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1、第五章 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、基本概念一、基本概念检测技术是机械制造系统不可缺少的部分，它在机械制造领域中占有十分重要的地位。制造
2、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，如图5-2所示。1）定位子系统：建立刀具与被加工工件的相对位置。2）运动子系统：为加工提供切削速度及进给量 。3）能量子系统：为加工过程改变工件形状提供能量保证。4）检测子系统：为控制加工过程、产品质量等提供必要的 数据信息。5）控制子系统：对加工系统的信息输入和传递进行必要的 控制，以保证产品质量，提高加工效率， 降低成本。它可以是人工控制，也可以是 自动控制。对加工后的工件进行检测，仅能起到剔
3、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。检测方法按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式：（1）直接测量与间接测量（2）接触测量和非接触测量 （3）在线测量和离线测量二、检测装置二、检测装置 要实现加工过程中的各种检测都要借助于一定的检测装置。如在机械加工系统中，所需的检测要素大致可分为对产品的检测要素和对加工设备的检测要素。其中，产品所需检测要素包括精度、粗糙度、形状、缺陷等；而对加工设备所需检测要素则包括
4、切削负荷、刀具磨损及破损、温升、振动、变形等。 对于上述众多的检测项目，采用的检测手段一般可分为人工检测和自动检测两种。其中，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；而自动检测则是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。 随着自动化检测技术的发展，各种各样的自动化检测装置也应运而生。机械制造过程所使用的自动化检测装置的范围是极其广泛的。从制品（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺陷、性能等的自动测量，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
5、每一方面都离不开自动检测技术。 根据不同需要制造的各种自动检测装置，如用于工件的尺寸、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用的表面轮廓仪；用于刀具磨损或破损的监测用的噪声频谱、红外发射、探针测量等测量装置；也有利用切削力、切削力矩、切削功率对刀具磨损进行检测的测量装置。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。三、自动化检测方法三、自动化检测方法 自动化检测有如下优点：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
6、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，这是人工检测所不能胜任的。在机械加工中自动化检测方法有两种： 1产品精度检测 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。 2工艺过程精度检测 工艺过程精度检测能预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。 计算机技术和电子技术的发展应用对自动检测领域的影响是很大的，它使自动检测的范畴，从被加工工件尺寸和几何参数的静态检测，扩展到对加工过程各个阶段的质量控制；从对工艺过程的监测扩展到实现最佳条件的自适应控制检测。 自动化检测技术不仅是现代制造系统中质量管理分系统的技术基础，而且已成为现代制
7、造加工系统不可缺少的一个重要组成部分。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。一、检测方法一、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 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。第二节 加工尺寸的自动测量 2.过程中检测这种检测是在工序内部，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。3.在线检测在线检测的主要手段是利用坐标测量机综合检测经过加工后机械零件的几
8、何尺寸与形状位置精度。坐标测量机按精度可分为生产型和精密型两大类；按自动化水平可分为手动、机动和计算机直接控制三大类。在自动化制造系统中，一般选用计算机直接控制的生产型坐标测量机。 二、自动测量机构 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。在大批量生产条件下，只要将自动测量装置安装在机床上，操作人员不必停机测量工件尺寸，就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加工过程（如变换切削用量、停止进给、退刀和停车等）。其自动测量原理如图5-4所示。2.三坐标测量机 三坐标测量机又称计算机数控三坐标测量机，它是现代加工自动化系
9、统中的测量设备。三坐标测量机不仅可以在计算机控制的制造系统中直接利用计算机辅助设计和制造系统中的编程信息对工件进行测量和检验，构成设计制造检验集成系统，而且能在工件加工、装配的前、后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理。3.三维测头的应用 三坐标测量机的测量精度很高。为了保证它的高精度测量，避免因振动、环境温度变化等造成的测量误差，必须将其安装在专门的地基上和在很好的环境条件下工作。被检零件必须从加工地输送至测量机，有的需要反复输送几次，这对于质量控制要求不是特别精确可靠的零件，显然是不经济的。一个解决方法是将三坐标测量机上用的三维测头直接安装在计算机数控机床上，该机床就能象三坐标测量机那样
10、工作。 4.激光测径仪 激光测径仪是一种非接触式测量装置。常用在轧制钢管、钢棒等热轧制件生产线上。为了提高生产效率和控制产品质量，必须随机测量轧制中轧件外径尺寸的偏差，以便及时调整轧机，保证轧件符合要求。这种方法适用于扎制时对温度高、振动大等恶劣条件下的尺寸检测。 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。三、加工过程的在线检测和补偿 1.自动在线检测 自动在线检测，一般是指在设备运行、生产不停顿的情况下，根据信号处理的
11、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。只有在设备运行的状况下，才可能产生各种物理的、化学的信号以及几何参数的变化。通常这类信号和参数的变化超过一定范围时，即被认为存在着异常部位，而这些出现的信号都离不开在线检测。 在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测应用的范围和深度的不同，将自动在线检测大致分为：自动检测、机床监测和自适应控制。 （1）自动检测 指主动自动检测，即加工中测量仪与机床、刀具、工件等设备组成闭环系统。通过在线检测装置将测得的工件尺寸变化量经信号转换和放大后送至控制器，控制执行机构对加工过程进行控制。 （2）机床监测 检测系
12、统从机床上安装的传感元件获得有关机床、产品以及加工过程的信息。这类信息一般为实时输入和连续传输的信息流。机床监测的基本方法是将机床上反馈来的监测数据与机床输入的技术数据相比较，并利用比较的差值对机床进行优化控制。 （3）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。 2.自动补偿 加工过程的自动调整（自动补偿）是上述自动检测技术的进一步发展。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。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。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。尤其是对自动化生产线，不仅影响
13、全线的生产效率，而且产品的质量也不能保证。因此，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。目前，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，其工作原理如图5-8所示。 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。每次补偿量的大小取决于工件的精度要求，即尺寸公差带的大小和刀具的磨损情况。每次的补偿量愈小，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。 根据误差补偿运动实现的方式，可分为硬件补偿和软件补偿。硬件补偿是由测量系统和伺
14、服驱动系统实现的误差补偿运动。目前多数机床的误差补偿都采用这种方法。而软件补偿主要是针对象三坐标测量机和数控加工中心这样结构复杂的设备。 一、刀具的自动识别 在机械加工过程中最为常见的故障便是刀具状态的变化。刀具状态识别、检测与监控是加工过程检测与监控最为重要最为关键的技术之一。刀具状态的识别、检测乃至监控对降低制造成本、减少制造环境的危害，保证产品质量，具有十分重要的意义。 刀具的自动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）。关于刀具状态识别的方法较多，目前主要有基于时序分析刀具破损状态识别、基于小波分析刀具破损状态识别、基于电流信号刀具磨损状态识
15、别以及基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。第三节 刀具的自动识别和监测二、刀具尺寸测量控制系统 刀具检测技术与刀具识别技术往往是紧密联系在一起的，刀具的检测是建立在刀具识别的基础上的。在自动化的制造系统中，必须设置刀具磨损、破损的检测与监控装置，以防止发生工件成批报废和设备损坏事故。 （1）直接测量法 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。 （2）间接测量法 在大多数切削加工过程中，刀具的磨损量往往因为被工件、切屑等所遮盖而很难直接测量。因此，目前对刀具磨损的测量，更多的是采用间接测量方式。三、刀具的自动监控 随着柔性
16、制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等自动化加工系统的发展，对加工过程刀具切削状态的实时在线监测技术的要求越来越迫切。原来由人观察切削状态，判别刀具是否磨、破损的任务改由自动监控系统来承担。因此该系统的好坏，直接影响加工自动化系统的产品质量和生产效率，严重时还会造成重大事故。据统计，采用监控技术后，可减少人和技术因素引起故障停机时间75%。目前，刀具的监控主要集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其它形式的刀具故障等方面。 （1）刀具寿命自动监控 刀具寿命检测原理是通过 对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。 （2）刀具磨损、破损的自动监控一、监控系统的组成、要求和分类 对加工过程的监控是机械制造自动化的基本要求之一。加工过程的在线监控涉及很多相关技术，如传感器技术、信号处理技术、计算机技术、自动控制技术、人工智能技术以及切削机理等。 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监测、特征提取、状态识别、决策和控制四个部分组成，如图5-15所示。 （1）信号检测 信号检测是监控系统的首要一步，加工过程的许多状态信号从不同角度反映加工状态的变化。（
