先进制造技术 课件 第五章 先进检测技术

第五章先进检测技术Advancedtesttechnology先进制造技术Contents5.1先进检测技术概述5.3制造现场在线检测技术5.5本章小节5.2现代精密测量技术与装备5.4纳米级测量技术5.1先进检测技术概述-3--4-5.1先进检测技术概述先进制造技术检测技术是现代制造系统运行质量保证体系的核心环节，不仅涉及数据信息的获取、分析和评定，还包括实时监控制造过程中可能出现的问题。高精度的检测设备和技术是现代加工技术与装备的核心部分，成为提高生产效率和产品质量的关键因素。发展趋势精密化极端化集成化智能化网络化数字化虚拟化三维数字化工厂-5-5.1先进检测技术概述先进制造技术先进检测技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，它与精密加工技术相辅相成，要求测量误差比加工误差高一个数量级。先进检测技术致力于在加工过程中及加工完成后对产品尺寸和性能的实时监测和评估，与精密加工技术的发展的重要支撑。“高档数控机床与基础制造装备”专项中国高档数控机床企业-6-5.1先进检测技术概述先进制造技术双频激光干涉仪测量准确度高，测量范围大，常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件设备。研究方向：研制以激光干涉为基础的数控转台测量仪、以激光差动干涉为原理的数控机床插补误差测量仪。装置结构测量原理扫描显微测量方法主要用于测量表面的微观形貌和尺寸，用极小的探针对被测表面进行扫描测出表面的三维微观立体形貌。X射线干涉显微测量技术是近年来新发展的纳米测量技术，是一种测量范围大，较易实现的纳米级测量方法。-7-扫描显微测量技术5.1先进检测技术概述先进制造技术计算机全息术原理工作原理成像原理重要标志：精密检测仪器进入生产现场已成为先进制造系统。研究重点和热点问题：精密与超精密检测技术及误差补偿技术、加工检测一体化。发展方向：高分辨力、高准确度和高可靠性。-8-在线检测技术5.1先进检测技术概述先进制造技术使用光纤探针的在线晶圆检测设备全自动晶圆探针台-9-检测计量技术5.1先进检测技术概述先进制造技术发展动力：现代制造企业需要强化具有自主创新技术的产品开发能力和制造能力。检测费用：在汽车制造行业，用于测试仪器及测试计量的费用约占产品成本的10%，在微电子制造行业高达25%。CIMT高精度测量机展品国家中长期科学和技术发展规划战略研究交流会议现场我国提出科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”，目标是围绕航空航天、船舶、发电设备、汽车、电子及通信设备等制造业的迫切需要，提升装备制造业的自主创新能力和核心竞争力。-10-5.1先进检测技术概述先进制造技术发展特点精密检测与极端检测需求不断增加检测系统的网络化与智能化检测信息的集成与多信息融合加工精确度提高到0.001mm，几何量测量精度提高到0.01-0001μm，尺寸测量范围达到40个数量级，在线检测与机电系统的集成化。性价比得到提高，仪器资源得到延伸。测量信息种类多、信息量大信息可靠、快速传输和高效管理消除各种被测量之间的相互干扰-11-先进检测技术类型5.1先进检测技术概述先进制造技术高端测量仪器一般依赖于某种先进测量原理、工艺或算法等，以实现高精确度和准确度、高稳定性、高可靠性等目标。按测量时被测表面与计量器具的测头是否接触可分为接触式和非接触式。光学测量可分为相干和非相干两类。由于光学测量以其非接触、高效率、高准确度、可溯源和易于实现自动化的特点，长期以来一直是测量技术研究的热点。三坐标测量机超声波测厚仪光学影像测量仪-12-扫描探针显微技术5.1先进检测技术概述先进制造技术扫描探针显微技术指利用探针与样品间的不同作用原理探测物体表面相关性质的方法。扫描隧道显微镜(Scanningtunnelmicroscope,STM)和原子力显微镜(Atomicforcemicro⁃scope,AFM)等，统称为扫描探针显微镜(Scanningprobemicroscope,SPM)。近年来，基于AFM的静电力、摩擦力、磁力、剪切力等扫描力显微术发展很快，可以分别应用于非导体、磁性物质甚至有机生物体等表面的纳米级测量。AFM装置设备AFM工作原理STM装置设备-13-共焦显微成像及测量技术5.1先进检测技术概述先进制造技术共焦显微镜(Confocalmicroscope)基本装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学M.Minsky研制，并于1957年申请了美国发明专利。共焦显微镜采用点照明、点扫描、点探测，实现三点共轭聚焦成像，具有高横向分辨率和轴向光学层析能力，因而成为20世纪显微光学领域所取得的最重大的发明之一。应用领域：生物医学、工业检测、精密工程和材料科学。激光扫描荧光共焦显微镜装置设备工作原理成像效果-14-三维形貌测试技术5.1先进检测技术概述先进制造技术几何量测试技术方法，在模具、逆向工程、质量控制等方面有着广泛应用。研究方向：现场测试（使用简便、精度高、速度快）；量程扩大（向微纳和超大尺寸两端延伸）机器人测试技术机器人是一类具备全部自由度、运动形式灵活、高度柔性的自动化设备。目前，能够实现0.04mm的重复定位精度。光学3D表面轮廓仪测量机器人-15-计算机视觉测试技术5.1先进检测技术概述先进制造技术基于计算机视觉的测试技术是一种将计算机视觉、图像处理和测试技术相结合的光学测试方法，具有非接触、可实时在线、精度高、信息量丰富等优点。目前被认为是实现在线精密测试的一种最有效手段，重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。在视觉测试系统中，图像识别处理技术已经成为测试技术中的重要课题之一。机器视觉检测系统缺陷识别处理-16-无损检测技术5.1先进检测技术概述先进制造技术材料的某些物理量由于有缺陷会发生变化,通过无损检测测量这些变化量，从而判断材料内部是否存在缺陷。常用的无损检测方法主要包括磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声检测、X射线检测等方法。无损检测是工业生产中实现质量控制、节约材料、改进工艺和提高劳动生产率的重要手段，也是设备安全运行的重要检测手段。超声波检测技术超声波检测原理-17-5.1先进检测技术概述先进制造技术先进测量仪器的现状和制约我国机械制造中测量领域存在的问题自主创新能力差，原创技术少。在己有主流的各类测量技术及仪器设备中，很少有我们自己的原创技术。高端、高附加值测量仪器设备几乎空白。当前主流行业应用中的高增仪器设备，国内品牌被排斥在外。测量仪器(装置)本身的可靠性差。现有国内高档产品的可靠性指标(平均无故障时间)与国外产品相比，大致要差1~2个数量级。测量设备的性能、功能落后。目前国外智能化测量程度相当高，网络化已经进入了实用阶段，而我国基本上处于起步阶段。缺乏针对使用对象开发的专用解决方案。国外的发展趋势是开发与应用对象紧密结合的个性化解决方案，而我国目前的研发力量主要集中在高校和科研院所。-18-5.1先进检测技术概述先进制造技术先进光学元件检测的要求和难点光学检测作为光学科学与工程的重要组成部分，难题在于大中型光学元件。大中型光学镜面的加工一般经历铣磨、研磨、抛光等阶段。铣磨阶段以坐标测量机为主；研磨阶段采用激光位移传感器，或开发大范围、高精度的坐标测量机；抛光阶段表面粗糙度采用波面干涉仪测量。能否衔接铣磨、研磨和抛光三个阶段之间的检测和加工，是制约大中型光学镜面推广应用的一个关键技术。光学检测技术要求光学材料种类越来越多，光学元件的面形越来越复杂光学元件的口径跨度大，且口径逐渐大型化对光学元件的高中低频面形误差要求更严格，接近甚至达到纳米级水平-19-5.1先进检测技术概述先进制造技术由于光学元件的口径、面形和材料不同，在不同的制造阶段，甚至在同一个制造阶段，为实现其面形误差以及亚表面质量的检测，均可能采用不同的测量技术和设备。基于坐标的测量方法使用范围：研磨和粗抛光阶段面。典型应用：美国亚利桑那大学开发的大型非球面镜的摆臂式轮廓测量方法（极坐标测量法或倾斜轮廓仪测量法）、直角坐标测量方法（线性轮廓仪、最经典）。基于干涉的测量方法使用范围：光学元件最终抛光阶段面形检测。典型应用：波前均方根值（RMS=E）、能量谱密度（PSD）特征曲线。线激光轮廓仪摆臂式轮廓仪波前均方根值能量谱密度特征曲线5.2现代精密测量技术与装备-20--21-光学轮廓仪激光轮廓仪白光干涉式轮廓仪扫描电子显微镜触针式表面轮廓仪先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备轮廓仪轮廓仪是一种能够测量物体轮廓的测量仪器，可以测量物体的形状和尺寸，还可以帮助检测物体表面的形位特征。在测量形状和尺寸方面，轮廓仪的分辨率可以达到亚微米级别，这使得它成为了许多工业领域进行质量控制和产品检验的重要工具之一。光学表面轮廓仪采用激光光源和光学成像系统，可以对物体进行非接触式、高精度的三维测量，适用于复杂形状的物体。激光轮廓仪则使用激光束作为测量光源，可以对被测物体表面进行快速、高精度的测量，适用于大批量生产中的检测。-22-测量原理分光镜被测样品光学表面轮廓仪装置结构卤钨灯聚光灯组孔径光阑准直物镜干涉物镜参考板分光板俯仰调整台视场光阑辅助透镜CCD图像采集卡计算机压电陶瓷驱动电源压电陶瓷先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备-23-装置结构测量原理先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备触针式表面轮廓仪触针式表面粗糙度测量仪的优点在于，它可以测量工件表面的粗糙度、平直度、平行度、垂直度、角度和轮廓等多种特征，能够准确地表征被测工件的表面质量和形状。触针式表面粗糙度测量仪是目前最常用、最可靠的表面粗糙度测量方法之一。现代的触针式表面粗糙度测量仪通常配备了先进的数字化处理系统，可以实现高精度的测量和数据分析。-24-装置结构测量原理先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备激光干涉仪激光干涉仪使用迈克尔森干涉系统的一般长度来测量已知长度的激光波长，除测量长度外，激光干涉仪还可用于测量线性位置、速度、角度、平行度和垂直度，可用于精密工具机或测量仪器的校正。应用领域：汽车制造、航空航天、电子制造和医疗设备制造等。-25-脉冲式扫描仪相位式扫描仪先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备三维激光扫描仪三维激光扫描仪是三维激光扫描系统中的主要组成部分，主要由扫描平台、时间计数器、运动系统、控制箱、CCD相机、计算机等组成。三维激光扫描仪根据其工作原理主要分为脉冲式扫描仪和相位式扫描仪。-26-装置结构激光器发射脉冲信号到达物体表面反射回扫描仪接收信号，直接测量飞行时间，在根据激光传播速度，计算出待测距离。测量原理脉冲式三维激光扫描仪作为高精度三维测量仪器，可实现对待测物体的精确测量和数字化建模，具有高精度、高效率、全方位测量的特点。三维激光扫描仪可以在水平面上进行360°旋转扫描，竖直方向进行270°以上的旋转扫描，可实现对待测物体的全方位测量和数字化建模，适用于需要高精度和全面测量的领域，如建筑测量、文物保护、工业生产检测等。脉冲式扫描仪装置和原理先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备-27-装置结构测量原理相位式三维激光扫描仪在测量精度方面优于脉冲式三维激光扫描仪，但受到环境因素、物体材质和表面颜色等方面影响较大，因此在使用时需要对环境因素进行校准和控制。应用领域工业制造人体医学建筑工程文物保护相位式扫描仪装置和原理先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备-28-工业制造领域建筑工程领域航空航天领域应用领域船舶、汽车、飞机等大型机械设备的装配、精度校准等工作地基沉降监测、高层建筑垂直度测量等工作飞行器的姿态控制、导航定位等方面，飞机和火箭发动机的装配和调试先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备激光跟踪仪激光跟踪仪主要利用激光束对目标点位进行测量，其测量精度通常可以达到亚毫米级别。激光跟踪仪采用四象限光电位置感应器，可以实现对目标点位的实时追踪和测量，并通过内置的计算机系统将实时数据反馈给用户。-29-LeicaAT901APIRadianFAROIONEtalonNG主流激光跟踪仪先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备仪器型号LeicaAT901APIRadianFAROIONEtalonNG测量范围/m8080550.2~20水平范围/(O)±360±320±270±225垂直范围/(O)±45-59~+79-50~+75-35~+85跟踪速度/(M/s)6640.6测角分辨力0.14’’0.018’’--ADM精度10um10um8um+0.4um/m-IFM精度±0.5e10-6±0.5e10-6±(2um+0.4um/m)±0.2um+0.3um/m-30-LeicaTCRA测量机器人拓普康GT1001/1002超声波测量机器人Trimble天宝S5测量机器人索佳iX1001超声波马达测量机器人先进制造技术5.2现代精密测量技术与装备测量机器人测量机器人是一种集成先进技术的自动化测量设备，其核心技术是全站仪技术和智能化控制技术。1983年，HKahmen课题组成功研制了一种由视觉经纬仪改制而成的组合式的测量机器人，并成功应用于煤矿的边坡监测，可自动监测几百个变形目标点。Leica公司在推出TPS1000系列测量机器人后，迅速推出了其配套自动化极坐标测量软件系统(APSWin)，并提供全面的二次开发工具和方法。5.3制造现场在线检测技术-31--32-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术优点实时监测：自动在线检测技术可以实时监测数据，快速发现问题，避免问题扩大化提高效率：自动在线检测技术可以自动完成大量的检测任务，减少人工检测的时间和成本，提高工作效率减少人为误差：自动在线检测技术采用计算机程序进行检测，能够减少人为误差的发生数据精度高：自动在线检测技术采用高精度的传感器和仪器，能够获得更加准确和可靠的数据，提高数据精度在线检测定义：检测器具、装置、系统或检测工作站在空间上被集成在制造系统中，制造过程与检测过程没有时间上的滞后或只有很短的时间滞后的技术。实现途径：在设备上安装自动检测装置；在自动生产线上设置自动检测工位。-33-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术应用场合质量参数测量方法及传感器表面形貌检测及监控表面形貌包括表面粗糙度、表面波纹度等触针式轮廓仪、光切法、光学探针法、全积分散射法、离焦误差检测法、共焦扫描法、外差千涉法、干涉显微镜、力显微镜、扫描隧道显微镜、扫描近场光学显微镜等自由曲面测量曲面的几何形状精度、曲面平滑度、尺寸公差等坐标测量机和三维扫描测头、光电CCD扫描，如：单光点三角法、光切法，雷达测距法、结构光传感器、线性位移激光探头等圆柱形零件在线检测圆柱形孔直径、圆度、圆柱度、同轴度等衍射测量法、激光扫描法、气电测量传感器振动监测振动幅度、频率分布、振动模式等电涡流式、电容式、电动式、压电式、压阻式、光纤测振等无损检测、无损探伤内部缺陷（如裂纹、空洞）、材料密度不均、组织不均匀性等超声波检测、X射线检测、核辐射检测等机械制造过程在线检测中的质量参数、测量方法及传感器-34-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术数控机床在线检测系统机床运动检测机床温度检测机床液压系统检测机床振动检测机床状态诊断数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，是制造业的加工母机。数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，不需要计算机辅助；另一种则要用户自己开发宏程序库，借助计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中。机床系统软件系统数控装置：数控机床的核心测量系统：在线检测的关键运动检测振动检测-35-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术未来，随着人工智能、大数据、物联网等技术的发展，数控机床在线检测技术将迎来更加广阔的发展前景。设备操作更加人性化、智能化信息化水平、开放程度更高模块化、标准化发展发展趋势人工智能大数据物联网-36-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术在集成设计技术中，首先需要选择适合的测量仪器和制造系统，然后通过网络通信、协议转换、数据处理等技术手段，将测量仪器和制造系统进行无缝集成。测量仪器制造系统无缝集成测量仪器与制造系统的集成设计测量仪器与制造系统的集成技术是一种将测量仪器与制造系统进行无缝集成的技术，通过将测量仪器与制造系统的数据传输、信息共享、任务协调等关键环节进行集成，可实现制造过程中的实时监测、控制和优化。-37-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术通过开发任务协调和管理软件，实现测量仪器与制造系统之间的任务协调和优化，提高制造系统的效率和质量。该技术在工业制造领域中具有广泛应用，可以用于实现制造过程中的实时质量控制、工艺优化和智能化制造等目标。集成设计智能化制造系统-38-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术柔性制造系统（FMS）的监控与诊断系统检测监控系统加工设备监控工件监控数控机床加工中心机器人自动导引小车工序间监控最终工序监控系统运行状态子系统机床工作状态子系统刀具状态子系统工件状态子系统系统安全子系统测量系统名称测量范围分辨率精确度感应同步器直线式10-3~104mm1~5mm±1~2.5mm/250mm旋转式0°~360°—±0.5”~±1”光栅长光栅10-3~104mm0.1~1mm±1.5~±10mm/1m圆光栅0°~360°—±0.5”~±1”磁栅长磁栅10-3~104mm—±1.5~±10mm/1m圆磁栅0°~360°—±1”容栅—5mm±30mm球栅—10mm±10mmHe-Ne激光测长—λ=0.6328mmλ/16—数控机床常用检测系统及其主要性能-39-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术刀具/砂轮过程检测和监控系统刀具与砂轮过程检测和监控系统是一种用于监测刀具或砂轮加工过程中磨损情况的系统。该系统主要由传感器、数据采集系统、信号处理系统和控制系统等组成。可以实现以下几个方面的优化：①提高加工质量；②提高生产效率；③降低成本。基于多源信息融合的刀具磨损预测模型-40-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术视觉测量仪器与制造系统的集成系统视觉测量仪器可以通过高分辨率的摄像头和精密的图像处理算法，对零件进行二维或三维测量，可用于检测零件的尺寸、形状和位置等。主要由高分辨率的摄像头、光源、图像处理算法和计算机控制系统等组成。具有以下几个特点：①非接触式测量；②测量范围广；③测量精度高；④测量速度快。视觉检测仪器图像处理结果-41-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术机器人检测技术在工业制造领域中，机器人检测技术的应用范围非常广泛，可以涵盖从制造到装配的整个过程。常见的：姿态和位置检测、环境感知、动态运动学分析。环境感知动态运动学分析姿态和位置检测-42-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术我国的民营检测机构已经陆续开发了基于机器人的智能化检测系统。利用机器人的优势，可达到极高的效率、精度和一致性，同时有效降低人工操作及人为错误对检测质量和效率的影响。劳动力成本无人车间机器换人发展趋势多传感器融合智能算法应用智能维护、预测发展趋势融合多传感器-43-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术计算机视觉测试技术计算机视觉测试技术在工业制造领域中的应用非常广泛，例如在电子产品制造中，可以利用计算机视觉技术进行电路板检测和元器件识别；在汽车制造中，可以利用计算机视觉技术进行车身和零部件的检测；工件视觉检测图像采集图像预处理特征提取模式匹配输出结果工件检测流程-44-先进制造技术5.3制造现场在线检测技术计算机视觉系统计算机视觉检测系统工作流程分为三个部分，分别是图像信息获取、图像信息处理以及机电系统。计算机视觉不同于一般的图像处理，除了图像到图像的转换外，它还包括对外部环境的识别、研究和操纵。5.4纳米级测量技术-45--46-先进制造技术5.4纳米级测量技术科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级，已至纳米级，即微纳技术。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，使用该机床已经可以加工10nm以下的线、柱、槽等结构。纳米级测量技术主要有光干涉测量技术及扫描显微测量技术两个发展方向。激光微纳制造单点金刚石车床-47-先进制造技术5.4纳米级测量技术激光干涉仪ZYGO高精度白光干涉仪HASO4FIRST波前传感器激光干涉测量技术：利用激光光源产生单色光束，通过分光器将光束分为两路，经过反射镜反射后在被测物体表面交汇，形成干涉条纹，通过分析干涉条纹的变化来推导出被测物体的表面形貌信息。白光干涉测量技术：采用白光