机电一体化技术-65-检测与监控系统课件

16.5检测与监控系统6.5.1检测与监控原理 在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监控（如图6-23所示）。16.5检测与监控系统6.5.1检测与监控原理2图6-23检测与监控系统的组成2图6-23检测与监控系统的组成3 1.运行状态检测与监控 自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通常包括： （1）刀具信息。 （2）机床状态信息。 （3）系统运行状态信息。 （4）在线尺寸测量信息。 （5）系统安全情况信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的数控程序是否准确；有无碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。

3 1.运行状态检测与监控4 2.工件尺寸精度检测方法 （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.刀具磨损和破损的检测方法 （1）刀具、工件尺寸及相对距离测定法。 （2）放射线法。 （3）电阻法。 （4）光学图像法。4 2.工件尺寸精度检测方法5（5）切削力法。（6）切削温度法。（7）切削功率法。（8）振动法。（9）噪声分析法。（11）加工表面粗糙度法。

6.5.2检测与监控应用举例 例6-1加工中心（MC）需检测的运行状态信息。

MC需检测的运行状态信息如下： （1）环境参数及安全检测。5（5）切削力法。6

（2）刀库状态检测。 （3）机床负载检测。 （4）换刀机构检测。 （5）交换工作台检测。 （6）工作台振动检测。 （7）冷却与润滑系统检测。 （8）CNC/PC系统检测。6 （2）刀库状态检测。7

例6-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切 削力的变化能直接反映刀具的磨损情况， 图6-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的变化过程，曲线Ⅰ表示的是锋利的刀具，曲线Ⅱ表示的是磨钝了的刀具。切削力的差异ΔF是反映刀具实际磨损的标志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能预示刀具的折断。7 例6-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切8图6-24切削力图8图6-24切削力图9

图6-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会增大；如果刀具崩刃或断裂，切削力会剧减。在系统中，工件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变化，为了避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的特征量，即在线测量三个切削分力FX、FY和FZ的相应电信号，经放大后输入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再输入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。9 图6-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系10图6-25用切削力检测刀具状态原理图10图6-25用切削力检测刀具状态原理图11

例6-3声发射法检测刀具。 固体在产生变形或断裂时，以弹形波形释放出变形能的现象称为声放射。在金属切削过程中产生声发射信号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的摩擦，刀具的破损及工件的塑性变形等。声放射在切削过程中产生频率范围很宽的声发射信号，从几十千赫兹至几兆赫兹不等。声发射信号可分为突发型和连续型两种。突发型声发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发射事件之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低，事件的频率较高，以致难以分为单独事件。11 例6-3声发射法检测刀具。12

正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时，声发射信号幅值远大于正常切削，它与刀具破损面积有关，增长幅度为3～7倍。因此，声发射信号产生阶跃突变是识别刀具破损的重要特征。图6-26所示为声发射钻头破损检测装置系统图。

6.5.3检测设备

1.坐标测量机（CMM） 坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐标测量机，是一种检测工件尺寸误差、形位误差以及复杂轮廓形状的自动化制造系统的基本测量设备。12 正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时13图6-26声发射钻头破损检测装置系统图13图6-26声发射钻头破损检测装置系统图14

（1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其结构布局有立式和卧式两类，立式CMM有时是龙门式结构，卧式CMM有时是悬臂式结构。两种结构形式的CMM都有不同的尺寸规格，从小型台式到大型落地式。图6-27是一悬臂式CMM，由安放工件的工作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算机控制装置等组成。 （2）坐标测量机的工作原理。14 （1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其15图6-27悬臂式坐标测量机15图6-27悬臂式坐标测量机16 2.利用数控机床进行测量 三坐标测量机的测量精度很高，但它对地基和工作环境的要求也很高，它的安装必须远离机床。如果零件的检测需要在几个不同的阶段进行，零件就需要反复搬运几次，这对于质量控制要求不是特别精确的零件显然是不经济的。由于数控机床和CMM在工作原理上没有本质区别，且三坐标测量机上用的三维测量头的柄部结构与刀杆一样，因此可将其直接安装在机床（如加工中心）上。需要检测工件时，将测量头安装在机床主轴或刀架上，测量工作原理与CMM相同；测量完成再由换刀机械手将测量头放入刀库。为了保证测试精度和保护测试头，工件在数控机床上加工结束后，必须经高压冷却液冲洗，并用压缩空气吹干后方可进行检验测量。

16 2.利用数控机床进行测量17

另外，数控机床用于测试时，必须为数控机床配置专门的外围设备，如各种测量头和统计分析处理软件等。 在数控机床上进行测量有如下特点：不需要昂贵的CMM，但会损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回运输和等待。17 另外，数控机床用于测试时，必须为数控机床配置专门的外18 3.测量机器人 随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100％的测量,因此特别适合于自动化制造系统中的工序间测量和过程测量。同坐标测量机相比，机器人测量造价低，使用灵活。

4.专用的主动测量装置 在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装在机床上，不必停机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、刀具补偿、停止进给、退刀和停机等）。例如,图6-28所示为磨床上工件外径自动测量及反馈控制装置的原理图。18 3.测量机器人19图6-28磨床上工件外径自动测量原理19图6-28磨床上工件外径自动测量原理206.5检测与监控系统6.5.1检测与监控原理 在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监控（如图6-23所示）。16.5检测与监控系统6.5.1检测与监控原理21图6-23检测与监控系统的组成2图6-23检测与监控系统的组成22 1.运行状态检测与监控 自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通常包括： （1）刀具信息。 （2）机床状态信息。 （3）系统运行状态信息。 （4）在线尺寸测量信息。 （5）系统安全情况信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的数控程序是否准确；有无碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。

3 1.运行状态检测与监控23 2.工件尺寸精度检测方法 （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.刀具磨损和破损的检测方法 （1）刀具、工件尺寸及相对距离测定法。 （2）放射线法。 （3）电阻法。 （4）光学图像法。4 2.工件尺寸精度检测方法24（5）切削力法。（6）切削温度法。（7）切削功率法。（8）振动法。（9）噪声分析法。（11）加工表面粗糙度法。

6.5.2检测与监控应用举例 例6-1加工中心（MC）需检测的运行状态信息。

MC需检测的运行状态信息如下： （1）环境参数及安全检测。5（5）切削力法。25

（2）刀库状态检测。 （3）机床负载检测。 （4）换刀机构检测。 （5）交换工作台检测。 （6）工作台振动检测。 （7）冷却与润滑系统检测。 （8）CNC/PC系统检测。6 （2）刀库状态检测。26

例6-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切 削力的变化能直接反映刀具的磨损情况， 图6-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的变化过程，曲线Ⅰ表示的是锋利的刀具，曲线Ⅱ表示的是磨钝了的刀具。切削力的差异ΔF是反映刀具实际磨损的标志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能预示刀具的折断。7 例6-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切27图6-24切削力图8图6-24切削力图28

图6-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会增大；如果刀具崩刃或断裂，切削力会剧减。在系统中，工件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变化，为了避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的特征量，即在线测量三个切削分力FX、FY和FZ的相应电信号，经放大后输入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再输入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。9 图6-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系29图6-25用切削力检测刀具状态原理图10图6-25用切削力检测刀具状态原理图30

例6-3声发射法检测刀具。 固体在产生变形或断裂时，以弹形波形释放出变形能的现象称为声放射。在金属切削过程中产生声发射信号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的摩擦，刀具的破损及工件的塑性变形等。声放射在切削过程中产生频率范围很宽的声发射信号，从几十千赫兹至几兆赫兹不等。声发射信号可分为突发型和连续型两种。突发型声发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发射事件之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低，事件的频率较高，以致难以分为单独事件。11 例6-3声发射法检测刀具。31

正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时，声发射信号幅值远大于正常切削，它与刀具破损面积有关，增长幅度为3～7倍。因此，声发射信号产生阶跃突变是识别刀具破损的重要特征。图6-26所示为声发射钻头破损检测装置系统图。

6.5.3检测设备

1.坐标测量机（CMM） 坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐标测量机，是一种检测工件尺寸误差、形位误差以及复杂轮廓形状的自动化制造系统的基本测量设备。12 正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时32图6-26声发射钻头破损检测装置系统图13图6-26声发射钻头破损检测装置系统图33

（1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其结构布局有立式和卧式两类，立式CMM有时是龙门式结构，卧式CMM有时是悬臂式结构。两种结构形式的CMM都有不同的尺寸规格，从小型台式到大型落地式。图6-27是一悬臂式CMM，由安放工件的工作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算机控制装置等组成。 （2）坐标测量机的工作原理。14 （1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其34图6-27悬臂式坐标测量机15图6-27悬臂式坐标测量机35 2.利用数控机床进行测量 三坐标测量机的测量精度很高，但它对地基和工作环境的要求也很高，它的安装必须远离机床。如果零件的检测需要在几个不同的阶段进行，零件就需要反复搬运几次，这对于质量控制要求不是特别精确的零件显然是不经济的。由于数控机床和CMM在工作原理上没有本质区别，且三坐标测量机上用的三维测量头的柄部结构与刀杆一样，因此可将其直接安装在机床（如加工中心）上。需要检测工件时，将测量头安装在机床主轴或刀架上，测量工作原理与CMM相同；测量