检测过程自动化课件

1第五章

检测过程自动化1第五章

检测过程自动化2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。2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3

检测方法分类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3检测方法分类按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式4（1）直接测量与间接测量直接测量：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

4（1）直接测量与间接测量直接测量：测量时，直接从测量器具上5（2）接触测量和非接触测量接触式检验。测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上，然后通过某种传感器转换为电量。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。

非接触式检验。测量器具的测量头不与工件被测表面接触，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，没有因为测头与工件接触发生磨损而产生的误差。5（2）接触测量和非接触测量接触式检验。测量器具的测量头直接6（3）在线测量和离线测量在线测量;在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测。离线测量：在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。6（3）在线测量和离线测量在线测量;在加工过程或加工系统运行7二、检测装置对被加工工件的监测与控制

包括：精度、粗糙度、形状、缺陷等；对加工设备工作状态的在线监测与控制包括：切削负荷、刀具磨损及破损、机床主要部件的温升、振动、变形等；对加工对象的加工过程在线监测与控制。监测的内容：7二、检测装置对被加工工件的监测与控制监测的内容：8采用的检测手段可分为：人工检测和自动检测。人工检测：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：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。二、检测装置8采用的检测手段可分为：二、检测装置9

机械制造过程中自动化检测的范围：从制品（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺陷、性能等的静态检测，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。

9机械制造过程中自动化检测的范围：10适用于不同用途的自动检测装置：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；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。10适用于不同用途的自动检测装置：用于工件的尺寸、形状检测用11三、自动化检测方法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。这种检验只能发现废品，不能预防废品的产生。2．工艺过程精度检测目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。检验的对象是加工设备、工具和生产工艺过程11三、自动化检测方法在机械加工中自动化检测方法有两种：12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。自动化检测实现的途径12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13第二节加工尺寸的自动测量一、检测方法二、测量传感器三、自动测量机构四、加工过程的在线检测和补偿13第二节加工尺寸的自动测量一、检测方法14

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 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.过程中检测

3.在线检测第二节加工尺寸的自动测量

14 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15

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.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。一、检测方法15 1.离线检测一、检测方法16检测方法：①测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）或刀架上（车削加工中心），通过触点测量和数据处理检测加工表面的尺寸和形状误差或标定工件在机床坐标系中的坐标零点。②测头安装在机床工作台（数控镗铣加工中心）或床身上（车削加工中心），通过坐标轴运动使刀具与测头接触测出刀具在各方向的偏置量，输入数控系统进行刀具补偿；或者测量刀具磨损量。16检测方法：①测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）或刀架上173.在线检测 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。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。173.在线检测18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。自动检测中，应该检测那种误差？

系统误差！！！系统误差包括？18工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重要的功能。19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影响加工尺寸的因素实时20工件尺寸、形状的在线测量方式：20工件尺寸、形状的在线测量方式：21二、测量传感器

测量装置中最主要的部分是传感器，它用以将被测零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如转换成电、气或其他形式的信号。然后将此信号送至放大装置放大或经其他处理后，供机床的控制系统自动控制机床的工作过程。

常用的传感器有电气的和气动的两大类。21二、测量传感器测量装置中最主要的部分是传感器，它22(一)电气传感器1．电接触式传感器

当被检验的零件l的尺寸或几何形状变化时，与零件相接触的量杆2移动。当零件的尺寸变化超出允许的极限时，量杆使触点3接通或断开，从而将工件尺寸的变化量(位移)变换成为电信号。为单界限式的(图3—3a），双界限式的(图3—3b、e、d)和多界限式的(图3—3e)。单界限式的可测知零件是否大于某一规定尺寸。双界限式的可将容件分为三类，即尺寸在公差范围之内、尺寸大于规定的上限尺寸、尺寸小于规定的下限尺寸。多界限式的可以将零件分成较多的组数或发出多个信号，例如可以发出四个信号的电接触式传感器，已经在生产中应用。22(一)电气传感器1．电接触式传感器当被检验的23电接触式传感器结构示意图23电接触式传感器结构示意图242、光电式传感器

利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。检验成品尺寸的示意图图a是检验成品尺寸的示意图。从光源5发出的光线经小孔4射向光敏元件3。量杆2对工件l进行测量，量杆2的上端为一隔板，根据工件尺寸的大小，决定隔板遮住小孔4的面积大小，从而使光敏元件发出相应的信号。(一)电气传感器242、光电式传感器利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测25

利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。加工过程中测量工件尺寸的原理图b为加工过程中测量工件尺寸的原理。工件l用两个量杆测量，量杆9固定在量仪壳体上，量杆2是一个可绕支点转动的杠杆。在另一杆臂上用扭曲的片弹簧4与反射镜5相联。从光源8来的光线经透镜7、反射镜5射向光敏元件6。当工件尺寸因加工而变小时，量杆2在弹簧3的作用下顺时针方向转动，因而使反射镜5逐渐偏转，照射在光敏元件上的光束强度也发生变化，从而发出相应的控制信号。25利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。加工过程26光电式传感器具有很高的灵敏度和测量精度，但是电气线路较复杂，且不易调整稳定。由于光电信号较弱，容易受到外界干扰，所以对电源的稳压等方面要求很高。因此在尺寸测量方面没有上述几种传感器应用广泛。26光电式传感器具有很高的灵敏度和测量精度，但是27(二)气动传感器

气动传感器一般都由气动测量头和气体计量仪组成。测量原理：

压缩空气进入计量仪的气室A，其压力为p1，压缩空气再经过小孔l进入气室B，然后经喷嘴2排入大气。当测量工件时，工件放在喷嘴孔2前面，形成一个气隙Z，此时，压缩空气必须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。当工件尺寸增大时，气隙Z减小，气室B的压力p2上升；当工件尺寸减小时，气隙Z增大，气室B的压力p2下降，显然，通过测量压力p2，即可测知工件尺寸的变化。27(二)气动传感器气动传感器一般都由气动测量头和气体计28气室B的压力p2与气隙Z的关系28气室B的压力p2与气隙Z的关系291)薄膜式气动星仪薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后的压缩空气经管道1进入稳压器2稳压。打开开关3，压缩空气进入气动量仪的进气口，经小孔4及5分为两路，一路进入薄膜6上方的气室，另一路进入下气室。

下气室有管道8通喷嘴9，工件l0即放在喷嘴9前面而形成一个气隙Z，气隙Z的变化将影响下气室的压力Pl；上气室的压缩空气经测量杆7上端的锥面出气环而排入大气。291)薄膜式气动星仪薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后30

当测量气隙Z增大时(相当于工件外尺寸减小)，则下气室压力p1下降，膜片6原来的平衡位置被破坏，因而使膜片下移，测量杆7也随之下移，从而增大了测量杆7上端出气环的排气截面积，使上气室压力p2也下降，当测量杆7下移至某一位置，上、下气室的压力使膜片6重新获得平衡的位置，测量杆7即保持不动，通过表杆11、指示表14指示出工件的尺寸偏差。当测量气隙Z减小时(相当于工件尺寸增大)，仪表动作过程与上述相反。30当测量气隙Z增大时(相当于工件外尺寸减小)，则下312)波纹管式传感器它具有两个波纹状皱褶管1和5，其中一边通入恒定压力的压缩空气，另一边与测量头头喷嘴相通，即通测量气压。312)波纹管式传感器321.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）。三、自动测量机构321.专用自动测量装置三、自动测量机构33其自动测量原理如所示。33其自动测量原理如所示。34

三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的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，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。2.三坐标测量机34 三坐标测量机（CoordinateMeasu35

三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。三坐标测量机的作用：可以在计算机控制的制造系统中直接利用CAD/CAM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，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。 2.三坐标测量机35三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。 36（1）CMM的组成①机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。X向导轨系统装在工作台上;Y向导轨系统是移动桥架横梁;Z向导轨系统装在中央滑架内。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。36（1）CMM的组成①机械系统：一般由三个正交的直线运动轴37（1）CMM的组成

三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。37（1）CMM的组成三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴383839436工作台5X2Y（1）CMM的组成②电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成.用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。移动桥架中央滑架Z轴测头电子系统39436工作台5X2Y（1）CMM的组成②电子系统：一般由4021ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点坐标的获取；通过相应的数学计算定义，完成对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素；

进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而完成对被测零件的检验工作。三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。4021ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：三坐41

几何量数字测量的功能41几何量数字测量的功能42常用测量方法42常用测量方法43（四）、工作台

早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有旋转工作台，以扩大测量功能。43（四）、工作台44（五）、导轨

导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。

在三坐标测量机常用的为滑动导轨和气浮导轨，目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。44（五）、导轨45123456A-AAA工作台气垫滚轮压缩弹簧导向块桥架45123456A-AAA工作台气垫滚轮压缩弹簧导向块桥架46三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着CMM测量精度的高低。标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的。标尺系统种类按其性质可以分为：机械式标尺系统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。46三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统由标尺系统47测头系统（1）测头

三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。分类：按结构原理：机械式、光学式和电气式等；按测量方法：接触式和非接触式两类。47测头系统（1）测头48机械接触式测头测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等。特点：形状简单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圆锥形测头(b)圆柱形测头(c)球形测头(d)半圆形测头(e)点测头(f)V型块测头48机械接触式测头测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头492．电气接触式测头12534弹簧芯体测杆钢球触点测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量

电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，按其工作原理可分为动态测头和静态测头。（1）动态测头常用动态测头的结构如图所示。492．电气接触式测头12534弹簧芯体测杆钢球触点测头是50RENISHAW电阻型触发式探头50RENISHAW电阻型触发式探头51

三坐标测量机的测量精度很高。为了保证三坐标测量机的高精度测量，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工作。3.三维测头的应用51 三坐标测量机的测量精度很高。3.三维测头的应525253

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。4.激光测径仪53 激光测径仪是一种非接触式测量装置。常用在轧制钢图5-6激光测径仪原理图图5-6激光测径仪原理图图5-7激光测径仪波形图图5-7激光测径仪波形图561.自动在线检测

自动在线检测：是指在设备运行、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。四、加工过程的在线检测和补偿

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。？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。561.自动在线检测四、加工过程的在线检测和补偿57（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。57（1）自动检测指主动自动检测，即加工中测量仪与机床、图所示为液压式外圆磨削自动测量装置，测量范围为5—80mm。测量装置通过底座l0用螺钉压紧在机床工作台上，测臂5、8的进入或退出工件，是靠油缸9驱动。

图所示为液压式外圆磨削自动测量装置，测量范围为5—80mm。

测量传感器18是一个差动变压器(其结构见图3—14)。传感器固定在测量架1上，下测臂8用片弹簧7支承在测量架1上，其左端与传感器18的测头接触。整个测量架l用两个锥形支钉17支承着，使测量架可以绕支钉17的轴心摆动，弹性支钉20顶在滑块12的平面上，以承受测量架1的重量。上、下测臂5、8的距离，可根据工件尺寸的大小，旋松紧固螺钉4，并旋动带齿轮的小轴3．使上测臂5在齿条2上移动来进行调整。至于上、下测臂相对于工件的中心高位置，可以靠松开紧固螺钉l6，旋动齿轮14，移动滑块12来进行调整。滑块12及其刻度板又用板弹簧与支座10相联，通过调节螺钉l5，可以对上、下测臂的中心高位置进行微调。测量传感器18是一个差动变压器(其上、下测臂的调整系用标准工件进行。首先使下测臂8与标准工件轻轻接触，然后调整上测臂5使之与标准件接触，当指针13落在中间刻线上时，表示上测臂5作用在标准工件上的接触力正合适(约0.2-0.25公斤力)。下测臂的测量力，由传感器中的弹簧决定，约为0．2—0．25公斤力。

上、下测臂的调整系用标准工件进行。首先使下测臂8与标准工件轻616162（2）机床监测机床监测的基本方法是检测系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数据，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。

监测数据一般为实时输入和连续传输的信息流。（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。62（2）机床监测机床监测的基本方法是检测系统从机床上安63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。 2.自动补偿63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64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。64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，656566

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。第三节刀具的自动识别和监测66在机械加工过程中最为常见的故障便是刀具状态的变化。第三67一、刀具的自动识别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）。刀具状态识别的方法：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别基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。67一、刀具的自动识别刀具的自动识别主要是在加工过程中能在线68

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。

二、刀具尺寸测量控制系统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68 在自动化的制造系统中，必须设置刀具磨损、破损的检69（2）间接测量法刀具的磨损区往往很难直接测到，常常通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。根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的。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。69（2）间接测量法刀具的磨损区往往很难直接测到，常常通过测70

随着柔性制造系统（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、破损的自动监控三、刀具的自动监控70 随着柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（C71一、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。71一、监控系统的组成、要求和分类第四节加工设备的自动监72

（2）特征提取特征提取是对检测信号的进一步加工处理，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，目的在于提高信号的信噪比，增加系统的抗干扰能力。 （3）状态识别状态识别实质上是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。 （4）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，例如改变切削参数、更换刀具、改变工艺等。要求决策系统实时、快速、准确、适应性强。72 （2）特征提取特征提取是对检测信号的进一步加工处73 2.要求 加工过程、机床以及刀具工况监控是自动化加工监控系统具有的三个主要任务。各个任务除了选好状态变量之外，还必须满足如下的一些要求： （1）同加工过程往往需要监控多个状态变量，仅监控一个状态变量是不够的； （2）由于自动化加工系统本身的加工特性，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； （3）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； （4）由于交换部件、刀具的数量大、控制程序长，因此，必须监测加工过程的初始条件。73 2.要求74二、加工设备的故障诊断 所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。设备在运行过程中，内部零部件和元器件因为受到力、热、摩擦、磨损等多种作用，其运行状态不断变化，一旦发生故障，往往会导致严重后果。因此必须在设备运行过程中对设备的运行状态及时做出判断，采取相应的决策，在事故发生以前就发现并加以消除。

加工设备的自动监控与故障诊断主要有四个方面的内容：（1）状态量的监测状态量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。74二、加工设备的故障诊断加工设备的自动监控与故障诊75

（2）加工设备运行异常的判别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。 （3）设备故障原因的识别识别故障原因是故障诊断中最难、最耗时的工作。 （4）控制决策找出故障发生的地点及原因后，就要对设备进行检修，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。因此，三者之间必须紧密集成在一起。75 （2）加工设备运行异常的判别运行异常的判别是76一、无损探伤检测技术 无损探伤检测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，包括各类缺陷和其他技术参数的综合性应用技术，对于控制和改进生产过程和产品质量，保证材料、零件和产品的可靠性及提高生产率起着关键的作用，是发展现代工业必不可少的重要技术措施之一。无损探伤检测技术在材料加工、零件制造、产品组装直至产品使用的整个过程中，不仅起到保证质量、保障安全的监督作用，还在节约能源及资源、降低成本、提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用。第五节相关的检测技术76一、无损探伤检测技术第五节相关的检测技术77

无损探伤检测作为一项工业技术，从应用角度来说，主要有三种形式： 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。它可以剔除每道生产工序中的不合格产品，并把检测结果反馈到生产工艺中去，指导和改进生产，监督产品的质量。 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。它主要是检验产品是否达到设计性能，能否安全使用。 三是在产品使用过程中的检测，即维护检验。它是用户在使用产品或设备的过程中，经常地或定期地检查是否出现危险性缺陷而采用无损检测方法。77 无损探伤检测作为一项工业技术，从应用角度来说，主要有781.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。它具有设备简单、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等优点。因此，在工业生产中得到了广泛的应用。

磁粉探伤检测可以检测铁磁性材料和构件的表面或近表面的缺陷，对裂纹、发纹、折叠、夹层和未焊透等缺陷较为灵敏，通常采用交流电磁化可以检测表面下2mm以内的缺陷，采用直流电磁化可以检测表面下6mm以内的缺陷。781.磁粉探伤检测 磁粉探伤检测可以检测铁磁性材料79

磁粉检测设备有固定式、移动式和手提式三种类型，对各种大小不同的零部件、结构件、装置和设备都可以进行检查。建立磁场的方式有恒磁法和电磁法，前者使用永久磁铁，后者利用电流的磁场，显示介质主要是磁粉和磁悬液。

磁粉探伤的优点主要有：（1）显示直观，磁痕一般比裂纹尺寸大，易于观察。（2）探测灵敏度高，最小缺陷宽度可达0.1微米。（3）适应性好，对于几何形状复杂的工件，可以采用不同的磁化方法，对工件进行有效的全面检查。（4）设备简单，成本低，操作方便，效率高。

其缺点是：（1）只限于铁磁性材料的检查，主要包括碳钢、高强度合金钢、电工钢。（2）只能够检查工件的表面及近表面缺陷。（3）不能定量测出缺陷的深度。（4）必须用人眼来观察，易造成操作人员的疲劳。79 磁粉检测设备有固定式、移动式和手提式三种类型，对各种80 2.超声波探伤检测 超声波探伤检测可探测厚度较大的材料，且具有检测速度快、费用低并能对缺陷进行定位和定量，对人体无害及对危害较大的平面缺陷的探测灵敏度高等优点，在生产实践中已获得了广泛的应用。

超声波用于无损探伤检测，主要是因为具有以下特性： （1）超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射； （2）超声波指向性好，频率愈高，指向性愈好； （3）超声波传播能量大，对各种材料的穿透力强。而 且超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性为超 声波的应用提供了丰富的信息。80 2.超声波探伤检测 超声波用于无损探伤检测，主要是81

超声波检测的最大优点就是对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型的缺陷具有很高的检测能力。超声波检测也有一定的局限性，主要表现为：超声波检测的记录性差，无法比较直观地判断缺陷的几何形状、尺寸和性质；超声波检测技术难度较大，其效果和可靠程度往往受到操作人员技术水平的影响。

超声波检测对于平面状的缺陷如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波。但是对于球状缺陷如气孔，假如气孔不是很大，或不太密集，就难以获得足够的回波。81 超声波检测的最大优点就是对裂纹、夹层、折叠、未焊透等823.射线探伤检测 射线就是指X射线、α射线、β射线、γ射线、电子射线和中子射线等，其中X射线、γ射线、中子射线易于穿透物体，但在穿透物体的过程中受到吸收和散射。因此，其穿透物体后的强度就小于穿透前的强度。衰减的程度由物体的厚度、材质以及射线的种类而定。当厚度相同的板材含有气孔时，有气孔的部分不吸收射线，容易通过。相反如果混进容易吸收射线的异物时，这些地方的射线难于通过。因此，用强度均匀的射线照射被检测的物体，使透过的射线在照相胶片上感光，把胶片显影后就可得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片，通过对这种底片的观察来检验缺陷的种类、大小、分布状况等，这种检验就称为射线照相法探伤检测。此外还有电离检测法和荧光屏直接观察法。823.射线探伤检测83射线探伤检测的优点： （1）对缺陷形象检测直观，对缺陷的尺寸和性质判断比较容易，便于分析处理。 （2）射线照相底片可作为原始的资料长期保存。 （3）利用图像处理技术可以实现缺陷评定分析自动化。射线探伤检测的缺点： （1）对人体有害，在检测中必须注意防护。 （2）相对于其它的检测方法而言，射线探伤检测的 成本较高。83射线探伤检测的优点：84 4.涡流探伤检测 涡流探伤是广泛应用于导电材料检测的一种常规方法。它的原理与超声、磁粉、射线等检测方法都不同。涡流检测只适用于导电材料，因为只有导电材料才能产生涡流。所谓涡流，就是指能导电的试件，在周围交变磁场的作用下，在导电试件中感应出漩涡状的电流，简称涡流。84 4.涡流探伤检测85

涡流探伤检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器。高频的交变电压发生器（振荡器）供给检测线圈以激励电流，从而在试件周围形成一个激励磁场，这个磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化。而涡流磁场中就包含了试件好坏的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化，便可以分析判断试件中是否存在缺陷。85 涡流探伤检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡86

对于相同的试件，化学成分、电导率等都是固定的，因而在一般情况下，涡流按小圆环流动，但如果在涡流流动的路径上有一条裂纹或一个凹坑等缺陷，涡流的流动就会受到影响，涡流在缺陷附近将发生畸变。这畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，而被检测线圈接收到，所以可以用涡流来检测试件中的缺陷。86对于相同的试件，化学成分、电导率等都是固定的，因87二、气密性检测技术 气密性检测是电子、机械、化工及其他科研产品中常用的质检项目。气密性通常是指具有一定几何空间容器的密闭程度，对于大部分有气密性要求的检测件，气体的泄漏量是一个小量。针对产品的不同气密性要求有不同的检测方法。87二、气密性检测技术881.干式气密性检测 （1）压降法 （2）流量测量法 （3）氦气泄漏检测法 （4）压差式泄漏检测法2.湿式气密性检测湿式气密性检测是一种传统的方法，又称湿式浸水法，即在被检测工件的密封腔内充入一定压力的气体，然后浸入水中，由工人来观察是否有气泡产生。由于该方法简单并且直观，便于在生产中实施，目前很多生产厂家采用湿式浸水法来对零件进行气密性检验。881.干式气密性检测2.湿式气密性检测89

湿式气密性检测方法的缺点：（1）工件必须浸入水中，检测后需对工件进行烘干，为了防止工件生锈，常常需用煤油，酒精等液体来替代水，提高了测试成本。（2）检测结果受到操作人员个人能力的限制，难以严格控制产品质量，尤其是有时泄漏的微小气泡会吸附在被测零件表面，未及时升到水面上来，容易造成误检。（3）工人作业环境恶劣，劳动强度大。（4）主要依赖人工观察、判断，无法代之以自动检测，不易纳入自动生产线中使用。89湿式气密性检测方法的缺点：90课堂练习试叙自动化检测的主要优点。为什么设对工件的在线测量（即实施在工件安装状态下进行测量）是十分必要的？简述磁粉无损探伤的基本原理。目前对各种刀具破损和磨损的监测有哪二种方法？90课堂练习试叙自动化检测的主要优点。91第五章

检测过程自动化1第五章

检测过程自动化92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。2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93

检测方法分类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3检测方法分类按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式94（1）直接测量与间接测量直接测量：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

4（1）直接测量与间接测量直接测量：测量时，直接从测量器具上95（2）接触测量和非接触测量接触式检验。测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上，然后通过某种传感器转换为电量。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。

非接触式检验。测量器具的测量头不与工件被测表面接触，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，没有因为测头与工件接触发生磨损而产生的误差。5（2）接触测量和非接触测量接触式检验。测量器具的测量头直接96（3）在线测量和离线测量在线测量;在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测。离线测量：在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。6（3）在线测量和离线测量在线测量;在加工过程或加工系统运行97二、检测装置对被加工工件的监测与控制

包括：精度、粗糙度、形状、缺陷等；对加工设备工作状态的在线监测与控制包括：切削负荷、刀具磨损及破损、机床主要部件的温升、振动、变形等；对加工对象的加工过程在线监测与控制。监测的内容：7二、检测装置对被加工工件的监测与控制监测的内容：98采用的检测手段可分为：人工检测和自动检测。人工检测：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：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。二、检测装置8采用的检测手段可分为：二、检测装置99

机械制造过程中自动化检测的范围：从制品（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺陷、性能等的静态检测，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。

9机械制造过程中自动化检测的范围：100适用于不同用途的自动检测装置：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；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。10适用于不同用途的自动检测装置：用于工件的尺寸、形状检测用101三、自动化检测方法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。这种检验只能发现废品，不能预防废品的产生。2．工艺过程精度检测目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。检验的对象是加工设备、工具和生产工艺过程11三、自动化检测方法在机械加工中自动化检测方法有两种：102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。自动化检测实现的途径12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103第二节加工尺寸的自动测量一、检测方法二、测量传感器三、自动测量机构四、加工过程的在线检测和补偿13第二节加工尺寸的自动测量一、检测方法104

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 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.过程中检测

3.在线检测第二节加工尺寸的自动测量

14 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105

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.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。一、检测方法15 1.离线检测一、检测方法106检测方法：①测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）或刀架上（车削加工中心），通过触点测量和数据处理检测加工表面的尺寸和形状误差或标定工件在机床坐标系中的坐标零点。②测头安装在机床工作台（数控镗铣加工中心）或床身上（车削加工中心），通过坐标轴运动使刀具与测头接触测出刀具在各方向的偏置量，输入数控系统进行刀具补偿；或者测量刀具磨损量。16检测方法：①测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）或刀架上1073.在线检测 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。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。173.在线检测108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。自动检测中，应该检测那种误差？

系统误差！！！系统误差包括？18工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重要的功能。109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影响加工尺寸的因素实时110工件尺寸、形状的在线测量方式：20工件尺寸、形状的在线测量方式：111二、测量传感器

测量装置中最主要的部分是传感器，它用以将被测零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如转换成电、气或其他形式的信号。然后将此信号送至放大装置放大或经其他处理后，供机床的控制系统自动控制机床的工作过程。

常用的传感器有电气的和气动的两大类。21二、测量传感器测量装置中最主要的部分是传感器，它112(一)电气传感器1．电接触式传感器

当被检验的零件l的尺寸或几何形状变化时，与零件相接触的量杆2移动。当零件的尺寸变化超出允许的极限时，量杆使触点3接通或断开，从而将工件尺寸的变化量(位移)变换成为电信号。为单界限式的(图3—3a），双界限式的(图3—3b、e、d)和多界限式的(图3—3e)。单界限式的可测知零件是否大于某一规定尺寸。双界限式的可将容件分为三类，即尺寸在公差范围之内、尺寸大于规定的上限尺寸、尺寸小于规定的下限尺寸。多界限式的可以将零件分成较多的组数或发出多个信号，例如可以发出四个信号的电接触式传感器，已经在生产中应用。22(一)电气传感器1．电接触式传感器当被检验的113电接触式传感器结构示意图23电接触式传感器结构示意图1142、光电式传感器

利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。检验成品尺寸的示意图图a是检验成品尺寸的示意图。从光源5发出的光线经小孔4射向光敏元件3。量杆2对工件l进行测量，量杆2的上端为一隔板，根据工件尺寸的大小，决定隔板遮住小孔4的面积大小，从而使光敏元件发出相应的信号。(一)电气传感器242、光电式传感器利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测115

利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。加工过程中测量工件尺寸的原理图b为加工过程中测量工件尺寸的原理。工件l用两个量杆测量，量杆9固定在量仪壳体上，量杆2是一个可绕支点转动的杠杆。在另一杆臂上用扭曲的片弹簧4与反射镜5相联。从光源8来的光线经透镜7、反射镜5射向光敏元件6。当工件尺寸因加工而变小时，量杆2在弹簧3的作用下顺时针方向转动，因而使反射镜5逐渐偏转，照射在光敏元件上的光束强度也发生变化，从而发出相应的控制信号。25利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。加工过程116光电式传感器具有很高的灵敏度和测量精度，但是电气线路较复杂，且不易调整稳定。由于光电信号较弱，容易受到外界干扰，所以对电源的稳压等方面要求很高。因此在尺寸测量方面没有上述几种传感器应用广泛。26光电式传感器具有很高的灵敏度和测量精度，但是117(二)气动传感器

气动传感器一般都由气动测量头和气体计量仪组成。测量原理：

压缩空气进入计量仪的气室A，其压力为p1，压缩空气再经过小孔l进入气室B，然后经喷嘴2排入大气。当测量工件时，工件放在喷嘴孔2前面，形成一个气隙Z，此时，压缩空气必须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。当工件尺寸增大时，气隙Z减小，气室B的压力p2上升；当工件尺寸减小时，气隙Z增大，气室B的压力p2下降，显然，通过测量压力p2，即可测知工件尺寸的变化。27(二)气动传感器气动传感器一般都由气动测量头和气体计118气室B的压力p2与气隙Z的关系28气室B的压力p2与气隙Z的关系1191)薄膜式气动星仪薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后的压缩空气经管道1进入稳压器2稳压。打开开关3，压缩空气进入气动量仪的进气口，经小孔4及5分为两路，一路进入薄膜6上方的气室，另一路进入下气室。

下气室有管道8通喷嘴9，工件l0即放在喷嘴9前面而形成一个气隙Z，气隙Z的变化将影响下气室的压力Pl；上气室的压缩空气经测量杆7上端的锥面出气环而排入大气。291)薄膜式气动星仪薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后120

当测量气隙Z增大时(相当于工件外尺寸减小)，则下气室压力p1下降，膜片6原来的平衡位置被破坏，因而使膜片下移，测量杆7也随之下移，从而增大了测量杆7上端出气环的排气截面积，使上气室压力p2也下降，当测量杆7下移至某一位置，上、下气室的压力使膜片6重新获得平衡的位置，测量杆7即保持不动，通过表杆11、指示表14指示出工件的尺寸偏差。当测量气隙Z减小时(相当于工件尺寸增大)，仪表动作过程与上述相反。30当测量气隙Z增大时(相当于工件外尺寸减小)，则下1212)波纹管式传感器它具有两个波纹状皱褶管1和5，其中一边通入恒定压力的压缩空气，另一边与测量头头喷嘴相通，即通测量气压。312)波纹管式传感器1221.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）。三、自动测量机构321.专用自动测量装置三、自动测量机构123其自动测量原理如所示。33其自动测量原理如所示。124

三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的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，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。2.三坐标测量机34 三坐标测量机（CoordinateMeasu125

三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。三坐标测量机的作用：可以在计算机控制的制造系统中直接利用CAD/CAM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，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。 2.三坐标测量机35三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。 126（1）CMM的组成①机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。X向导轨系统装在工作台上;Y向导轨系统是移动桥架横梁;Z向导轨系统装在中央滑架内。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。36（1）CMM的组成①机械系统：一般由三个正交的直线运动轴127（1）CMM的组成

三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。37（1）CMM的组成三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴12838129436工作台5X2Y（1）CMM的组成②电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成.用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。移动桥架中央滑架Z轴测头电子系统39436工作台5X2Y（1）CMM的组成②电子系统：一般由13021ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点坐标的获取；通过相应的数学计算定义，完成对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素；

进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而完成对被测零件的检验工作。三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。4021ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理原理：三坐131

几何量数字测量的功能41几何量数字测量的功能132常用测量方法42常用测量方法133（四）、工作台

早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有旋转工作台，以扩大测量功能。43（四）、工作台134（五）、导轨

导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。

在三坐标测量机常用的为滑动导轨和气浮导轨，目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。44（五）、导轨135123456A-AAA工作台气垫滚轮压缩弹簧导向块桥架45123456A-AAA工作台气垫滚轮压缩弹簧导向块桥架136三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着CMM测量精度的高低。标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的。标尺系统种类按其性质可以分为：机械式标尺系统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。46三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统由标尺系统137测头系统（1）测头

三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。分类：按结构原理：机械式、光学式和电气式等；按测量方法：接触式和非接触式两类。47测头系统（1）测头138机械接触式测头测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等。特点：形状简单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圆锥形测头(b)圆柱形测头(c)球形测头(d)半圆形测头(e)点测头(f)V型块测头48机械接触式测头测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头1392．电气接触式测头12534弹簧芯体测杆钢球触点测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量

电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，按其工作原理可分为动态测头和静态测头。（1）动态测头常用动态测头的结构如图所示。492．电气接触式测头12534弹簧芯体测杆钢球触点测头是140RENISHAW电阻型触发式探头50RENISHAW电阻型触发式探头141

三坐标测量机的测量精度很高。为了保证三坐标测量机的高精度测量，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工作。3.三维测头的应用51 三坐标测量机的测量精度很高。3.三维测头的应14252143

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。4.激光测径仪53 激光测径仪是一种非接触式测量装置。常用在轧制钢图5-6激光测径仪原理图图5-6激光测径仪原理图图5-7激光测径仪波形图图5-7激光测径仪波形图1461.自动在线检测

自动在线检测：是指在设备运行、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。四、加工过程的在线检测和补偿

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。？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。561.自动在线检测四、加工过程的在线检测和补偿147（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。57（1）自动检测指主动自动检测，即加工中测量仪与机床、图所示为液压式外圆磨削自动测量装置，测量范围为5—80mm。测量装置通过底座l0用螺钉压紧在机床工作台上，测臂5、8的进入或退出工件，是靠油缸9驱动。

图所示为液压式外圆磨削自动测量装置，测量范围为5—80mm。

测量传感器18是一个差动变压器(其结构见图3—14)。传感器固定在测量架1上，下测臂8用片弹簧7支承在测量架1上，其左端与传感器18的测头接触。整个测量架l用两个锥形支钉17支承着，使测量架可以绕支钉17的轴心摆动，弹性支钉20顶在滑块12的平面上，以承受测量架1的重量。上、下测臂5、8的距离，可根据工件尺寸的大小，旋松紧固螺钉4，并旋动带齿轮的小轴3．使上测臂5在齿条2上移动来进行调整。至于上、下测臂相对于工件的中心高位置，可以靠松开紧固螺钉l6，旋动齿轮14，移动滑块12来进行调整。滑块12及其刻度板又用板弹簧与支座10相联，通过调节螺钉l5，可以对上、下测臂的中心高位置进行微调。测量传感器18是一个差动变压器(其上、下测臂的调整系用标准工件进行。首先使下测臂8与标准工件轻轻接触，然后调整上测臂5使之与标准件接触，当指针13落在中间刻线上时，表示上测臂5作用在标准工件上的接触力正合适(约0.2-0.25公斤力)。下测臂的测量力，由传感器中的弹簧决定，约为0．2—0．25公斤力。

上、下测臂的调整系用标准工件进行。首先使下测臂8与标准工件轻15161152（2）机床监测机床监测的基本方法是检测系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数据，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。

监测数据一般为实时输入和连续传输的信息流。（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。62（2）机床监测机床监测的基本方法是检测系统从机床上安153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。 2.自动补偿63对一些采用调整法进