第5章 检测自动化2

2024/2/28武汉理工大学机电学院1/37一、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、自动测量机构第五章检测自动化2024/2/28武汉理工大学机电学院2/37为何要实现加工过程检测自动化？目的：利用各种自动化的检测装置，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。实现检测自动化的优点：消除人为误差，使检测结果稳定可靠；采用先进的在线检测仪器，实现动态监测，提高检测精度；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。2024/2/28武汉理工大学机电学院3/37直接测量装置

在加工过程中，工人不停机就可测量工件的尺寸，可以通过自动检验装置在机床加工的同时，自动测量工件尺寸的变化，并根据测量结果发出相应的信号，控制机床的加工过程。可以变换切削用量停止进给退刀、停车等能主动控制加工过程，防止产生废品——主动检验间接测量装置

用量头直接测量工件的尺寸变化，主动监视和控制机床的工作。可检验外圆、孔、平面、断续表面等加工表面。根据被测表面的形状特征不同和机床的工作特点不同，有不同的结构形式。

依靠事先调整好的定程装置，控制机床的执行部件或刀具行程的终点位置来间接控制工件的尺寸。三、加工过程中的自动检验2024/2/28武汉理工大学机电学院4/37加工过程自动测量的基本过程

工件1在机床4上进行加工的同时，自动测量头2对其进行测量。将所测得的工件尺寸变化量经过信号转换放大器3转换成相应的电压信号，经放大后送回机床的控制系统，通过执行机构5控制加工过程。2024/2/28武汉理工大学机电学院5/37自动测量装置做保障

为了避免工艺系统的弹性变形影响测量精度，测量触点不宜布置在砂轮的对面，应布置在砂轮横进给相垂直的方向——将触点接触在工件的上母线或下母线上。单触点测点的布置2024/2/28武汉理工大学机电学院6/37

在磨床上精磨外圆时，要求磨床实现：

——大进给量（粗磨）

——小进给量（精磨）

——停车1、单触点测量装置

此装置由测量头3、QFP-2-1型浮标式气动量仪6和GK-4型晶体管光电控制器7、9组成。量头3装在磨床工作台上，测量杠杆2的硬质合金端与工件1的下母线相接触，另一端面B与气动喷嘴4之间具有一定的间隙

Z。杠杆2的A

部削薄使其具有一定的弹性，以保持触头对工件的测量力。在加工过程中，工件直径逐渐减小，间隙Z也随着减小，故浮标逐渐下降。

当工件到达规定的尺寸时，浮标正好切断光源控制器7从灯泡8发出的光束，于是光电传感器9输出一个信号，控制砂轮5退出工件。2024/2/28武汉理工大学机电学院7/37测量头的结构

杠杆2具有一定的弹性，以保持触头对工件的测量力。量头体3装在底座7的垂直槽中，用螺钉5锁紧。底座7固定在机床的工作台上，其底面结构根据工作台面的型式确定。松开螺钉5，可以借助于螺母6调节量头的高低位置。2024/2/28武汉理工大学机电学院8/37

测量装置底座10用螺钉紧固在机床工作台上，测臂5和8通过油缸驱动进入或退出测位。由差动变压器制成的传感器18固定在测量架1上。下测臂8籍片弹簧7与测量架1相连，8的左端与传感器18的测头接触。整个测量架1用两个锥形支钉17支承并可绕支钉轴心摆动。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和8间的距离，可根据工件尺寸的大小，在旋松紧固螺钉4后，转动带齿轮的小轴3，使齿轮在固定齿条2上滚动，从而使上测臂5上下移动进行调整。2、液压式双触点自动测量装量

至于上下测臂相对于工件中心的位置，可松开螺钉16，转动齿轮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。通过微调螺钉15，可对上下测臂的中心高度进行微调。

2024/2/28武汉理工大学机电学院9/37上下测臂的调整

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。2024/2/28武汉理工大学机电学院10/37特点及应用

此测量装置控制磨削过程最后发出三个控制信号：粗磨结束进入精磨，控制相应接触器或电磁阀，减小砂轮进给量；精磨结束进入光磨，控制相应接触器或电磁阀停止进给；工件磨到尺寸发出信号使砂轮架和测量装置快速退回。

由于测架1是用支钉17支承在滑块12上，从而可以上下摆动，工作时上测臂5以工件的上母线为基准，用下测臂8测量下母线至上母线的距离，即工件的直径，因而只有当工件尺寸变化时才反映信号，而工件中心对量头的相对偏移以及加工中的振动都不会影响测量结果。2024/2/28武汉理工大学机电学院11/37双触点气动测量装置

装在上测量卡爪一端的挡销11与装在下卡爪上的喷嘴14之间形成测量间隙Z。当工件的直径在磨削中减小时，两个测量卡爪相对运动的结果使间隙Z逐渐减小，从而通过气动量仪发出相应的控制信号。由于上下测量卡爪可绕小轴3摆动，因而能消除工件回转时振动的影响。

下测量卡爪13以滚动轴承安装在座块3上，可以绕小轴3摆动。座块6与支承板5联成一体，安装在传动滑板4上。上测量卡爪8用片弹簧10安装在下卡爪13的上部，并在片弹簧7的作用下对工件产生测量力。弹簧销2则使下卡爪贴紧工件的下母线。2024/2/28武汉理工大学机电学院12/37

双触点测量装置能保证较高的测量稳定性，同时便于自动引进和退离工件，——在自动和半自动的磨床上、曲轴磨床上广泛使用。

结构简单，厚度尺寸很小，适合磨削位于两端面之间的短轴颈。双触点气动测量装置特点及应用2024/2/28武汉理工大学机电学院13/37与外圆磨床相似，易受安装误差和振动影响。刚性塞规双触点测量装置单触点测量装置

结构和电路简单，容易磨损，工作稳定性差，测量精度不高，用于测量精度低于IT7以下的孔。

广泛使用。电感应式、差动变压器式、气动式内圆磨削双触点自动测量2024/2/28武汉理工大学机电学院14/37内圆磨削双触点自动测量原理

量爪1，2进入工件孔中而处于测量状态。量爪1和2都通过支承块4、十字片弹簧3与测量装置的基架16相连。在上支承块4的右端装有电感式传感器6，在下支承块的右端则装有臂10，其中装有可调节的量端11，与传感器量端接触。上、下量爪1、2各处在弹簧5的作用下而获得一定的测量力。工件孔径尺寸变大时，上量爪绕十字片弹簧顺时针转动，下量爪反时针转动，从而使传感器测量杆(铁芯)相对于线圈移动，发出尺寸偏差信号。如果是由于工件振动而使量爪摆动，则两量爪的转向相同，传感器不发出信号。2024/2/28武汉理工大学机电学院15/373、断续表面自动测量装置

装有护帽2的测量喷嘴11安装在支承块10上，护帽2的上端面比喷嘴高出0.1毫米。在支承块5上装有可调螺钉，其端面与喷嘴形成测量气隙。这样当键槽从量头下通过时，由于护帽2的作用，其测量气隙总等于0.1毫米，而当花键外圆部分与测头接触时，测量气隙的大小就决定于工件外径尺寸。

上下测杆5和1的硬质合金测头与工件4的外圆表面接触，另一端则分别固定在支承块7和10上。支承块7和10各用两片平行的片弹簧8支承，弹簧6用以对工件产生测量力，挡块9用以限制支承块的行程。气隙2024/2/28武汉理工大学机电学院16/37

刀具的磨损对工件尺寸有直接影响加工精度要求低，刀具耐用度高时，问题不突出。

依靠事先调整好的定程装置，控制机床的执行部件或刀具行程的终点位置来间接控制工件的尺寸。例如：行程挡铁或行程开关在车床上用停车挡块控制工件的轴向尺寸组合机床用挡铁和行程开关控制加工循环自动和半自动磨床用定程法磨削工件间接测量装置2024/2/28武汉理工大学机电学院17/37

珩磨过程中对孔径进行自动测量，要比内圆磨削要困难一些——珩磨头堵塞了孔的整个空间。主要问题——如何可靠地安置量头。非接触式测量将喷嘴安装在珩磨头体上，与珩磨头一起往复运动，在孔的全长上进行测量。量头无磨损，测量精度高。磨粒和金属细粒、冷却液对喷嘴工作产生影响。珩磨自动测量2024/2/28武汉理工大学机电学院18/37珩磨过程自动测量装置

在工件6上方的支架5中，装有可转动的标准环3，此标准环的孔径与被加工孔在珩磨后的尺寸相应。在每一珩磨砂条4的末端，带有塑料(或电木)块2。每当珩磨头1向上到最高位置时，塑料块2进入标准环3的孔中，当工件的余量未被切除时，珩磨头的外径小于环3的孔径。在珩磨过程中砂条逐渐向外胀开，亦即珩磨头连同塑料块2的外径不断增大，等到工件孔径达到要求的尺寸时，塑料块2进入环3的孔中后，便以摩擦力带动标准环3转动。环3上的销7压在信号发送装置8上，发出停车信号。挡销9和10用以限制环3的转动角度。2024/2/28武汉理工大学机电学院19/37

对于一些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精度和调整精度。当工件精度要求高，而切削工具磨损较快——刀具的尺寸耐用度较低时，则机床的工作时间不长，工件的尺寸精度就会显著降低。为了恢复机床的调整精度，就必须进行再调整——对生产率有很大影响，不能发挥自动化机床的生产效率。尺寸控制原则四、工件尺寸的自动补偿

工件尺寸的自动补偿一般采取尺寸控制原则。在工件完成加工后，自动测量其实际尺寸。当工件的尺寸超出某一规定的范围时，测量装置就发出信号，控制补偿装置，自动调整机床的执行机构，或者对刀具进行调整以补偿尺寸上的偏差。2024/2/28武汉理工大学机电学院20/37

已加工好的工件5用量头6进行测量，其测量结果可在控制仪表7上显示出来。当由于镗刀磨损使工件尺寸到达某一极限值时，控制装置7即发出补偿信号。补偿机构4通过镗头3对镗刀2进行调整以补偿磨损，使其后加工的工件1的尺寸回到规定的尺寸范围内。自动补偿装置工作原理2024/2/28武汉理工大学机电学院21/37自动补偿装置的组成测量装置信号转换或控制装置补偿机构2024/2/28武汉理工大学机电学院22/37

自动补偿系统的测量和补偿过程滞后于加工过程。为了保证在对前一个工件进行测量和发出信号时，后一个工件不成为废品，不能在工件已到达极限尺寸时才发出信号。——留有一定的安全带。刀具磨损，工件尺寸不断变小——补偿带B。孔加工轴加工刀具磨损，工件尺寸不断变大——补偿带B。考虑其它因素的影响，有时在两个方向上设置补偿带。补偿带2024/2/28武汉理工大学机电学院23/37双端面磨床自动补偿2024/2/28武汉理工大学机电学院24/37

机床有左右两个磨头2和5，被磨削工件7从两个砂轮中间通过，同时磨削两个端面。气动量仪的喷嘴1用来测量砂轮5相对于定位板6的位置，并保证定位板6比砂轮5的工作面低一个数值Δ，以保证工件顺利地输送出来。已加工工件7的厚度由挡板3、气动喷嘴4进行测量。如果砂轮5磨损了，则气隙Z1变大，气动量仪将发出信号使砂轮5进行补偿；如果工件尺寸过厚，则气隙Z2将变小，气动量仪将发出信号使砂轮2进行补偿。双端面磨床自动补偿2024/2/28武汉理工大学机电学院25/37镗削尺寸自动补偿原理

测量头2测量已加工完的工件1，测量结果与预定值(警告界限)进行比较并由控制装置进行处理。当孔的尺寸达到控制尺寸下限时，向自动补偿装置4和5发出补偿指令，使刀具3产生微米级的径向微量位移，完成补偿刀具尺寸磨损的运动。2024/2/28武汉理工大学机电学院26/37精镗自动补偿技术

2024/2/28武汉理工大学机电学院27/37压电晶体式补偿刀杆

图中1为压电陶瓷管，加上正电压时便向左伸长，推动滑柱2、方形截面的楔块8和圆柱楔块7，在克服板弹簧4的压力后左移，通过圆柱楔块的斜面将固定在滑套6中的镗刀5顶出，产生一次微量进给。当加上反向电压时，元件1收缩，圆柱楔块7的斜面因小于自锁角而不能后退。在弹簧3的作用下，方形楔块8向下位移，以填补由于元件1收缩时所留出的间隙。经若干次正反向电压的反复作用，使刀尖向外伸出达到顶定补偿量。这个装置不能实现反向补偿和自动复位。

2024/2/28武汉理工大学机电学院28/37五、自动测量机专用自动测量装置通用自动测量装置2024/2/28武汉理工大学机电学院29/37应用实例钢球自动分类机活塞环厚度自动检验—分类机1、专用自动测量装置2024/2/28武汉理工大学机电学院30/37

轴承厂大量的钢球需要按一定尺寸分组——选择法装配轴承。

结构简单，有惯性，分类精度不高，>0.002mm。

料斗1中贮存有按产品公差制造的钢球，通过转动着的圆盘2将钢球送入输料槽3中，楔形量规4由两块倾斜布置的刃片组成，两刃口组成一狭缝，按钢球的尺寸公差调整，开始窄一些，逐渐变宽。钢球沿刃口边滚动时，尺寸由小到大依次落入相应的分组格子中。钢球自动分类机分组装配法2024/2/28武汉理工大学机电学院31/372024/2/28武汉理工大学机电学院32/37

钢球9从料斗1输出后，沿输料槽进入精密测量板4上，位于量板上方的梳形板2沿封闭的矩形曲线作循环运动，将钢球依次放到量头3下面进行测量。量头3的数量取决于要求分组的数目，与量板4之间的距离用块规事先调整好（沿钢球传送方向依次增大）。梳形板由凸轮和杠杆传动。可按0.002mm的精度将钢球进行分组。生产率：180-250个/分钟

当钢球9被送到第1量头下面时，如果直径大于量头3与量板4之间的距离，就会阻留在这个位置上，再由梳形板2移至下一个位置。如果此时钢球直径小于量头与量板之间的距离，钢球便在自重的作用下滚入相应的分类箱中。精密钢球自动分类机2024/2/28武汉理工大学机电学院33/37活塞环厚度自动检验—分类机2024/2/28武汉理工大学机电学院34/37

用电接触式测量头对活塞环整个圈周轴向厚度进行测量，并将测量结果分成合格品、过大（厚）和过薄三类。

活塞环在圆盘3中正确定位后，测量卡规7的触头（5、6）进入被测量的活塞环中，厚度的尺寸信号由传感器4发出。由于圆盘3转动，可以对活塞环2整个圆周进行厚度测量，如果厚度超出公差范围，就向电磁铁10发出信号，活门9打开，落入相应的分类箱中。

活塞环2贮存在料仓中，上料推板1由凸轮驱动，将料仓最下面的一只活塞环2推送至半圆形固定板8上，上料推板1和固定板8的半圆拼成一个整圆，将活塞环夹住，凸轮14通过杠杆机构16、推杆11上端的圆盘将活塞环2顶入旋转圆盘3的孔中。工作原理2024/2/28武汉理工大学机电学院35/37检验自动机的设计特点自动上料装置运输装置测量装置，包括测量传感器执行机构，包括信号的保存、打标记

执行机构是一种分类装置。例如：活门由于测量和分类动作不是同时进行，必须将测量结果保持下来。对于活门，虽然工件离开测量位置时，测量信号已经撤除了，但执行机构仍应按测量