檢測過程自動化課件

1第五章

檢測過程自動化1第五章

檢測過程自動化2對加工后的工件進(jìn)行檢測，僅能起到剔除廢品的作用，因此檢測過程是被動的；對加工中的工件進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果通過控制系統(tǒng)對加工過程進(jìn)行控制，這種方式能防止廢品的產(chǎn)生，檢測過程是主動的；如果進(jìn)一步對測得的加工過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并校正機床系統(tǒng)，就能實現(xiàn)自適應(yīng)控制。2對加工后的工件進(jìn)行檢測，僅能起到剔除廢品的作用，因此檢測過3

檢測方法分類按其在制造系統(tǒng)中所處位置可分為下列幾種方式： （1）直接測量與間接測量 （2）接觸測量和非接觸測量 （3）在線測量和離線測量3檢測方法分類按其在制造系統(tǒng)中所處位置可分為下列幾種方式4（1）直接測量與間接測量直接測量：測量時，直接從測量器具上讀出被測幾何量的大小值間接測量：被測幾何量無法直接測量時，首先測出與被測幾何量有關(guān)的其他幾何量，然后，通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行計算來求得被測幾何量的尺寸值

4（1）直接測量與間接測量直接測量：測量時，直接從測量器具上5（2）接觸測量和非接觸測量接觸式檢驗。測量器具的測量頭直接與工件被檢驗的表面接觸，工件被測參數(shù)的變化，直接反映在量桿的移動量上，然后通過某種傳感器轉(zhuǎn)換為電量。例如電接觸式、電感式傳感器都屬于這一種。

非接觸式檢驗。測量器具的測量頭不與工件被測表面接觸，而是借助電磁感應(yīng)、氣壓，光束或放射性同位素的射線等的作用，以反映被測參數(shù)的變化。這種測量方式，沒有因為測頭與工件接觸發(fā)生磨損而產(chǎn)生的誤差。5（2）接觸測量和非接觸測量接觸式檢驗。測量器具的測量頭直接6（3）在線測量和離線測量在線測量;在加工過程或加工系統(tǒng)運行過程中對被測對象進(jìn)行檢測。離線測量：在被測對象加工后脫離加工系統(tǒng)在進(jìn)行檢測。6（3）在線測量和離線測量在線測量;在加工過程或加工系統(tǒng)運行7二、檢測裝置對被加工工件的監(jiān)測與控制

包括：精度、粗糙度、形狀、缺陷等；對加工設(shè)備工作狀態(tài)的在線監(jiān)測與控制包括：切削負(fù)荷、刀具磨損及破損、機床主要部件的溫升、振動、變形等；對加工對象的加工過程在線監(jiān)測與控制。監(jiān)測的內(nèi)容：7二、檢測裝置對被加工工件的監(jiān)測與控制監(jiān)測的內(nèi)容：8采用的檢測手段可分為：人工檢測和自動檢測。人工檢測：是人操作檢測工具，收集分析數(shù)據(jù)信息，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供依據(jù)；自動檢測：是借助于各種自動化檢測裝置和檢測技術(shù)，自動地靈敏地反映被測工件及設(shè)備的參數(shù)，為控制系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)信息。二、檢測裝置8采用的檢測手段可分為：二、檢測裝置9

機械制造過程中自動化檢測的范圍：從制品（零件、部件和產(chǎn)品）的尺寸、形狀、缺陷、性能等的靜態(tài)檢測，到成品生產(chǎn)過程各階段上的質(zhì)量控制；從對各種工藝過程及其設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制，到實現(xiàn)最佳條件的自動生產(chǎn)，其中每一方面都離不開自動檢測技術(shù)。

9機械制造過程中自動化檢測的范圍：10適用于不同用途的自動檢測裝置：用于工件的尺寸、形狀檢測用的定尺寸檢測裝置：三坐標(biāo)測量機、激光測徑儀以及氣動測微儀、電動測微儀和采用電渦流方式的檢測裝置；用于工件表面粗糙度檢測：表面輪廓儀；用于刀具磨損或破損監(jiān)測的：噪聲頻譜、紅外發(fā)射、探針測量等測量裝置；利用切削力、切削力矩、切削功率對刀具磨損進(jìn)行檢測的測量裝置。它們的主要作用就在于全面地、快速地獲得有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的信息和數(shù)據(jù)。10適用于不同用途的自動檢測裝置：用于工件的尺寸、形狀檢測用11三、自動化檢測方法在機械加工中自動化檢測方法有兩種：1．產(chǎn)品精度檢測產(chǎn)品精度檢測是在工件加工完成后，按驗收的技術(shù)條件進(jìn)行驗收和分組。這種檢驗只能發(fā)現(xiàn)廢品，不能預(yù)防廢品的產(chǎn)生。2．工藝過程精度檢測目的：預(yù)防廢品的產(chǎn)生，從工藝上保證所需的精度。檢驗的對象是加工設(shè)備、工具和生產(chǎn)工藝過程11三、自動化檢測方法在機械加工中自動化檢測方法有兩種：12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在自動線中設(shè)置專門的自動檢測工位，即在某道加工工序剛一完成就立即進(jìn)行在線檢測。如曲軸加工自動生產(chǎn)線上的動平衡實驗裝置。設(shè)置專門的監(jiān)測裝置。如軸承中使用的鋼珠、滾針，連桿的秤重。在柔性系統(tǒng)使用的測量機器人。自動化檢測實現(xiàn)的途徑12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13第二節(jié)加工尺寸的自動測量一、檢測方法二、測量傳感器三、自動測量機構(gòu)四、加工過程的在線檢測和補償13第二節(jié)加工尺寸的自動測量一、檢測方法14

工件尺寸精度是直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，因此在許多自動化制造中都采用自動測量工件的方法來保證產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行。一、檢測方法 檢測方法按其在制造系統(tǒng)中所處的位置可以分為：

1.離線檢測

2.過程中檢測

3.在線檢測第二節(jié)加工尺寸的自動測量

14 工件尺寸精度是直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，因此在許多自動15

1.離線檢測

在自動化制造系統(tǒng)生產(chǎn)線以外進(jìn)行檢測，其檢測周期長，難以及時反饋質(zhì)量信息。

2.過程中檢測 這種檢測是在工序內(nèi)部，即工步或走刀之間，利用機床上裝備的測頭檢測工件的幾何精度或標(biāo)定工件零點和刀具尺寸。檢測結(jié)果直接輸入機床數(shù)控系統(tǒng)，修正機床運動參數(shù)，保證工件加工質(zhì)量。一、檢測方法15 1.離線檢測一、檢測方法16檢測方法：①測頭安裝在主軸上（數(shù)控鏜銑加工中心）或刀架上（車削加工中心），通過觸點測量和數(shù)據(jù)處理檢測加工表面的尺寸和形狀誤差或標(biāo)定工件在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)零點。②測頭安裝在機床工作臺（數(shù)控鏜銑加工中心）或床身上（車削加工中心），通過坐標(biāo)軸運動使刀具與測頭接觸測出刀具在各方向的偏置量，輸入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行刀具補償；或者測量刀具磨損量。16檢測方法：①測頭安裝在主軸上（數(shù)控鏜銑加工中心）或刀架上173.在線檢測 利用坐標(biāo)測量機綜合檢測經(jīng)過加工后機械零件的幾何尺寸與形狀位置精度。坐標(biāo)測量機按精度可分為生產(chǎn)型和精密型兩大類；按自動化水平可分為手動、機動和計算機直接控制三大類。在自動化制造系統(tǒng)中，一般選用計算機直接控制的生產(chǎn)型坐標(biāo)測量機。173.在線檢測18工件尺寸、形狀的在線測量是機械加工中很重要的功能。工件的工件的尺寸和形狀誤差分為：

隨機誤差和系統(tǒng)誤差。自動檢測中，應(yīng)該檢測那種誤差？

系統(tǒng)誤差?。?！系統(tǒng)誤差包括？18工件尺寸、形狀的在線測量是機械加工中很重要的功能。19影響加工尺寸的因素一般說來有以下幾種原因：1、切削熱引起刀具的伸長，使得加工尺寸與理論尺寸有差別；2、切削熱引起工件的膨脹；3、機床主軸、工件和刀具系統(tǒng)在受切削力和切削熱作用下的動態(tài)變形；4、刀具磨損對加工精度的影響。5、機床導(dǎo)軌的幾何精度。實時在線測量19影響加工尺寸的因素實時20工件尺寸、形狀的在線測量方式：20工件尺寸、形狀的在線測量方式：21二、測量傳感器

測量裝置中最主要的部分是傳感器，它用以將被測零件的尺寸變化轉(zhuǎn)換成其他物理量，例如轉(zhuǎn)換成電、氣或其他形式的信號。然后將此信號送至放大裝置放大或經(jīng)其他處理后，供機床的控制系統(tǒng)自動控制機床的工作過程。

常用的傳感器有電氣的和氣動的兩大類。21二、測量傳感器測量裝置中最主要的部分是傳感器，它22(一)電氣傳感器1．電接觸式傳感器22(一)電氣傳感器1．電接觸式傳感器23電接觸式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖23電接觸式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖242、光電式傳感器：

利用光源的光線投射到光敏元件上來發(fā)出測量信號。檢驗成品尺寸的示意圖加工過程中測量工件尺寸的原理242、光電式傳感器：利用光源的光線投射到光敏元件上來發(fā)出25(二)氣動傳感器

氣動傳感器一般都由氣動測量頭和氣體計量儀組成。測量原理：

壓縮空氣進(jìn)入計量儀的氣室A，其壓力為p1，壓縮空氣再經(jīng)過小孔l進(jìn)入氣室B，然后經(jīng)噴嘴2排入大氣。當(dāng)測量工件時，工件放在噴嘴孔2前面，形成一個氣隙Z，此時，壓縮空氣必須經(jīng)過此氣隙排入大氣，所產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)與此氣隙的大小有一定關(guān)系。當(dāng)工件尺寸增大時，氣隙Z減小，氣室B的壓力p2上升；當(dāng)工件尺寸減小時，氣隙Z增大，氣室B的壓力p2下降，顯然，通過測量壓力p2，即可測知工件尺寸的變化。25(二)氣動傳感器氣動傳感器一般都由氣動測量頭和氣體計26氣室B的壓力p2與氣隙Z的關(guān)系26氣室B的壓力p2與氣隙Z的關(guān)系271)薄膜式氣動星儀薄膜式氣動量儀的結(jié)構(gòu)原理：過濾以后的壓縮空氣經(jīng)管道1進(jìn)入穩(wěn)壓器2穩(wěn)壓。打開開關(guān)3，壓縮空氣進(jìn)入氣動量儀的進(jìn)氣口，經(jīng)小孔4及5分為兩路，一路進(jìn)入薄膜6上方的氣室，另一路進(jìn)入下氣室。

下氣室有管道8通噴嘴9，工件l0即放在噴嘴9前面而形成一個氣隙Z，氣隙Z的變化將影響下氣室的壓力Pl；上氣室的壓縮空氣經(jīng)測量桿7上端的錐面出氣環(huán)而排入大氣。271)薄膜式氣動星儀薄膜式氣動量儀的結(jié)構(gòu)原理：過濾以后28

當(dāng)測量氣隙Z增大時(相當(dāng)于工件外尺寸減小)，則下氣室壓力p1下降，膜片6原來的平衡位置被破壞，因而使膜片下移，測量桿7也隨之下移，從而增大了測量桿7上端出氣環(huán)的排氣截面積，使上氣室壓力p2也下降，當(dāng)測量桿7下移至某一位置，上、下氣室的壓力使膜片6重新獲得平衡的位置，測量桿7即保持不動，通過表桿11、指示表14指示出工件的尺寸偏差。當(dāng)測量氣隙Z減小時(相當(dāng)于工件尺寸增大)，儀表動作過程與上述相反。28當(dāng)測量氣隙Z增大時(相當(dāng)于工件外尺寸減小)，則下292)波紋管式傳感器它具有兩個波紋狀皺褶管1和5，其中一邊通入恒定壓力的壓縮空氣，另一邊與測量頭頭噴嘴相通，即通測量氣壓。292)波紋管式傳感器301.專用自動測量裝置

實現(xiàn)加工過程自動檢測的過程是由自動檢測裝置完成的。在大批量生產(chǎn)條件下，只要將自動測量裝置安裝在機床上，操作人員不必停機測量工件尺寸，就可以在加工過程中自動檢測工件尺寸的變化，并能根據(jù)測得的結(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(jìn)給、退刀和停車等）。三、自動測量機構(gòu)301.專用自動測量裝置三、自動測量機構(gòu)31其自動測量原理如所示。31其自動測量原理如所示。32

三坐標(biāo)測量機（CoordinateMeasuringMachining，簡稱CMM）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測量儀器?，F(xiàn)代CMM不僅能在計算機控制下完成各種復(fù)雜測量，而且可以通過與數(shù)控機床交換信息，實現(xiàn)對加工的控制，并且還可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測量設(shè)備。2.三坐標(biāo)測量機32 三坐標(biāo)測量機（CoordinateMeasu33

三坐標(biāo)測量機是現(xiàn)代加工自動化系統(tǒng)中的測量設(shè)備。三坐標(biāo)測量機的作用：可以在計算機控制的制造系統(tǒng)中直接利用CAD/CAM系統(tǒng)中的編程信息對工件進(jìn)行測量和檢驗，構(gòu)成設(shè)計—制造—檢驗集成系統(tǒng)，能在工件加工、裝配的前、后或過程中給出檢測信息并進(jìn)行在線反饋處理。 2.三坐標(biāo)測量機33三坐標(biāo)測量機是現(xiàn)代加工自動化系統(tǒng)中的測量設(shè)備。 34（1）CMM的組成①機械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運動軸構(gòu)成。X向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺上;Y向?qū)к壪到y(tǒng)是移動橋架橫梁;Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三坐標(biāo)測量機由機械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。34（1）CMM的組成①機械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運動軸35（1）CMM的組成

三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動的手輪及機動、數(shù)控驅(qū)動的電機一般都在各軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在Z軸端部。35（1）CMM的組成三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸363637436工作臺5X2Y（1）CMM的組成②電子系統(tǒng)：一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成.用于獲得被測坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。移動橋架中央滑架Z軸測頭電子系統(tǒng)37436工作臺5X2Y（1）CMM的組成②電子系統(tǒng)：一般由3821ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：通過探測傳感器（測頭）與測量空間軸線運動的配合，對被測幾何元素進(jìn)行離散的空間點坐標(biāo)的獲??；通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算定義，完成對所測得點（點群）的擬合計算，還原出被測的幾何元素；

進(jìn)行其與理論值（名義值）之間的偏差計算與后續(xù)評估，從而完成對被測零件的檢驗工作。三坐標(biāo)測量機是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。3821ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：三坐39

幾何量數(shù)字測量的功能39幾何量數(shù)字測量的功能40常用測量方法40常用測量方法41（四）、工作臺

早期的三坐標(biāo)測量機的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的，但近年來，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價格低廉、易于加工。有些測量機裝有可升降的工作臺，以擴大Z軸的測量范圍，還有些測量機備有旋轉(zhuǎn)工作臺，以擴大測量功能。41（四）、工作臺42（五）、導(dǎo)軌

導(dǎo)軌是測量機的導(dǎo)向裝置，直接影響測量機的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。

在三坐標(biāo)測量機常用的為滑動導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，目前，多數(shù)三坐標(biāo)測量機已采用空氣靜壓導(dǎo)軌（又稱為氣浮導(dǎo)軌、氣墊導(dǎo)軌），它具有許多優(yōu)點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。42（五）、導(dǎo)軌43123456A-AAA工作臺氣墊滾輪壓縮彈簧導(dǎo)向塊橋架43123456A-AAA工作臺氣墊滾輪壓縮彈簧導(dǎo)向塊橋架44三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測量機的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM測量精度的高低。標(biāo)尺系統(tǒng)標(biāo)尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的。標(biāo)尺系統(tǒng)種類按其性質(zhì)可以分為：機械式標(biāo)尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)（如光學(xué)讀數(shù)刻線尺，光學(xué)編碼器，光柵，激光干涉儀）電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。44三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)45測頭系統(tǒng)（1）測頭

三坐標(biāo)測量機是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進(jìn)的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。分類：按結(jié)構(gòu)原理：機械式、光學(xué)式和電氣式等；按測量方法：接觸式和非接觸式兩類。45測頭系統(tǒng)（1）測頭46機械接觸式測頭測頭形狀：圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點測頭、V型塊測頭等。特點：形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)測量機已不再使用這類測頭。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圓錐形測頭(b)圓柱形測頭(c)球形測頭(d)半圓形測頭(e)點測頭(f)V型塊測頭46機械接觸式測頭測頭形狀：圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭472．電氣接觸式測頭12534彈簧芯體測桿鋼球觸點測頭是在觸測工件表面的運動過程中，瞬間進(jìn)行測量采樣的，故稱為動態(tài)測頭，也稱為觸發(fā)式測頭。動態(tài)測頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，不能作連續(xù)的掃描測量

電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測量機所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。（1）動態(tài)測頭常用動態(tài)測頭的結(jié)構(gòu)如圖所示。472．電氣接觸式測頭12534彈簧芯體測桿鋼球觸點測頭是48RENISHAW電阻型觸發(fā)式探頭48RENISHAW電阻型觸發(fā)式探頭49

三坐標(biāo)測量機的測量精度很高。為了保證三坐標(biāo)測量機的高精度測量，避免因振動、環(huán)境溫度變化等造成的測量誤差，必須將其安裝在專門的地基上和在很好的環(huán)境條件下工作。被檢零件必須從加工地輸送至測量機，有的需要反復(fù)輸送幾次，這對于質(zhì)量控制要求不是特別精確可靠的零件，顯然是不經(jīng)濟的。一個解決方法是將三坐標(biāo)測量機上用的三維測頭直接安裝在計算機數(shù)控機床上，該機床就能象三坐標(biāo)測量機那樣工作。3.三維測頭的應(yīng)用49 三坐標(biāo)測量機的測量精度很高。3.三維測頭的應(yīng)5050511.自動在線檢測

自動在線檢測：是指在設(shè)備運行、生產(chǎn)不停頓的情況下，根據(jù)信號處理的基本原理，跟蹤并掌握設(shè)備的當(dāng)前運行狀態(tài)，預(yù)測未來的狀況并根據(jù)出現(xiàn)的情況對生產(chǎn)線進(jìn)行必要的調(diào)整。四、加工過程的在線檢測和補償

在機械加工的實際應(yīng)用中可根據(jù)自動在線檢測應(yīng)用的范圍和深度的不同，將自動在線檢測大致分為：自動檢測、機床監(jiān)測和自適應(yīng)控制。511.自動在線檢測四、加工過程的在線檢測和補償52（1）自動檢測指主動自動檢測，即加工中測量儀與機床、刀具、工件等設(shè)備組成閉環(huán)系統(tǒng)。通過在線檢測裝置將測得的工件尺寸變化量經(jīng)信號轉(zhuǎn)換和放大后送至控制器，控制執(zhí)行機構(gòu)對加工過程進(jìn)行控制。52（1）自動檢測指主動自動檢測，即加工中測量儀與機床、5353545455（2）機床監(jiān)測機床監(jiān)測的基本方法是檢測系統(tǒng)從機床上安裝的傳感元件獲得有關(guān)機床、產(chǎn)品以及加工過程的數(shù)據(jù)，將機床上反饋來的監(jiān)測數(shù)據(jù)與機床輸入的技術(shù)數(shù)據(jù)相比較，并利用比較的差值對機床進(jìn)行優(yōu)化控制。

監(jiān)測數(shù)據(jù)一般為實時輸入和連續(xù)傳輸?shù)男畔⒘?。?）自適應(yīng)控制指加工系統(tǒng)能自動適應(yīng)客觀條件的變化而進(jìn)行相應(yīng)的自我調(diào)節(jié)。55（2）機床監(jiān)測機床監(jiān)測的基本方法是檢測系統(tǒng)從機床上安56對一些采用調(diào)整法進(jìn)行加工的機床，工件的尺寸精度主要取決于機床本身的精度和調(diào)整精度。當(dāng)工件的精度要求較高，而切削工具磨損較快時，則機床工作時間不長，工件的尺寸精度就會顯著下降。刀具磨損是直接影響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須經(jīng)常停機調(diào)刀，又會影響加工效率。必須采取措施來解決加工中工件的自動測量和刀具的自動補償問題。 2.自動補償56對一些采用調(diào)整法進(jìn)行加工的機床，工件的尺寸精度主要取決于57加工尺寸的自動補償多采用尺寸控制原則，在不停機的狀態(tài)下，以檢測的工件尺寸作為信號，控制補償裝置，實現(xiàn)脈動補償。57加工尺寸的自動補償多采用尺寸控制原則，在不停機的狀態(tài)下，585859

在機械加工過程中最為常見的故障便是刀具狀態(tài)的變化。刀具狀態(tài)識別、檢測與監(jiān)控是加工過程檢測與監(jiān)控最為重要最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。刀具狀態(tài)的識別、檢測乃至監(jiān)控對降低制造成本、減少制造環(huán)境的危害，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有十分重要的意義。第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測59在機械加工過程中最為常見的故障便是刀具狀態(tài)的變化。第三60一、刀具的自動識別刀具的自動識別主要是在加工過程中能在線識別出切削狀態(tài)（刀具磨損、破損、切屑纏繞以及切削顫振等）。刀具狀態(tài)識別的方法：基于時序分析刀具破損狀態(tài)識別、基于小波分析刀具破損狀態(tài)識別、基于電流信號刀具磨損狀態(tài)識別基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)刀具磨損狀態(tài)識別等方法。60一、刀具的自動識別刀具的自動識別主要是在加工過程中能在線61

在自動化的制造系統(tǒng)中，必須設(shè)置刀具磨損、破損的檢測與監(jiān)控裝置，以防止發(fā)生工件成批報廢和設(shè)備損壞事故。

（1）直接測量法直接測量法就是直接檢測刀具的磨損量，并通過控制系統(tǒng)控制補償機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的補償，保證各加工表面應(yīng)具有的尺寸精度。

二、刀具尺寸測量控制系統(tǒng)1-刀柄參考表面2-磨損測量傳感器3-測量裝置4-刀具觸頭61 在自動化的制造系統(tǒng)中，必須設(shè)置刀具磨損、破損的檢62（2）間接測量法刀具的磨損區(qū)往往很難直接測到，常常通過測量切削力切削力矩、切削溫度、振動參數(shù)、噪聲和加工表面的粗糙度等來判斷磨損程度。根據(jù)切削力的變化判別刀具的磨損程度的。對于加工中心而言測量裝置是無法裝在刀具上，一般情況下，就裝在主軸的軸承上，這種軸承稱為測力軸承。通過測量測力軸承的受力情況來確定刀具的磨損情況。62（2）間接測量法刀具的磨損區(qū)往往很難直接測到，常常通過測63

隨著柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）等自動化加工系統(tǒng)的發(fā)展，對加工過程刀具切削狀態(tài)的實時在線監(jiān)測技術(shù)的要求越來越迫切。原來由人觀察切削狀態(tài)，判別刀具是否磨、破損的任務(wù)改由自動監(jiān)控系統(tǒng)來承擔(dān)。因此該系統(tǒng)的好壞，直接影響加工自動化系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時還會造成重大事故。據(jù)統(tǒng)計，采用監(jiān)控技術(shù)后，可減少人和技術(shù)因素引起故障停機時間75%。目前，刀具的監(jiān)控主要集中在刀具壽命、刀具磨損、刀具破損以及其它形式的刀具故障等方面。

（1）刀具壽命自動監(jiān)控刀具壽命檢測原理是通過 對刀具加工時間的累計，直接監(jiān)控刀具的壽命。（2）刀具磨損、破損的自動監(jiān)控三、刀具的自動監(jiān)控63 隨著柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（C64一、監(jiān)控系統(tǒng)的組成、要求和分類 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。第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)測

1.組成自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)主要由信號監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)識別、決策和控制四個部分組成，如圖5-15所示。（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。64一、監(jiān)控系統(tǒng)的組成、要求和分類第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)65

（2）特征提取特征提取是對檢測信號的進(jìn)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。 （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(jìn)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(dǎo)下對加工狀態(tài)中出現(xiàn)的故障做出判決，并進(jìn)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(zhǔn)確、適應(yīng)性強。65 （2）特征提取特征提取是對檢測信號的進(jìn)一步加工處66 2.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)具有的三個主要任務(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； （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(jìn)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。66 2.要求67二、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(dǎo)致嚴(yán)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。

加工設(shè)備的自動監(jiān)控與故障診斷主要有四個方面的內(nèi)容：（1）狀態(tài)量的監(jiān)測狀態(tài)量監(jiān)測就是用適當(dāng)?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)。67二、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68

（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(jìn)行適當(dāng)?shù)男畔⑻幚?，判斷是否出現(xiàn)設(shè)備異常的信號。 （3）設(shè)備故障原因的識別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(jìn)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(jìn)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。68 （2）加工設(shè)備運行異常的判別運行異常的判別是69一、無損探傷檢測技術(shù) 無損探傷檢測是在不破壞或損傷原材料和工件等受檢對象的前提下，測定和評價物質(zhì)內(nèi)部或外表的物理和力學(xué)性能，包括各類缺陷和其他技術(shù)參數(shù)的綜合性應(yīng)用技術(shù)，對于控制和改進(jìn)生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量，保證材料、零件和產(chǎn)品的可靠性及提高生產(chǎn)率起著關(guān)鍵的作用，是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)必不可少的重要技術(shù)措施之一。無損探傷檢測技術(shù)在材料加工、零件制造、產(chǎn)品組裝直至產(chǎn)品使用的整個過程中，不僅起到保證質(zhì)量、保障安全的監(jiān)督作用，還在節(jié)約能源及資源、降低成本、提高成品率和勞動生產(chǎn)率方面起到積極的促進(jìn)作用。第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)69一、無損探傷檢測技術(shù)第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)70

無損探傷檢測作為一項工業(yè)技術(shù)，從應(yīng)用角度來說，主要有三種形式： 一是在生產(chǎn)過程質(zhì)量控制中的無損檢測，即應(yīng)用于產(chǎn)品的質(zhì)量管理。它可以剔除每道生產(chǎn)工序中的不合格產(chǎn)品，并把檢測結(jié)果反饋到生產(chǎn)工藝中去，指導(dǎo)和改進(jìn)生產(chǎn)，監(jiān)督產(chǎn)品的質(zhì)量。 二是用于成品的質(zhì)量控制，即用于出廠前的成品檢驗和用戶驗收檢驗。它主要是檢驗產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)計性能，能否安全使用。 三是在產(chǎn)品使用過程中的檢測，即維護(hù)檢驗。它是用戶在使用產(chǎn)品或設(shè)備的過程中，經(jīng)常地或定期地檢查是否出現(xiàn)危險性缺陷而采用無損檢測方法。70 無損探傷檢測作為一項工業(yè)技術(shù)，從應(yīng)用角度來說，主要有711.磁粉探傷檢測 磁粉探傷檢測是通過鐵磁性材料的磁性變化來探測鐵磁性材料工件表面和近表面是否有缺陷的一種無損檢測方法。它具有設(shè)備簡單、操作方便、檢驗速度快、觀察缺陷直觀和有較高的檢測靈敏度等優(yōu)點。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

磁粉探傷檢測可以檢測鐵磁性材料和構(gòu)件的表面或近表面的缺陷，對裂紋、發(fā)紋、折疊、夾層和未焊透等缺陷較為靈敏，通常采用交流電磁化可以檢測表面下2mm以內(nèi)的缺陷，采用直流電磁化可以檢測表面下6mm以內(nèi)的缺陷。711.磁粉探傷檢測 磁粉探傷檢測可以檢測鐵磁性材料72

磁粉檢測設(shè)備有固定式、移動式和手提式三種類型，對各種大小不同的零部件、結(jié)構(gòu)件、裝置和設(shè)備都可以進(jìn)行檢查。建立磁場的方式有恒磁法和電磁法，前者使用永久磁鐵，后者利用電流的磁場，顯示介質(zhì)主要是磁粉和磁懸液。

磁粉探傷的優(yōu)點主要有：（1）顯示直觀，磁痕一般比裂紋尺寸大，易于觀察。（2）探測靈敏度高，最小缺陷寬度可達(dá)0.1微米。（3）適應(yīng)性好，對于幾何形狀復(fù)雜的工件，可以采用不同的磁化方法，對工件進(jìn)行有效的全面檢查。（4）設(shè)備簡單，成本低，操作方便，效率高。

其缺點是：（1）只限于鐵磁性材料的檢查，主要包括碳鋼、高強度合金鋼、電工鋼。（2）只能夠檢查工件的表面及近表面缺陷。（3）不能定量測出缺陷的深度。（4）必須用人眼來觀察，易造成操作人員的疲勞。72 磁粉檢測設(shè)備有固定式、移動式和手提式三種類型，對各種73 2.超聲波探傷檢測 超聲波探傷檢測可探測厚度較大的材料，且具有檢測速度快、費用低并能對缺陷進(jìn)行定位和定量，對人體無害及對危害較大的平面缺陷的探測靈敏度高等優(yōu)點，在生產(chǎn)實踐中已獲得了廣泛的應(yīng)用。

超聲波用于無損探傷檢測，主要是因為具有以下特性： （1）超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到界面會發(fā)生反射； （2）超聲波指向性好，頻率愈高，指向性愈好； （3）超聲波傳播能量大，對各種材料的穿透力強。而 且超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性為超 聲波的應(yīng)用提供了豐富的信息。73 2.超聲波探傷檢測 超聲波用于無損探傷檢測，主要是74

超聲波檢測的最大優(yōu)點就是對裂紋、夾層、折疊、未焊透等類型的缺陷具有很高的檢測能力。超聲波檢測也有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：超聲波檢測的記錄性差，無法比較直觀地判斷缺陷的幾何形狀、尺寸和性質(zhì)；超聲波檢測技術(shù)難度較大，其效果和可靠程度往往受到操作人員技術(shù)水平的影響。

超聲波檢測對于平面狀的缺陷如裂紋，只要波束與裂紋平面垂直，就可以獲得很高的缺陷回波。但是對于球狀缺陷如氣孔，假如氣孔不是很大，或不太密集，就難以獲得足夠的回波。74 超聲波檢測的最大優(yōu)點就是對裂紋、夾層、折疊、未焊透等753.射線探傷檢測 射線就是指X射線、α射線、β射線、γ射線、電子射線和中子射線等，其中X射線、γ射線、中子射線易于穿透物體，但在穿透物體的過程中受到吸收和散射。因此，其穿透物體后的強度就小于穿透前的強度。衰減的程度由物體的厚度、材質(zhì)以及射線的種類而定。當(dāng)厚度相同的板材含有氣孔時，有氣孔的部分不吸收射線，容易通過。相反如果混進(jìn)容易吸收射線的異物時，這些地方的射線難于通過。因此，用強度均勻的射線照射被檢測的物體，使透過的射線在照相膠片上感光，把膠片顯影后就可得到與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對應(yīng)的黑度不同的圖像，即射線底片，通過對這種底片的觀察來檢驗缺陷的種類、大小、分布狀況等，這種檢驗就稱為射線照相法探傷檢測。此外還有電離檢測法和熒光屏直接觀察法。753.射線探傷檢測76射線探傷檢測的優(yōu)點： （1）對缺陷形象檢測直觀，對缺陷的尺寸和性質(zhì)判斷比較容易，便于分析處理。 （2）射線照相底片可作為原始的資料長期保存。 （3）利用圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)缺陷評定分析自動化。射線