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检测过程自动化12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。一、制造过程的检测技术3▲机械加工系统——在不同的生产条件下，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。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。一、制造过程的检测技术4▲机械加工系统——在不同的生产条件下，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。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。5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；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；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。6▲检测方法——直接测量与间接测量——接触测量和非接触测量——在线测量和离线测量直接测量：测量时，直接从测量器具上读出被测几何量的大小值，测量过程迅速，应用广泛。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。谁的测量误差大？7接触式检验。测量器具的测量头直接与被测对象的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上。非接触式检验。测量器具的测量头不与被测对象表面接触，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，没有因为测头与被测对象接触发生磨损而产生的误差，故在现代制造系统中，具有明显的优越性。8在线测量：在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测。通常还得对测得数据进行分析处理，再反馈控制系统调整加工过程，可实现自动化测量。离线测量：在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。需人工干预将测量结果输入控制系统，以调整后续加工过程。9直接测量间接测量接触式测量非接触式测量在线测量离线测量直接测量误差小非接触测量精度高在线监测可实现自动检测与监控10▲检测装置——检测对象不同，检测要素不同，检测手段不同，检测装置也不同针对产品的检测针对加工设备的检测尺寸（精度）、形状（精度）、表面粗糙度等测谁的信息？谁的哪方面的信息？谁去测？刀具磨损量、温升、振动、变形等人工检测自动检测人工检测：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。11▲检测装置—自动检测装置的检测范围从制品（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。▲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。12▲检测装置—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；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：噪声频谱、红外发射、探针测量等测量装置；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。13▲自动检测的类型1．产品精度检测（被动检测）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（1分为合格品与废品；2合格品分组）。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）检测对象一般是加工设备和生产工艺过程。目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。14二、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。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2.在线检测151.离线检测在自动化制造系统生产线以外进行检测（其检测手段可以是人工或自动），其检测周期长，难以及时反馈质量信息。2.在线检测分为工序间检测与最终工序检测。工序间检测可实现加工精度的在线检测及实时补偿。（可在后续加工工序中进行补偿，以保证此产品的尺寸精度）。最终工序检测对已加工完成的产品进行检测，找出误差产生的原因，调整加工过程。（以保证下一个产品的尺寸精度）16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：随机误差和系统误差。随机误差：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中相互交错、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。17系统误差：系统误差的产生一般与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？系统误差系统误差包括哪些？18影响加工尺寸的因素一般说来有以下几种原因：1、切削热引起刀具的伸长，使得加工尺寸与理论尺寸有差别；2、切削热引起工件的膨胀；3、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；4、刀具磨损对加工精度的影响。5、机床导轨的几何精度。实时在线测量19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，从而控制加工过程（如刀具补偿、停车等）。图6-4磨削加工中自动测量原理方框图20三坐标测量机三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）又称计算机数控三坐标测量机，是一种新型高效的精密测量仪器。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。21三坐标测量机▲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。检测装置独立于机床，工件需在机床与检测装置之间运输22三坐标测量机▲测量——在数控程序的控制下，三维测头沿被测工件表面移动，移动过程中，测头及光学的或感应式的测量系统将工件的尺寸记录下来，计算机根据记录的测量结果，按给定的坐标系统计算被测尺寸。▲使用要求（对环境的要求）——由于它的测量精度及可靠性与周围环境的稳定性有关，故其对使用环境要求较高。CMM必须安装在恒温的环境中，并要防止敞露的表面和关键部位收到污染。23三维测头的使用▲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进行测量，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，使用时取出装入主轴孔中。工件经过高压切削液冲洗，并用压缩空气吹干后进行检测。24三维测头的使用图6-7数控机床的三维测头图6-8三维测头自动测量系统原理测头的测量杆接触工件表面后，通过感应式或红外传送式传感器将信号发送到接受器，然后送给机床控制器，计算机控制系统根据位置检测装置的反馈数据得知接触点的位置坐标，通过相关软件进行计算和处理，达到不同的测量目的。25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。图6-9激光测径仪原理图▲工作原理——氦氖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V上。26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6-10（a）。脉冲宽度T与同步电机的转速、透镜L4的焦距多面棱镜的结构有关。若有被测件，则波形如6-10（b），其中脉冲宽度T’与被测件的尺寸（钢管的直径）成正比。图6-10激光测径仪波形图图6-9激光测径仪原理图27机器人辅助测量▲机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，特别适合自动化制造系统中的工序间和过程测量。▲机器人辅助测量分为直接测量和间接测量：直接测量称为绝对测量，它要求机器人具有较高的运动精度和定位精度，因此造价也较高；间接测量也称为辅助测量，特点是测量过程中机器人坐标运动不参与测量过程，它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。图6-11机器人辅助测量28磨床专用自动测量装置三坐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。29加工过程的自动在线检测和补偿自动在线检测▲定义——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。▲分类（检测范围与深度不同）——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。检测工件尺寸的变化量。——机床监测：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。——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。30▲实现在线检测的方法——一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——在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。31加工过程的自动在线检测和补偿自动补偿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。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精度就必须经常停机调刀，又会影响加工效率。必须采取措施来解决加工中工件的自动测量和刀具的自动补偿问题。刀具处于正常磨损状态32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。图6-12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-