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1、2023-2-111第五章加工过程的检测自动化第五章加工过程的检测自动化第一节概述为何要实现监测自动化？目的：利用各种自动化的监测装置，自动地对加工对象的有关参数及工艺过程不断地进行在线检测，及时地对制造过程中被加工工件质量进行控制，确保制造系统的正常运行。实现监测自动化的优点：实现检测自动化，消除了人为误差，使检测结果稳定可靠;由于采用了先进的在线监测仪器，实现了动态监测，提高了检测精度；加工工艺过程与自动测量过程重合，大大地降低了辅助时间，提高了劳动生产率;节约了制造成本.2023-2-112监测的内容：对被加工工件的精度监测与控制；对刀对刀具工作状态的在具工作状态的在线监测与控制线监测与
2、控制；对加工对象的加工过程在线监测与控制。检测自动化的检测自动化的分类分类：按装置本身的构造分为：机械式（膜片式，波纹式等）和电气式（电容式，互感式）按测量头与工件表面的接触程度分为：接触式（三坐标测量仪等）和非接触式（激光）等2023-2-113自动化自动化检测实现的途径检测实现的途径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。如在数控磨床上安装在线检测装置在自动线中设置专门的自动检测工位，即在某道加工工序刚一完成就立即进行在线检测。如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置。设置专门的监测装置。如轴承中使用的钢珠、滚针，连杆的秤重。在柔性系统使用的测量机器人。2023-2-114第二节
3、第二节工件尺寸精度的检测和控制工件尺寸精度的检测和控制 工件尺寸精度检测和控制尺寸精度检测和控制方法：如加工工件尺寸超差，如继续加工将导致很大的经济损失。要避免这种情况，就得边加工边检测，但一般情况，直接做非常困难，都是通过间接的方法，通过检测状态参数，如切削速度、进给量和切削深度等参数，对毛坯尺寸等间接检测工件尺寸的变化。在正常情况下影响加工精度的还有刀具磨损、切削热变形、以及工件及其刀具组成的动态系统，找出各种因素对加工精度的影响规律（一般关系都非常复杂），根据状态参数确定工件的加工状况（加工精度）。2023-2-115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
4、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作用下的动态变形；4 刀具磨损对加工精度的影响。2023-2-116一、长度尺寸的测量长度尺寸测量的按仪器的原理分为：机械包括（气动、电动）和光学。1 气动测量仪原理：将被测量尺寸的微小变化，转换成气流压力、流量和流速的变化。优点：由于气动测量仪器容易得到较大的放大倍率，所以测量精度过高；采用非接触式测量，操作方便；使用灵活，易实现小型化。常用的气压型仪器和流量型仪器气动测头的原理测量尺寸范围与喷嘴小孔直径的关系。工件加工尺寸的测量方法与装置2023-2-1171）气压型仪器有：薄膜式气动测量仪器（具体结构
5、见图5-1）、波纹管气动测量仪（具体结构见图5-2）、水柱式气动测量仪（具体结构见图5-3） 2023-2-118水柱式气动测量仪器（具体结构见图5-3）2023-2-119流量型气动测量仪器都是将工件尺寸的变化变成指针或浮标的运动来反映的。2）气动测头：气动测头有接触式和非接触式，而在自动化生产线上常用非接触式,下面给出了部分具体结构。流量型气动测量仪器（具体结构见图5-4）2023-2-11102023-2-11112电动测量仪器一般多用电感传感器和电容传感器：图5-7给出了电感传感器原理框图；图5-8给出了常用单电感传感器装置2023-2-1112单传感器测量传动装置2023-2-111
6、3形状精度测量气动测量仪：测量形状误差与测量长度的原理大致相同。但是电动测量仪，测量形状误差与测量长度的原理不一致的，往往要测量出最大值与最小值差的一半，大部分使用双传感器通过“和差演算”法进行测量。一般通过“和差演算”法测量同轴度、平行度、垂直度等测量同轴度2023-2-1114测量粗糙度表面粗糙度测量：气隙法：通过电容的变化来测量表面光洁度漫发射法：将漫反射能量与镜面反射的能量进行对比，来确定表面的光洁度。光纤法：是将光纤的一部分作为发射光源，另一部分作为接受光束，接受到的能量就反映了被测表面的光洁度。表面粗糙度测量2023-2-1115（四）加工过程中的主动控制在加工过程中，自动测量工件
7、的尺寸，并根据测量的结果发出相应的控制信号，控制机床的加工。一般分为直接测量法和间接测量法.直接测量法：特点：由硬质合金的触头与工件表面结合。外园磨床的自动测量装置图5-11单触测量装置；图5-12双触测量装置；内园磨床的自动测量装置图5-13、5-14内园磨床的自动测量装置；图5-15是花键轴的外园磨床的自动测量装置（2）间接测量法：特点：不用触头与工件直接接触，而是用预先调定的装置控制机床的行程。如图5-16 就是借用测量刀具的行程或尺寸来间接的控制工件的尺寸。2023-2-1116传感器2023-2-1117直接测量间接测量2023-2-1118主动测量装置的主要技术要求测量装置的杠杆比
8、不宜太大，测量的尺寸链不宜太长。保证测量精度与稳定性；工作时，测端触头的附件力要合适，太大会划伤工件，太小测量结果不稳定；测量触头要耐磨；测臂和测体要不能导磁，对磁性回路有影响；测量装置应当密封良好；传感器的导线要屏蔽，测量装置的设计要易于调整；2023-2-1119（五）测量机械人一般情况多使用三坐标测量仪， 不灵活，成本高等.采用机器人，可以实现直接测量法和间接测量法，一般不要配专门的测量机器人，采用通用机器人即可。2023-2-1120第三节第三节 刀具工作状态的监测和控制刀具工作状态的监测和控制刀具尺寸控制系统的概念刀具的尺寸控制系统是指刀具在加工时对工件已加工面上的尺寸进行在线自动监
9、测，刀具由于磨损等原因，会使工件的尺寸发生变化，当尺寸的变化达到设定的值时，控制装置发出指令，操纵补尝装置使刀具按指定的值进行微调来补偿工件尺寸的变化，使工件的尺寸严格的控制在公差范围之内。2023-2-1121刀具补偿装置的工作原理在金属加工过程中，刀具补偿一般采用尺寸补偿的原则，就是在工件完成加工后，自动测量其实际尺寸，当尺寸的变化达到设定的值时，控制装置发出指令，操纵补尝装置使刀具按指定的值进行微调来补偿工件尺寸的变化。自动补偿装置的组成：测量装置、信号转换装置或控制装置、补偿装置三部分组成。（具体见图5-17；尺寸公差带的补偿5-18）为了避免偶然误差，要将连续的几个补偿信号记入，然后
10、再进行补偿。2023-2-1122用加工好的工件尺寸大小确定未加工件的刀具补偿量加工内孔时尺寸公与补偿带差带考虑了加工的热变形等原因后的结果2023-2-1123刀具补偿装置的典型机构与应用采用尺寸控制原则：自动补偿装置多采用下述两种情况对于无心磨床、立式磨床和卧式双面磨床等，自动化的镗床补偿运动.其补偿运动多由补偿装置驱动砂轮和导轨座来实现。具体见图5-19将喷嘴的端面与砂轮的工作表面调平行 具体见图5-20镗孔刀具的自动补偿一般有两种形式：利用镗杆的轴线与机床主轴的偏心进行自动补偿。利用镗杆或刀架的弹性变形来实现自动补偿。对于精加工的自动化镗床多由特殊的镗杆结构来实现2023-2-1124
11、双端面磨床的自动补偿装置气动喷嘴测量装置2023-2-1125可要2023-2-1126可要2023-2-1127可要2023-2-1128第四节自动化加工过程的检测和监控第四节自动化加工过程的检测和监控刀具磨损和破损的检测和监控刀具磨损、破损检测和监控在自动化制造系统中，必须设置刀具磨损、破损的检测与监控装置，以防止可能产生的工件成批报废和设备事故。刀具磨损的检测与补偿刀具磨损的直接检测与补尝;刀具磨损的间接检测与补尝可以直接检测刀具的磨损量，并通过控制系统和补偿机构对相应的尺寸误差进行补偿 。具体见图5-262023-2-1129刀具磨损的间接检测与补尝刀具的磨损区往往很难直接测到，常常通
12、过测量切削力切削力矩、切削温度、振动参数、噪声和加工表面的粗糙度等来判断磨损程度。就是根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的。测量是对车刀进行测量对于加工中心而言测量装置是无法装在刀具上，一般情况下，就装在主轴的轴承上，这种轴承称为测力轴承。通过测量测力轴承的受力情况来确定刀具的磨损情况。具体见图5-282023-2-1130切削力检测的原理图刀具磨损的间接检测与补尝2023-2-11312023-2-1132图5-29通过检测切削过程中的振动信号来确定刀具的磨损和破损情况刀具振动磨损检测系统框图2023-2-1133图5-30通过激光检测工件表面的粗糙度，用发射光的强弱实施在线检测刀具的磨损和
13、破损。2023-2-1134根据经验法判断，刀具的寿命定在急剧磨损之前，通常用刀具的寿命减去使用时间，当下一道工序的使用时间大于剩余刀具寿命，就要换刀。 2023-2-1135刀具破损的监控方法刀具破损的监控方法1 探针式监控具体见图5-32，当有钻头折断在加工孔中，滑杆会后移，感应开关就发出信号2023-2-11362 光控式监控具体见图5-33 通过光源与光敏元件，检测光路的断通来实现。自动化加工设备的功能监控与故障诊断2023-2-11373气动式监控过程与光控式监控相同。图5-342023-2-11384电磁式监控图5-35给出了具体检验装置2023-2-11395 主电机的负荷监控由
14、于切削力矩的变化，会引起主电机的负荷发生变化，主电机功率的检测能判别刀具的破损情况。6 声发射监控在工件加工过程中，刀具的加工状态会通过切削声音随时反映出来，通过提取工件加工过程中的噪声就能判别刀具的破损。2023-2-1140自动化加工设备的功能监控与故障诊断监控系统的概念与组成切削过程的监控就是在加工状态下对工具、工件、机床和切削过程的信息进行自动检测、处理、识别、判断及状态反馈控制。其中监视检测系统的组成：切削过程参数传感器元件、信号处理元件、接口电路和识别决策单元等组成加工过程监控的内容：工序监控、工件监控、工件装夹监控、尺寸与形状误差监视、表面粗糙度的监视等机床运动过程监控的内容：包
15、括驱动系统的监控（监视机床的运动）、主轴轴承与主轴回转部件的监控（主轴回转误差）、机床状态监控（状态传感器的参数）、加工精度监控（包括机床误差、刀具误差、工件误差、夹具误差）等2023-2-1141检测与控制系统故障诊断加工设备的故障诊断包括：识别设备的现状、预测设备未来可能会出现的故障。一般由三个过程组成：状态检测（采集机床状态信息、处理状态信息、获得状态参数）、识别诊断（根据所获得的状态参数、识别机床是否正常运行以及今后的状态趋势）、决策预防（诊断异常根据状态趋势采取预防措施）等2023-2-1142监控与故障诊断传感器按检测的物理量分：有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等;按工作原理分：应变式、电压式、 电容式等柔性制造系统的监控与故障诊断FMS 的监控系统：包括：运行状态检测模块、控制信息监控模块、加工设备监控模块、加工精度检测模块和系统安全监控模块。具体见图5-37 2023-2-1143FMS 检测监控系统组成2023-2-1144FMS 故障诊断专家系统推测模型
