⑻幚?，判斷是否出現(xiàn)設(shè)備異常的信號。2.加工設(shè)備的故障診斷加工設(shè)備的自動監(jiān)控與故1022.加工設(shè)備的故障診斷

（3）設(shè)備故障原因的識別。根據(jù)判別結(jié)果，找出設(shè)備出現(xiàn)故障的原因。識別故障原因是故障診斷中最難、最耗時的工作。

（4）控制決策。找出故障發(fā)生的地點及原因后，就要對設(shè)備進行檢修，排除故障，保證設(shè)備能夠正常工作。狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎(chǔ)，故障診斷是對監(jiān)測結(jié)果的進一步分析和處理，而控制決策是在監(jiān)測和診斷基礎(chǔ)上做出的。因此，三者之間必須緊密集成在一起。2.加工設(shè)備的故障診斷（3）設(shè)備故障原因的識別1035.4.3柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控和故障診斷

由于現(xiàn)代加工工藝還很難真正完成整體FMS的閉環(huán)監(jiān)控、自行排除故障的處理過程，所以，F(xiàn)MS的很多監(jiān)控過程都屬于單項檢測。隨著加工工藝的發(fā)展，要使FMS真正達到加工人員和設(shè)備的高柔性，就必須實現(xiàn)FMS檢測監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化和高度集成化。

1.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)2.FMS故障診斷技術(shù)5.4.3柔性制造系統(tǒng)的監(jiān)控和故障診斷由于1041.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)FMS的功能結(jié)構(gòu)，F(xiàn)MS檢測監(jiān)控系統(tǒng)可分成幾個子系統(tǒng)：設(shè)備工作狀態(tài)檢測監(jiān)控模塊、FMS運行狀態(tài)檢測監(jiān)控模塊、工件加工精度檢測模塊、FMS控制及信息處理檢測監(jiān)視模塊、運行安全檢測監(jiān)視模塊。

如圖5.36所示FMS檢測監(jiān)控系統(tǒng)的組成。1.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)FMS的功能結(jié)1051.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)

1.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)1061.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)集成的FMS檢測監(jiān)控子系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能。（1）進行各種多通道信號的檢測和大批量的信號處理，并具有智能接口。（2）有信息處理和知識處理的軟硬件，能自動生成判別函數(shù)，判別復雜狀態(tài)，可進行狀態(tài)特征分析，推理診斷和預(yù)報。

（3）具有較大的柔性，能與FMS有機地結(jié)合。

（4）具有自診斷功能，能檢測控制系統(tǒng)本身的故障。

（5）各模塊間及其內(nèi)部可根據(jù)需要靈活組合。1.FMS的監(jiān)控系統(tǒng)集成的FMS檢測監(jiān)控1072.FMS故障診斷技術(shù)當FMS以一種非期望方式運行時，就會出現(xiàn)故障征兆，主要表現(xiàn)有兩種形式：

①FMS各個子系統(tǒng)器件、元件的位置、運動關(guān)系或運行不正常。

②經(jīng)FMS生產(chǎn)的工件出現(xiàn)加工質(zhì)量不符合要求。

1）故障診斷過程2）故障診斷方法2.FMS故障診斷技術(shù)當FMS以一種非期望1081）故障診斷過程

FMS故障診斷可以概括為以下幾個過程。

（1）故障檢測。當系統(tǒng)的功能不正常時，能夠檢測到故障信號。

（2）故障分析。系統(tǒng)發(fā)生意外后，可根據(jù)各種故障，能快速確定故障源。

（3）故障排除。可以排除或容錯故障，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。

（4）故障評定。對故障發(fā)生的位置、頻度及對系統(tǒng)的影響進行統(tǒng)計分析。1）故障診斷過程FMS故障診斷可以概括為以下幾1092）故障診斷方法（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)（2）柔性制造系統(tǒng)故障樹（3）故障診斷專家系統(tǒng)2）故障診斷方法（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)110（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)

FMS故障分布在系統(tǒng)的各個層次上，某一層的故障應(yīng)先在局部設(shè)備或單元表現(xiàn)出來，往往又影響到整個系統(tǒng)。因此，F(xiàn)MS的故障診斷就呈現(xiàn)為設(shè)備層、單元層及系統(tǒng)層，形成一個集成的FMS故障診斷系統(tǒng)。（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)FMS故障分布在系統(tǒng)111（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)

在不同的診斷層次可以使用不同的方法。比如，在設(shè)備層直接使用某一部件的檢測傳感器的檢測值確定是否發(fā)生故障。在單元層可使用一些數(shù)學分析方法，如在尺寸檢測單元，可通過對尺寸測量值的時序序列分析（如采用FFT方法）診斷預(yù)測故障。在系統(tǒng)層則可采用故障診斷專家系統(tǒng)對系統(tǒng)故障進行人工智能診斷。（1）故障診斷的層次結(jié)構(gòu)在不同的診斷層次可以使112（2）柔性制造系統(tǒng)故障樹

質(zhì)量樹分析法是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至單元按樹枝狀逐級細化的。分析的目的是判明基本故障，確定故障的原因、影響和出現(xiàn)概率。FMS故障樹如圖5.37所示（書中）。（2）柔性制造系統(tǒng)故障樹質(zhì)量樹分析法是一種將113（3）故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)是根據(jù)對癥狀的觀察與分析，推斷故障的位置，并進行故障排除的系統(tǒng)。由于FMS是一個復雜的自動化制造系統(tǒng)，具有故障層次多、原因復雜及故障傳遞快等特點，要求系統(tǒng)盡快發(fā)現(xiàn)故障源，建立FMS的深淺知識庫。使用深淺知識推理方法，采用混合控制策略是開發(fā)FMS故障診斷專家系統(tǒng)比較好的途徑。（3）故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)是根據(jù)114（3）故障診斷專家系統(tǒng)對故障診斷專家系統(tǒng)有兩個主要要求:

一是實時性?？梢詫崿F(xiàn)故障的預(yù)測和診斷，并及時得出故障排除策略，使系統(tǒng)可以可靠正常的運行.

二是機器自學習。由于系統(tǒng)復雜，知識輸入有限，要求專家系統(tǒng)能根據(jù)工作經(jīng)驗及外部數(shù)據(jù)，不斷地歸納總結(jié)，不斷地產(chǎn)生新知識。（3）故障診斷專家系統(tǒng)對故障診斷專家系統(tǒng)有115CNC圓度、圓柱度測量儀（4.36）CNC圓度、圓柱度測量儀（4.36）116帶有自動測量功能的加工中心（1.28）帶有自動測量功能的加工中心（1.28）117刀具預(yù)調(diào)儀（2.56）刀具預(yù)調(diào)儀（2.56）118關(guān)節(jié)臂測量機（1.06）關(guān)節(jié)臂測量機（1.06）119全自動在線測量儀（0.36）全自動在線測量儀（0.36）120三坐標測量機（11.16）三坐標測量機（11.16）121第5章制造系統(tǒng)檢測過程自動化5.1概述5.2工件尺寸精度的檢測和控制5.3刀具工作狀態(tài)的檢測和控制5.4自動化加工過程的檢測和監(jiān)控5.5實例視頻第5章制造系統(tǒng)檢測過程自動化5.1概述1225.1概述5.1.1自動化檢測的目的和意義5.1.2自動化檢測的內(nèi)容5.1.3自動化檢測裝置的分類5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑5.1概述5.1.1自動化檢測的目的和意義1235.1.1自動化檢測的目的和意義在自動化制造系統(tǒng)中，為了保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要利用各種自動化監(jiān)測裝置，自動地對加工對象的有關(guān)參數(shù)、加工過程和系統(tǒng)運行狀態(tài)進行檢測，不斷提供各種有價值的信息和數(shù)據(jù)（包括被測對象的尺寸、形狀、缺陷、加工條件和設(shè)備運行狀況等），及時地對制造過程中被加工工件質(zhì)量進行監(jiān)控，還能自動監(jiān)控工藝過程，以確保設(shè)備的正常運行。5.1.1自動化檢測的目的和意義在自動化制1245.1.1自動化檢測的目的和意義

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，自動化檢測的范疇已從單純對被加工零件幾何參數(shù)的檢測，擴展到對整個生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。從對工藝過程的監(jiān)控擴展到實現(xiàn)最佳條件的適應(yīng)控制生產(chǎn)。因此，自動化檢測不僅是質(zhì)量管理系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，也是自動化加工系統(tǒng)不可缺少的組成都分。在先進制造技術(shù)中，它還可以更好地為產(chǎn)品質(zhì)量體系提供技術(shù)支持。

5.1.1自動化檢測的目的和意義隨著計算機1255.1.1自動化檢測的目的和意義

實現(xiàn)檢測自動化，消除了人為誤差，使檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠。由于采用了先進的在線監(jiān)測儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，使檢測精度大大提高。加工工藝過程與自動測量過程結(jié)合，大大降低了輔助時間，提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了制造成本。同時，檢測自動化能在人無法進行檢測的場合實現(xiàn)自動檢測，擴大檢測應(yīng)用范圍；能對加工控制系統(tǒng)自動反饋檢測信息，實現(xiàn)加工過程的自適應(yīng)控制和優(yōu)化生產(chǎn)。5.1.1自動化檢測的目的和意義實現(xiàn)檢測1265.1.2自動化檢測的內(nèi)容

1.自動檢測技術(shù)的目的2.自動檢測信號的選擇5.1.2自動化檢測的內(nèi)容1.自動檢測技1271.自動檢測技術(shù)的目的

在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，常常采用自動檢測技術(shù)。采用自動檢測技術(shù)的目的主要有兩個：一是對被加工對象進行質(zhì)量控制；二是對加工狀態(tài)和設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)控。

1）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測2）以監(jiān)控為目的的自動檢測1.自動檢測技術(shù)的目的在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，常常1281）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測

以質(zhì)量控制為目的自動檢測分兩種情況：在線檢測和離線檢測。

在線自動檢測是在加工及裝配過程中，對工件的尺寸、形位公差和外形等進行連續(xù)或間斷的檢測，輸出信息供調(diào)節(jié)補償、減小誤差或作顯示、報警之用。

離線自動檢測是在加工或裝配完成后．對零件或產(chǎn)品進行自動測量，確定零件是否合格，產(chǎn)品是否符合規(guī)范。1）以質(zhì)量控制為目的的自動檢測以質(zhì)量控制為目的1292）以監(jiān)控為目的的自動檢測

以監(jiān)控為目的的自動檢測主要包括對工位狀況的檢測、對設(shè)備工作狀態(tài)的檢測、工藝過程的檢測、材料和零件傳送過程的檢測。

（1）對于加工過程每個工位狀況的檢測內(nèi)容包括材料或坯件是否到達工位，在加工前工件是否已準確定位和夾緊，工作臺、刀具、夾具、輔助系統(tǒng)、裝配工具等是否都處于正常位置等，其檢測的內(nèi)容可能有位置、夾緊力、力矩等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測以監(jiān)控為目的的自動檢1302）以監(jiān)控為目的的自動檢測

（2）設(shè)備工作狀態(tài)的檢測包括電機的輸出功率、主軸的扭矩、刀具的破損和過度磨損、齒輪和軸承的潤滑、零件的過熱和冷卻、機架的斷裂應(yīng)力、工件、夾具或工件臺的變形等。

（3）工藝過程的檢測包括運動件是否碰撞，加工參數(shù)是否合理，振動、噪聲、排屑、冷卻潤滑液的檢測等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測（2）設(shè)備工作狀態(tài)的1312）以監(jiān)控為目的的自動檢測

（4）材料、零件傳送過程的檢測包括自動搬運小車的導向檢測、自動倉庫堆垛機的工位檢測、立體倉庫和刀庫的狀態(tài)監(jiān)測、刀具認址的檢測等。2）以監(jiān)控為目的的自動檢測（4）材料、零件傳送1322.自動檢測信號的選擇

1）檢測信號選擇的原則（1）信號能否準確可靠地反映被測對象和工況的實際狀態(tài)。（2）信號是否便于實時和在線檢測。（3）檢測設(shè)備的通用性和經(jīng)濟性。

2）常用自動檢測信號在加工系統(tǒng)中常用于產(chǎn)品質(zhì)量自動檢測和控制的特征信號有：尺寸和位移、力和力矩、振動、溫度、電信號、光信號和聲音。

2.自動檢測信號的選擇1）檢測信號選擇的原則1335.1.3自動化檢測裝置的分類

自動化檢測裝置的種類和規(guī)格較多，主要有以下幾種分類方法：

（1）按測量信號的轉(zhuǎn)換原理劃分有電氣式（電感式、互感式、電容式、電接觸式和光電式等）和氣動式（浮標式、波管式和膜片式等）。5.1.3自動化檢測裝置的分類自動化檢測裝1345.1.3自動化檢測裝置的分類

（2）按測量頭與被測物的接觸情況劃分有接觸式和非接觸式。接觸式的量頭直接與工件被測表面相接觸，工件被測參數(shù)的變化直接反映在量桿的移動量上，然后通過傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號或氣信號。按量頭與工件表面的接觸點數(shù)目又可分為單點式、兩點式和三點式。

非接觸式的量頭不與工件被測表面接觸，而是借助氣壓、光束或放射性同位素的射線等的作用，反映被測參數(shù)的變化。這種測量方式不會因為測頭與工件接觸而影響測量精度。5.1.3自動化檢測裝置的分類（2）按測量頭1355.1.3自動化檢測裝置的分類

（3）按檢測目的劃分尺寸測量和形狀測量裝置，如：三坐標測量機、激光測徑儀、氣動測微儀、電動測微儀。

位置測量（孔間距、輪廓間距、孔到邊緣距離）裝置等，以及表面紋理、粗糙度的測量裝置，如：表面輪廓儀。

刀具磨損或破損監(jiān)測的裝置，如：噪聲頻譜、紅外發(fā)射、探針測量等測量裝置。5.1.3自動化檢測裝置的分類（3）按檢測目1365.1.3自動化檢測裝置的分類

（4）按檢測方式劃分加工后撤至測量環(huán)境中的被動測量；在線主動檢測；在加工位置工序間的檢測。5.1.3自動化檢測裝置的分類（4）按檢測方1375.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、機械制造技術(shù)及其應(yīng)用水平的提高，以及自動化制造系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，自動化檢測的內(nèi)容也不斷擴展。實現(xiàn)檢測過程的自動化主要有以下幾個途徑：

（1）在機床上安裝自動化檢測裝置實現(xiàn)加工過程中的在線檢測。如在數(shù)控磨床上安裝在線檢測裝置。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑隨著計算機1385.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

（2）在自動線中設(shè)置專門的自動檢測工位，這種方法既可以是在制造過程剛一完成就立即進行的自動檢測，也可以是按照制造過程順序在關(guān)鍵工序上布置若干個檢測工作站。前者屬于加工過程后在線檢測，后者屬于分布式檢測，通常在檢測內(nèi)容多且復雜或技術(shù)上難以實現(xiàn)在加工工位上進行檢測時采用，如曲軸加工自動生產(chǎn)線上的動平衡實驗裝置。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑（2）在自動線1395.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑

（3）設(shè)置專門的監(jiān)測裝置。如發(fā)動機和軸承制造中的活塞環(huán)、滾針、鋼球等零件的分類機，連桿穩(wěn)重分類自動線等。

（4）在柔性加工系統(tǒng)中，采用測量機器人進行輔助測量。5.1.4實現(xiàn)檢測自動化的途徑（3）設(shè)置專門1405.2工件尺寸精度的檢測和控制

機械零件的加工精度和表面質(zhì)量決定了機械零件的加工質(zhì)量。機械加工精度指機械零件加工以后的實際幾何參數(shù)與標準幾何參數(shù)相符合的程度。加工誤差是指機械零件加工以后的實際幾何參數(shù)與標準幾何參數(shù)偏差的大小。偏差越小，則表明機械零件的加工精度就越高，反之則低。因此，機械零件加工精度的高低，一般是以加工誤差的大小來反映的。5.2工件尺寸精度的檢測和控制機械零件的1415.2工件尺寸精度的檢測和控制5.2.1影響零件加工尺寸的因素（書中解釋）5.2.2零件加工尺寸的測量方法與裝置1.長度尺寸測量2.零件加工表面的自動檢測3.加工過程中的主動測量4.三坐標測量機與測量機器人（書中解釋）5.2工件尺寸精度的檢測和控制5.2.1影響零件加工1421.長度尺寸測量

長度測量用的量儀按測量原理可分為機械式、光學式、氣動式和電動式四大類。其中適合于大中批量生產(chǎn)現(xiàn)場使用的，主要有氣動量儀和電動量儀兩大類。

1）氣動量儀2）電動量儀1.長度尺寸測量長度測量用的量儀按測量原理可1431）氣動量儀

氣動量儀將被測盤的微小位移量轉(zhuǎn)變成氣流的壓力、流量或流速的變化，然后通過測量這種氣流的壓力或流量變化，用指示裝置指示出來，作為量儀的示值或信號。氣動量儀容易獲得較高的放大倍率（通?？蛇_2000-10000倍），測量精度和靈敏度均很高，各種指示表能清晰顯示被測對象的微小尺寸變化1）氣動量儀氣動量儀將被測盤的微小位移量轉(zhuǎn)變1441）氣動量儀

氣動量儀操作方便，可實現(xiàn)非接觸測量；測量器件結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)小型化，使用靈活；氣動量儀對周圍環(huán)境的抗干擾能力強，廣泛應(yīng)用于加工過程中的自動測量。但對氣源的要求高，響應(yīng)速度略慢。氣動量儀一般由指示轉(zhuǎn)換部分和測頭兩部分組成。指示轉(zhuǎn)換部分又有壓力型和流量型兩類。1）氣動量儀氣動量儀操作方便，可實現(xiàn)非接觸測1451）氣動量儀

（1）壓力型量儀壓力型氣動量儀主要有薄膜式、波紋管式和水柱式等類型。如圖5.1～圖5.3所示分別為膜片式氣動量儀、波紋管氣動量儀、水柱式氣動量儀的原理圖。其主要原理均是用工件尺寸的變化引起氣動量儀內(nèi)氣體壓力的變化，從而推動指示表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1）氣動量儀（1）壓力型量儀1461）氣動量儀

（1）壓力型量儀（薄膜式）

如圖5.1所示的膜片氣動量儀，當測量間隙Z發(fā)生變化時，下氣室壓力隨之變化，膜片8失去原有平衡，帶動錐桿3上下移動，從而改變錐桿3與出氣環(huán)7之間的間隙，使上氣室壓力也產(chǎn)生變化。錐桿3的移動量可以從指示表上讀出間隙Z的大小，同時由電觸點發(fā)出相應(yīng)指示信號。

1）氣動量儀（1）壓力型量儀（薄膜式）1471）氣動量儀

1）氣動量儀1481）氣動量儀

（1）壓力型量儀（波紋管式）

如圖5.2所示的波紋管氣動量儀，當測量間隙Z的變化，使兩側(cè)波紋管1、5產(chǎn)生壓力差，推動框架3左右移動，經(jīng)齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動指針4移動，反映間隙Z的大小。

1）氣動量儀（1）壓力型量儀（波紋管式）1491）氣動量儀

（1）壓力型量儀（水柱式）

如圖5.3所示的水柱式氣動量儀，其各種壓力取決于穩(wěn)壓管9插入水中的深度H，穩(wěn)壓后的氣流經(jīng)主噴嘴3進入測量氣室4，然后經(jīng)測量噴嘴6和工件之間的測量間隙Z流入大氣。因此，隨著間隙Z的變化，測量氣室的靜壓力Pb也相應(yīng)變化，水柱的高度落差H就可指示Z的大小。1）氣動量儀（1）壓力型量儀（水柱式）1501）氣動量儀

1）氣動量儀1511）氣動量儀

（2）流量型氣動量儀流量型氣動量儀的原理如圖5.4所示，測量間隙Z的變化可使通過測量噴嘴8的空氣流量發(fā)生變化，錐度玻璃管4內(nèi)的浮子5隨之上下升降，以達到新的平衡位置，