第5章 制造系统检测过程自动化

第五章制造系统检测过程自动化主要内容5.1概述5.2工件尺寸精度的检测和控制5.3刀具工作状态的检测和控制5.4自动化加工过程的检测和监控5.5相关的检测技术检测是科学研究的基本方法•表达与验证科学理论与规律•我国论文引用率0.1%，世界水平为4%,原因之一是缺乏实验测试数据•测试技术、计算机技术、通信技术是三大信息技术检测是工程技术领域中一个重要的技术•新工艺、新产品均离不开检测•装备系统越先进、自动化程度越高、对检测技术要求越高•检测成本已达到装备成本的50%~70%5.1概述一、自动化检测的目的和意义机械产品的灵魂是检测系统一架飞机需要3600只传感器及其配套的监测仪器一辆汽车需要30～150只传感器中央控制高性能传感器的集合体——“阿波罗10”（3295个检测点）•温度传感器559个•压力传感器140个•信号传感器501个•遥控传感器142个例子：传送带速度检测要求:传送带的速度要在现场显示出来，用于控制研究精度和灵敏度要求不高，降低成本很重要传感器的选择显示方式的选择需要解决的问题后续测量系统的设计系统的效能分析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。自动化检测在自动化制造系统中的意义工件的质量控制加工工艺过程监测加工过程优化设备正常运行检测与加工系统之间的关系1、工业自动化中的应用在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器密歇根大学的机械手装配模型机器狗二、应用b)AGV自动送货车超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别香港理工AGV模型c)生产加工过程监测切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等2、流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测3、产品质量测量在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验汽车出厂检验原理框图：测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量汽车扭距测量机床加工精度测量三、自动化检测的内容1、概念：自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。2、任务：质量控制（剔除废品）监控（反馈给控制系统，实现自适应控制）3、主要的研究内容：测量原理、测量方法、测量系统、数据处理被动测量主动测量在线检测离线检测（工位状况、设备工作状态、工艺过程、材料零件传送过程）4、自动检测信号的选择●原则1）信号准确可靠地反映被测对象的实际状态；2）信号便于实时和在线检测；3）检测设备的通用性和经济性。●常用信号1）尺寸和位移；2）力和力矩；3）振动；4）温度；5）电流；6）光信号；7）声音。四、实现自动化检测的途径1）在机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的在线检测；2）在自动线中设置专门的自动检测工位；3）设置专门的监测装置；4）用机器人进行辅助测量。一、检测方法5.2工件尺寸精度的检测和控制1.离线检测:2.过程中检测（视频）:缺点：检测周期长，难以及时反馈质量信息检测结果直接输入机床数控系统，修正机床运动参数，保证工件加工质量生产线外检测在工序内部，即工步或进给之间测头安装在主轴或刀架上测头安装在机床工作台或床身上缺点：测头形式简单，长度有限，只有一个测尖数据处理能力差测量精度低▲主要手段:利用坐标测量机综合检测经过加工后机械零件的几何尺寸与形状位置精度。▲误差类别:随机误差系统误差3.在线检测二、零件加工尺寸的测量装置1、长度尺寸的测量测量长度的量仪按测量原理分：机械式、光学式、气动式和电动式。1）气动量仪★原理：将测盘的微小位移量转变成气流的压力、流量或流速的变化，通过测量这种气流的压力或流量变化，用指示装置指示出来，作为量仪的示值或信号。适用于大中批量指示转换部分测头★组成：压力型流量型（1）压力型量仪：薄膜式、波纹管式、水柱式薄膜式用工件尺寸的变化引起气动量仪内气体压力的变化，从而推动指示表指针发生偏转指示转换部分波纹管式水柱式自动化制造系统（2）流量型量仪：测头气动量仪在测量不同对象时必须配备相应的测头，根据测量方式不同可分为：接触式和非接触式自动化检测中主要采用图5.5非接触测量头结构型式2）电动量仪传感器（电感和互感或电容传感器）指示放大部分★组成：3）三坐标测量机▲组成工作台三维测量头坐标位移测量装置计算机数控装置▲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。▲使用加工前测量加工后测量毛坯在托盘上的安装位置毛坯尺寸是否过大或过小加工部位的尺寸和相互位置精度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。4）激光测径仪非接触式测量装置组成激光电源氦氖激光器同步电动机多面棱镜透镜光电转换器件整形放大脉冲合成填充计数微型计算机显示器电源光学机械系统电路系统2、零件加工表面的自动测量零件加工表面的几何结构由形状、波度和粗糙度组成。粗糙度一直是设计和检验零件表面质量的主要标准。检测粗糙度的方法：1）接触式轮廓仪/粗糙度计或比较样板2）光学探针3）激光4）光纤（可实现加工中测量）均未实现在线自动测量图中机床、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。3、加工过程中的主动测量1）定尺寸点接触式测量装置（主要用在磨削加工中）2）气动式主动测量装置3）激光测量一、刀具尺寸控制系统5.3刀具工作状态的检测和控制1、概念：刀具尺寸控制系统是指加工时对工件已加工表面进行在线自动检测。当刀具因磨损等原因使工件尺寸变化而达到某一预定值时，控制装置发出指令，操纵补偿装置，使刀具按照指定值进行微量位移，以补偿工件尺寸的变化，使工件尺寸控制在公差范围内。2、组成：自动测量装置控制装置补偿装置1、补偿概念:指在两次换刀之间进行的刀具多次微量调整(脉动补偿)，以补偿刀刃因磨损对工件加工尺寸带来的影响2、误差补偿运动实现的方式硬件补偿：软件补偿：由测量系统和伺服驱动系统实现的误差补偿运动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3、补偿量：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二、刀具补偿装置的工作原理方法：直接法：间接法：测量切削加工过程中发出的与刀具状态有内在联系的各种信号，如力、温度、功率、振动及噪声等.方法有：切削力法、振动法、声发射法测量与刀具材料体积损失有关的量，如刀具径向尺寸变动量、后刀面的磨损宽度、工件尺寸变化等，方法有光学图像法、电阻法、放射性技术、接触法（视频）三、刀具磨损和破损的检测和监控1、切削力法1）选择切削力的原因切削力对刀具的破损和磨损十分敏感：当刀具磨钝或轻微破损时——切削力会逐步增大；当刀具突然崩刃或破损时——切削力会突然增大2）判断依据三个切削力：进给力Ff——最敏感吃刀抗力Fp——次之主切削力Fc——最不敏感正常切削时：Ff/Fc=40%,Fp/Fc=28.2%，当比值高出13%刀具损坏3）目前难题①切削过程复杂，影响切削力的因素很多，很难把刀具磨损和破损区分开；②在安装测力装置时，需要改变机床结构，使调整和维修不方便，不易为用户所接受2、振动法振动信号包含与刀具状态密切相关的信息。优点：传感器选用加速度传感器，传感器通过磁力直接吸附在工件表面，安装方便障碍：安装位置不同对信号会产生不同的影响；刀具正常磨损与异常磨损界限不明确；正确选择振动参数和排除干扰因素的敏感频段总体上电流随已加工孔数的增加而增加，当出现过度磨损（需要换刀）时，电流值并不比之前增加多少，容易引起漏判3、声发射法1）原理：简称AE，是公认的最有潜力的新型监控技术之一固体材料受外力或内力作用而产生变形、破裂或相位改变时以弹性力波的形式释放能量，刀具正常磨损状态——典型的连续信号破损——非连续型突发信号2）优点：声发射频率很高，一般在50以上，能够避开加工过程中的振动和噪声等低频段利用小波分解方法对信号进行滤波建立模型一、监控系统的组成、要求和分类5.4自动化加工设备的功能监控和故障诊断1.组成从不同角度反映加工状态的变化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。信号检测:特征提取:状态识别:决策和控制2.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。▲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：二、加工设备的故障诊断--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。▲监控的目标:检测并诊断故障▲诊断的定义:对设备的运行状态做出判断▲内容：5.5相关的检测技术1.磁粉探伤检测3.射线探伤检测4.涡流探伤检测2.超声波探伤检测一.无损探伤检测技术二.气密性检测技术主要内容质量管理:在生产过程质量控制中的无损检测。成品检验和验收检验:用于成品的质量控制。维护检验:在产品使用过程中的检测。▲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▲无损检测无损探伤无损检测无损评价一.无损探伤检测技术▲常用的无损检测方法目视检测VisualTesting（缩写VT）；超声检测UltrasonicTesting（缩写UT）；射线检测RadiographicTesting（缩写RT）；磁粉检测MagneticparticleTesting（缩写MT）；渗透检测PenetrantTesting（缩写PT）；涡流检测EddyCurrentTesting（缩写ET）；声发射Acousticemission（缩写AE）。▲无损检测培训与无损检测人员资质认证国内：中国无损检测学会通过国内的相关学会获得NDT对应资质：中国特种设备检验协会、核工业无损检测中心、中国机械工程学会、铁道部、中国船级社国外：◢美国培训体系：SNT-TC-1A,ASNT美国无损检测学会,ACCP◢欧洲无损检测培训体系：BINDT英国无损检测学会、瑞典无损检测学会，（EN473标准下的认证）。必维国际检验集团、SGS（中国）获得了欧盟国家的无损检测协会授权，在中国大陆开展相关的培训考核▲概念：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▲原理（磁粉探伤机检测线）1、磁粉探伤▲优点▲缺点仅适用于铁磁性材料仅能显出缺陷的长度和形状，而难以确定其深度对剩磁有影响的一些工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的检验非常有效设备和操作均较简单检验速度快，便