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自动化制造系统主要内容第一节制造过程的检测技术第二节工件尺寸的自动测量第三节刀具状态的自动识别和监测第四节加工设备的自动监测第五节相关检测技术练习与思考第六章检测过程自动化检测是企业产品质量管理的技术基础，也是制造系统不可缺少的一个重要组成部分。在机械加工过程中应用检测技术，可以保障高投资自动化加工设备的安全和产品的加工质量，避免重大的加工事故，提高生产率和机床设备的利用率。随着现代制造技术、自动控制技术、计算机技术、人工智能技术以及系统工程技术的发展，各种新型刀具、材料及昂贵的加工设备的使用更加大了检测的难度，传统的人工检测技术已远远不能满足生产加工的要求。因此，各种先进的自动化检测技术和识别技术应运而生。第一节制造过程的检测技术一、基本概念▲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。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。图6-1机械加工系统的基本概念▲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、工艺的或物理的。▲检测与组成加工系统之间的关系：——定位子系统——运动子系统——能量子系统——检测子系统——控制子系统图6-2机械加工系统的组成▲主动检测与被动检测——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。▲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天体的温度测量，山峰高度的测量，海底深度测量在线测量-工序间和最终工序检测二、检测装置▲检测要素——产品的检测要素：精度、粗糙度、形状、缺陷等；——对加工设备的检测要素：切削负荷、刀具磨损及破损、温升、振动、变形等。▲检测手段——人工检测：主要是人操作检测工具，收集分析数据信息，为产品质量控制提供依据；——自动检测：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测工件及设备的参数，为控制系统提供必要的数据信息。▲检测工具——用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置；——用于工件表面粗糙度检测用的检测装置；——用于刀具磨损或破损的监测用的测量装置。——用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置；——用于工件表面粗糙度检测用的检测装置；三、自动化检测类型▲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。▲产品精度检测：在工件加工完成后，按验收的技术条件进行验收和分组。▲工艺过程精度检测：在生产工艺过程中，根据检测结果比较最终工件的尺寸要求，并通过检测装置，自动地控制机床的加工过程。一、工件尺寸的检测方法第二节工件尺寸的自动测量1.离线检测在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.在线检测在线测量又分为工序间（循环内）检测和最终工序检测。这是在工序内部，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。不足：（1）测头简单不能更换测尖和转位（2）数据处理能力差（3）受制机床元件精度，测量精度低方法：（1）安装在主轴上（2）安装在机床工作台上▲工件的尺寸、形状误差类别——随机误差和系统误差两种。二、工件尺寸自动测量装置图6-3工件尺寸、形状的在线检测手段▲工件尺寸、形状在线测量手段CNC圆度、圆柱度测量仪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。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。图6-4磨削加工中自动测量原理方框图2.三坐标测量机▲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。▲测量——在数控程序的控制下，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。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在托盘上的安装位置是否正确，毛坯尺寸是否过大或过小。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。图6-6悬臂式三坐标测量机的示意结构3.三维测头的应用将三维测头安放于机床刀库中，在需要检测工件时由机械手取出并和刀具一样进行交换装入机床的主轴孔中。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，由控制软件对信号进行必要的计算和处理。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加工中心三维测头4.激光测径仪▲激光测径仪是一种非接触式测量装置。▲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。▲工作原理图6-9激光测径仪原理图图6-10激光测径仪波形图用于轧制钢管和钢棒等热轧生产线5.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CAV分析轮廓度检测数模与实物比对三、加工过程的在线检测和补偿1.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——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。——机床监测：即对加工设备状态进行监视。——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。全自动在线测量仪▲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。2.自动补偿▲在机械加工系统中，刀具磨损是直接影响被加工工件尺寸精度的因素。▲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-控制线路7-分类机8-合格▲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。▲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。▲误差补偿运动实现的方式——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。——软件补偿：通过补偿软件实现对设备几何误差和热变形误差的修正控制。▲超前补偿图6-13被加工工件的尺寸分布与补偿一、刀具状态的自动识别第三节刀具状态的自动识别和监测▲什么是刀具状态的自动识别？指对刀具切削状态的识别。主要是在加工过程中能在线识别出切削状态（刀具磨损、破损、切屑缠绕以及切削颤振等）。▲常用的监测刀具状态的方式——功率检测——声发射检测——学习模式——力检测▲钻头磨损状态的识别1.钻头磨损状态划分根据钻削过程的要求，把刀具磨损量分为A、B、C三类，各类的平均磨损量分别为：0.2mm、0.5mm、0.8mm。2.电流信号模型321aaassdfvkI321bbbffdfvkI图6-14钻削电流神经网络模型图6-15刀具磨损状态识别方法示意图3.刀具磨损状态识别原理二、刀具状态的监测▲刀具磨损监测方法（表6-1）▲刀具破损监测方法（表6-2）▲实际应用方法——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。——间接测量法：就是根据切削加工过程中切削力、切削功率等参数的变化来判断刀具的正常磨损与异常损坏。图6-16镗刀磨损测量1-刀柄参考表面2-磨损测量传感器3-测量装置4-刀具触头三、刀具的自动监控▲刀具的监控主要集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其他形式的刀具故障等方面。▲刀具寿命自动监控——通过对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。——通过调用统计的“净功率—时间”曲线和可变时钟频率信号来适应不同的刀具和切削用量，实现刀具寿命监控。▲刀具磨损、破损的自动监控——振动、激光、声发射（AE）图6-17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-车刀图6-18声发射钻头破损监测装置原理图一、监控系统的组成、要求和分类第四节加工设备的自动监测1.组成自动化加工监控系统主要由信号检测、特征提取、状态识别、决策和控制等四个部分组成。——信号检测：从不同角度反映加工状态的变化。——特征提取：从大量检测信号中提取出与加工状态变化相关的特征参数。——状态识别：通过建立合理的识别模型，根据所获取加工状态的特征参数对加工过程的状态进行分类判断。——决策与控制：根据状态识别的结果，在决策模型指导下对加工状态中出现的故障做出判决，并进行相应的控制和调整。图6-19加工过程监控系统一般结构2.要求▲自动化加工监控系统的任务——对加工过程、机床以及刀具工况进行监控。▲必须满足的要求：——需要满足对加工过程中多个状态变量的监控；——必须监测振动情况，在多轴加工的情况下，还必须选择观测方向；——系统中必须采用相应的识别控制程序对加工过程出现的异常状态进行识别；——必须监测加工过程的初始条件。二、加工设备的故障诊断▲监控的目标——检测并诊断故障。▲诊断的定义——所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。▲内容：——状态量的监测：就是用适当的传感器实时监测设备运行状态是否正常的状态参数。——加工设备运行异常的判别：是将状态量的测量数据进行适当的信息处理，判断是否出现设备异常的信号。——设备故障原因的识别：找出加工设备发生故障的地点及原因。——控制决策：就是对设备进行检修，排除故障，保证设备能够正常工作。状态监测是故障诊断的基础，故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，而控制决策是在监测和诊断基础上做出的，三者之间必须紧密集成在一起。一、无损探伤检测技术第五节相关的检测技术▲什么是无损探伤检测？就是在不破坏或损伤原材料和工件等受检对象的前提下，测定和评价物质内部或外表的物理和力学性能▲应用形式——一是在生产过程质量控制中的无损检测，即应用于产品的质量管理。——二是用于成品的质量控制，即用于出厂前的成品检验和用户验收检验。——三是在产品使用过程中的检测，即维护检验。▲常见的几种探伤检测手段1.磁粉探伤检测▲磁粉探伤检测是通过铁磁性材料的磁性变化来探测铁磁性材料工件表面和近表面是否有缺陷的一种无损检测方法。▲特点——设备简单、操作方便、检验速度快、观察缺陷直观和有较高的检测灵敏度。▲适用场合——适用于检测铁磁性材料及其合金，主要是铁、钴、镍及其合金。见表6-3。▲检测设备类型——固定式、移动式和手提式三种类型。▲检测原理——基于通电导体周围产生磁场时的电磁感应现象在检测中的应用。图6-20磁粉探伤原理▲磁粉探伤的优点——显示直观，磁痕一般比裂纹尺寸大，易于观察；——