第5章 检测自动化1

2024/1/12武汉理工大学机电学院1/55一、概述二、传感器三、加工过程中的自动检测四、工件尺寸的自动补偿五、检验自动机第五章检测自动化2024/1/12武汉理工大学机电学院2/55一、概述1、实现检验自动化的意义（1）保证和提高产品质量。（2）提高劳动生产率，降低产品成本。（3）减轻工人的劳动强度。

手工测量完全靠操作者的技术熟练程度和视觉判断的正确性——结果往往有主观性。自动检验能消除人为的观测误差，能保证产品的质量。在自动化生产过程中——多种多样的项目，如：加工精度、表面粗糙度、切削负荷、刀具磨损、切削温度等，并根据测量结果调整机床的工艺参数，控制机床的动作循环，以保证和提高产品质量。这是人工所不能胜任的，而自动测量能很轻易的做到这一点。

检验大批零件，常需要花费很多时间。根据统计，一个熟练的检验员用内径千分尺测量一个孔的内径，需40S左右，测量精度0.01-0.02mm。而一个普通的操作者用气动量仪测量同样的孔径，仅需4S，测量精度可达0.001mm。有时，一个零件的测量项目很多，如果用人工测量，将需要更多时间。采用自动检测装置，特别是在线自检装置，不仅能防止废品的发生，而且由于检验过程与加工过程在时间上重合，故能有效地提高生产率，减少和防止废品的发生，降低产品成本。

在连续检验大批零件的时候，工人由于经常重复某一动作，并且要仔细的观察测量结果，眼睛容易疲劳，不仅会引起测量误差，长此以往会造成视力减退，影响工人健康。特别是大量生产中检验一些重量比较大的工件时，劳动强度大。采用自动测量装置在自动线上检验工件，可以显著地减轻工人的体力劳动，改善劳动条件。2024/1/12武汉理工大学机电学院3/552、实现检验自动化的途径(2)在自动线中设置自动检验工位。如曲轴动平衡自动线中设置不平衡量检测工位等。(1)在机床上安装自动检测装置。如磨削过程中，安装在磨床上的自动检测装置。(3)设置专用的检验分类机及分类自动线。如活塞环、滚针、钢球等零件的分类机，连杆称重分类自动线等。2024/1/12武汉理工大学机电学院4/55UNIMAR™S磨床在线测量标准应用的测量头2024/1/12武汉理工大学机电学院5/55MARPOSS曲轴测量机。测量内容包括：主轴颈外径、连杆颈外径、主轴颈、连杆颈圆度、直线度、平行度、中心距和跳动。测量系统采用整体弹性体的电感式传感器和金刚石触点，结构紧凑、精确度高。3、检验过程自动化的基本过程（1）零件加工过程中的自动检验1零件；2检验装置；3放大器；4控制线路；5机床2024/1/12武汉理工大学机电学院7/55（2）具有自动补偿作用的检验过程

1零件；2检验装置；3放大器；4控制线路；5机床6控制线路；7分类机构；8合格品2024/1/12武汉理工大学机电学院8/55（3）检验自动机的检验过程

1零件；2检验装置；3放大器；4显示装置；5分类机构

零件1在加工完毕后，经测量装置2检验。检验结果的信号，一方面送向显示装置4显示出来；另一方面送到信号转换放大装置3，经过装置3控制分类机构5将零件分为三类，即合格品、可返修的废品及不可返修的废品。

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方框图可以看出，上述三种检验方式由于控制过程不同，以及在接受测量信号之后，执行机构实现的作用不同，所以检验执行机构具有不同的结构和特点。但是它们也有共性的部分，即不论哪一种检验方式，其测量装置——传感器和信号的转换放大装置是相同的。

自动检测过程方框图自动测量发出测量信号信号转换和放大工件进入检验装置控制装置动作；转换机床的切削用量和动作；自动补偿刀具磨损；自动分类；2024/1/12武汉理工大学机电学院10/554、自动检测装置的分类按转换测量信号的原理—传感器按检验过程的性质机械的电气的气动的按量头与工件的接触情况主动检验被动检验接触式检验非接触式检验按被检验的参数零件的尺寸偏差几何形状误差重量偏差高速转动零件的不平衡量

直接在加工过程中对工件进行自动检验。优点是：能够将检验结果反映到工艺过程中。当工件达到规定的尺寸时，检验机构就发出信号或使机床自动停车或改变切削用量。这样就可以预防废品的产生，并且大大提高机械加工的生产率。

零件是在工艺过程完成之后，或在某一工序完成之后才进行检验，从而剔除废品，或将零件按一定的尺寸偏差进行分组。这种检验方式不能预防废品的产生，只能发现和剔除废品，故又称为消极检验。消极检验装置一般以检验自动机的形式出现

。

测量头直接与工件被测表面接触，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。

测量头不与工件被测表面接触，而是借助气压，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。2024/1/12武汉理工大学机电学院11/55自动检验的分类2024/1/12武汉理工大学机电学院12/55二、传感器电传感器气动传感器光纤传感器传感器是测量装置中最主要的组成部分2024/1/12武汉理工大学机电学院13/55一次仪表：把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。二次仪表：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。

一次仪表与二次仪表2024/1/12武汉理工大学机电学院14/55传感器的线性度

传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有偏差。传感器的线性度示意图

yFS21Dmax0xFSyx2024/1/12武汉理工大学机电学院15/551、电气传感器电接触式传感器

电感应式传感器差动变压器式传感器电容式传感器

光电式传感器等

2024/1/12武汉理工大学机电学院16/55（1）电接触式传感器

当被检验零件的尺寸或几何形状变化时，与零件相接触的量杆移动，当零件的尺寸超出允许的极限时，量杆使触点结合或断开，从而将工件的尺寸变化量变换成电信号。单界限式只有一个触点，可测知零件是否大于某一规定尺寸（a）双界限式多界限式有上下两个触点，可将零件分为三类。（b,c,d）可将零件分成较多的组数或发出多个信号。（e）工作原理

2024/1/12武汉理工大学机电学院17/55电接触式传感器结构示意图

根据量杆的移动和触头动作的联系不同，电接触发送器有两种形式无杠杆的（a）有杠杆的测量精度要高一些（b,c）调节螺钉

传感器放大杠杆6安装在铰链支承上，杠杆的长臂和短臂的比即为放大比，其值通常为3:1～l0:12024/1/12武汉理工大学机电学院18/55电接触式传感器结构示意图

图示系弹簧式杠杆系统，用弹簧片8将量杆体2悬浮地支承在固定支架7上，触头9通过弹簧6与件2和7相联。固定触头4可以通过螺钉3与5进行调节。当量杆1上下移动时，触头9将向两边摆动，从而将电触头断开或接通。这种放大杠杆的放大比可达100:1。又由于杠杆支承是无摩擦式的，因此动作灵敏，精度较高。（c）2024/1/12武汉理工大学机电学院19/55电接触式传感器的结构

1工件；2量杆；3弹簧；4套子；5触头；6固定触头；7销子；8支座。

量杆2在弹簧3的作用下与工件1接触。它所操纵的触头杠杆5用片弹簧固定在支座8上。当量杆2移动时，其上的套子4通过销子7推动杠杆摆动，两个固定触头6可用带千分尺的螺旋调整好。量杆2的移动量还可以直接反映在千分表上，以便于观察。

2024/1/12武汉理工大学机电学院20/55电接触式传感器触头经常通电断电易产生火花放电，容易蚀损。为了提高触头的使用寿命，一方面采用耐蚀性和耐磨性好的合金作为触头材料，另一方面限制触头开断的功率。优点传感器和控制线路都比较简单。易于调整，能满足一般检验精度的要求不足只能反映出零件被测参数是否超差，而不能指出尺寸的实际偏差。应用检验自动机中分类测量磨床上加工精度要求不高的零件用于主动检验自动线中用于工序间的自动检验——控制精加工余量。电接触式传感器的应用2024/1/12武汉理工大学机电学院21/55工作原理

在固定铁芯4中装有线圈5。铁芯3与量杆2相连，由于被测工件1的尺寸变化，使量杆2移动，从而使铁芯3也上下移动，改变它与固定铁芯4之间的间隙，使线圈中的电感量Lx发生变化。（2）电感应式传感器W—线圈匝数；RM—铁芯中的磁阻；δ—固定铁芯与动铁芯之间的空气隙；

μ0—空气隙的导磁系数；S—空气隙的截面积

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线圈7装在线圈架6中并套在固定铁芯内，下铁芯通过衔铁座与量杆联结，量杆前端装有量端1，弹簧5使上下铁芯分开，并产生一定的测量力——0.2kg左右。结构简单、紧凑，体积小，便于安装。测量精度：IT7级。电感应式传感器结构2024/1/12武汉理工大学机电学院23/55工作原理

在上下两个固定铁芯6和3中各装有一个线圈7和4，位于两个铁芯之间的衔铁5固定在量杆上2，由于被测工件1的尺寸变化，使量杆2移动，使上下两气隙发生变化，改变了线圈中的电感量Lx1和Lx2，电桥失去平衡，即可测出尺寸偏差。差动电感应式传感器

差动电感应式传感器与单线圈的电感应式传感器相比，结构上要复杂一些，但测量精度和灵敏度较高。2024/1/12武汉理工大学机电学院24/55工作原理

在线圈骨架上装有一个初级线圈和两个次级线圈。如果在初级线圈中输入高频电压e，则在两个次级线圈中会产生感应电动势。

两个次级线圈采取反向差接，输出电压相位相差180°，当铁芯处在两个次级线圈的中央位置时，感应电动势相等e1=e2，输出电压为零。当偏离中央位置时，靠近铁芯边的次级绕组感应电动势比较大，而另一边的感应电动势减小，输出电压为：

ech=e1-e2（3）差动变压器式传感器2024/1/12武汉理工大学机电学院25/55工作原理电容式传感器通常接在用电容和电感构成的桥式电路上（4）电容式传感器4为电容器的定片，动片3与量杆1联接在一起，量杆1用片弹簧2和5支承着。当工件尺寸变化时，动片3与定片4之间的气隙发生变化，从而引起电容量变化。极片间的距离极片的面积介电常数2024/1/12武汉理工大学机电学院26/55

电容式传感器的测量精度和灵敏度都较高，测量力小，多用于高精度测量。例如：在高精度外圆磨床上，根据已加工好的孔径配磨偶件时，都采用电容传感器作测量元件。不足所组成的测量仪对屏蔽要求比较高，易受外界干扰；测量电路的寄生电容对测量精度有影响。由于电容式传感器的测量范围很小，调整比较复杂，所以不如电感式、差动变压器式和气压式传感器用的普遍。电容式传感器的性能2024/1/12武汉理工大学机电学院27/55（5）光电式传感器

将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。2024/1/12武汉理工大学机电学院28/55检验成品尺寸示意图1工件；2量杆

；3光敏元件；4小孔

；5光源

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1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。2024/1/12武汉理工大学机电学院29/55加工过程中测量工件尺寸示意图——光电传感器应用1工件；2量杆

；3弹簧

；4弹簧；5反射镜

；6光敏元件；7透镜；8

光源；9量杆

工件1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。2024/1/12武汉理工大学机电学院30/55测量原理

经过滤清和稳压的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1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。工件尺寸增大，Z减小，p2上升工件尺寸减小，Z增大，p2下降。通过测量p2就可知工件尺寸的变化。

在p2与Z的特性曲线中，有一线性段AB，即p2与Z成线形关系，气动量仪应调整在这一范围工作。2、气动传感器测量范围2024/1/12武汉理工大学机电学院31/55优点

气动传感器所发出的气压信号不能直接控制执行机构，一般要将测量结果转换为相应的电信号来实现控制功能——通过各种电气传感器进行转换。应用范围很广，采用不同结构形式的测量头便可以测量不同的参数。属于非接触测量，量头不会磨损；放大倍数高，具有较高的测量精度和灵敏度；可以用于测量工件的尺寸偏差，也可测量形位公差；可以检验形状复杂的表面和用其他方法难以测量的内部尺寸。Note气源的过滤和稳压；气动系统有一定惰性，一般约需半秒后示值才能稳定。压力型量仪流量型量仪反映流量变化。反映压力变化，有低压型和高压型之分。2024/1/12武汉理工大学机电学院32/55

过滤以后的压缩空气经管道1进入稳压器2稳压，保持压力为4Kgf／cm2。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10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，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。工件尺寸减小，Z增大，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。1）薄膜式气动量仪

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。测量原理2024/1/12武汉理工大学机电学院33/55薄膜式气动量仪图例2024/1/12武汉理工大学机电学院34/55式中，K——量仪气动系统的放大比；

k——比例常数；——上降压喷嘴的孔径(毫米)(图中的孔4)；——下降压喷嘴的孔径(毫米)(图中的孔5)；——测量喷嘴的孔径(毫米)；——上出气环孔径(毫米)；放大比2024/1/12武汉理工大学机电学院35/55放大比

薄膜式气动量仪的测量线性范围为80微米，工件尺寸变化1微米（即Z变化1微米）测量杆7移动为10微米，即气动放大倍数K＝10。指示仪表14的放大比为100:1，所以气动测量仪总的放大比为1000:1。因此，指示表能清晰地显示被测对象的微小尺寸变化，每格示值为0.001毫米。2024/1/12武汉理工大学机电学院36/55

两个波纹状皱褶管1和2，其中一边通入恒定压力的压缩空气，另一边与测量头喷嘴相通，即通测量气压。中间的支架3根据两边气压之差的大小而处于不同的位置。安装在十字形片弹簧7上的触头杠杆5由支架3控制，与固定触头12和13相互作用发出极限尺寸信号。同时通过齿扇杠杆11、齿轮10和指针9直接指示测量值；另一方面，支架3还可以通过浮动触杆8及固定触头4、6测量工件的几何形状偏差。2）波纹管式气动量仪测量原理2024/1/12武汉理工大学机电学院37/552024/1/12武汉理工大学机电学院38/553）水银柱式气动量仪

压缩空气经过滤清器6从进气阀l进入稳压器2，使压缩空气保持稳定的工作压力然后进入分配器7中。气流在分配器中分成两路：一路经喷嘴进入测压气室8，其压力为Pc，再通到测头13，经喷嘴与被测表面所形成的间隙Z而流入大气；另一路经节流喷嘴进入预压气室4，再通过调节阀5与大气相通。调节阀5调定后，气室4内即为一恒定压力，可由压力表3示出。水银差压计11下端的薄膜气室12与测压室8相通；上端则通过防溢瓶9与预压室4相通。上下的压力差由水银柱的高度示出。

，

2024/1/12武汉理工大学机电学院39/552024/1/12武汉理工大学机电学院40/55

放大比

测量时，预压室4的压力用调节阀预先调定。测压室8的压力则随测量间隙Z的变化而变化。间隙大小的变化值由差压计11的水银柱高度变化示出，与之比为量仪的放大倍数，

放大倍数为1000～50002024/1/12武汉理工大学机电学院41/55

常采用锥管和浮标来显示气体流量的变化。压缩空气通过喷嘴7的孔，从间隙Z

流入大气。通过此环形间隙的空气流量Q与喷嘴的孔径d、间隙Z

呈如下函数关系：

该型量仪只能通过浮标读数，多用于静态测量成品的尺寸，或在计量室中使用。当需要在加工过程中进行主动检验时，——与光电式传感器联用，通过光电转换装置，将浮标的位置变化转换成控制信号。4）流量型气动量仪

当Z增大时Q值随之增加，反之则减小。流量Q

的变化使浮标3在锥形玻璃管2内作上下移动，通过刻度标尺4显示测量尺寸的大小。放大倍数为2000～10000测量原理2024/1/12武汉理工大学机电学院42/552024/1/12武汉理工大学机电学院43/55爱德蒙得公司气动量仪EDMUNDSGAGES2024/1/12武汉理工大学机电学院44/55AQF型浮标式气动量仪

配上各种测量头可实现下列测量项目：内径、外径、槽宽、孔距、深度、厚度、不圆度、锥度、同轴度、直线度、平面度、平行度、垂直度、通气度和密封性。AQF型浮标式气动量仪特点：

1.浮标式气动量仪是一种新型精密长度测量仪，与气动测头（或气动测量装置）配套使用，用比较测量方法可对多种机械零件的尺寸与形位公差进行精密测量。特别是对某些机械量具、量仪难以解决的测量，如小孔、深孔、窄槽宽、孔直线度、内锥孔的测量。对垂直度、同轴度等形位公差的测量效率更高。可实现远距离、非非接触、多参数测量。