机械制造自动化技术（第4版）课件：检测过程自动化

检测过程自动化检测的难度和要求大大提高，传统的检测方法无法满足要求，先进的检测技术不断出现。检测->产品质量管理：自动化加工设备的安全，产品的加工质量，避免重大加工事故，提高生产率和设备利用率。第一节制造过程的检测技术一、基本概念同时还需要掌握加工过程中各种有价值的信息。·机械加工系统--在不同的生产条件下，通过自身的定位装夹、运动、控制以及能量供给等机构，按不同的工艺要求实现将毛坯或原材料加工成零件或产品。机械加工系统是一个转变系统。·制造过程的检测技术--就是采用人工或自动的检测手段，通过各种检测工具或自动化检测装置，为控制加工过程、产品质量等提供必要的参数和数据。这些参数和数据可以是几何的、工艺的或物理的。·检测与组成加工系统之间的关系：--定位子系统：建立刀具与被加工工件的相对位置。--运动子系统：为加工过程提供切削速度及进给量。--能量子系统：为加工过程改变工件形状提供能量保证。--控制子系统：对加工系统的信息输入和传递进行必要控制。--检测子系统：为控制加工过程，产品质量监控等提供必要的数据信息。第一节制造过程的检测技术·主动检测与被动检测被动检测--对加工后的工件进行检测，仅能起到剔除废品的作用。·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主动检测--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。天体的温度测量，山峰高度的测量，海底深度测量在线测量->工序间和最终工序检测第一节制造过程的检测技术4.全部检测和抽样统计检测二、检测装置·检测要素(机械加工系统）·检测手段--产品的检测要素：精度、粗糙度、形状、缺陷等；--对加工设备的检测要素：切削负荷、刀具磨损及破损、温升、振动、变形等。--人工检测：主要是人操作检测工具，收集分析数据信息，为产品质量控制提供依据；--自动检测：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。第一节制造过程的检测技术·检测工具第一节制造过程的检测技术三、自动化检测类型（3）及时获取生产信息，便于控制和管理。自动化检测的优点：（1）检测与加工平行操作，效率高；（2）减少人的主观因素的影响；第一节制造过程的检测技术1.产品精度检测：在工件加工完成后，按验收的技术条件进行验收和分组。2.工艺过程精度检测：在生产工艺过程中，根据检测结果比较最终工件的尺寸要求，并通过检测装置，自动地控制机床的加工过程。(加工前、过程中、后检测)

一、工件尺寸的检测方法

第二节工件尺寸的自动检测1.离线检测离线检测的结果分为合格、报废和可返修三种。经过误差统计分析可以得到零件尺寸的变化趋势,然后通过人工干预来调整加工过程。2.在线检测 通过对在线检测所获得的数据进行分析处理,利用反馈控制来调整加工过程,以保证加工精度。在线检测又分为工序间(循环内)检测和最终工序检测。在线检测的主要手段是利用坐标测量机对加工后机械零件的几何尺寸与几何精度进行综合检测。工件的尺寸、形状误差类别--随机误差和系统误差两种。系统误差：刀具磨损、由切削力和工件自重引起的机床变形、加工系统的热变形以及机床的导轨直线度误差。随机误差:产生因素十分复杂。工件尺寸、形状在线检测手段CNC圆度、圆柱度测量仪第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动检测装置目前,在线检测、定尺寸检测装置多用在磨削加工设备。1.磨床的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。机床、执行机构与测量装置构成一个闭环系统。第二节工件尺寸的自动检测实例外圆磨削中使用的压力型单触点式气动测量装置2.三坐标测量机（CMM）·组成--工作台、三维测量头、坐标位移测量装置和计算机数控装置等组成。·测量--在数控程序的控制下，测头沿被测工件表面移动，移动过程中，测头及光学的或感应式的测量系统将工件的尺寸记录下来，计算机根据记录的测量结果，按给定的坐标系统计算被测尺寸。·使用--加工前测量和加工后测量两种。

加工前测量的主要目的是测量毛坯在托盘上的安装位置是否正确，毛坯尺寸是否过大或过小。

加工后测量是测量加工完的零件的加工部位的尺寸和相互位置精度，再送至装配工序或线上其它加工工序。三坐标测量机第二节工件尺寸的自动检测3.三维测量头的应用 将三维测头安放于机床刀库中，在需要检测工件时由机械手取出并和刀具一样进行交换装入机床的主轴孔中。测头的测量杆接触工件表面后，通过感应式或红外传送式传感器将信号发送到接受器，然后送给机床控制器，由控制软件对信号进行必要的计算和处理。加工中心三维测量头第二节工件尺寸的自动检测CMM的测量精度很高，但对测量环境要求高，工件需多次运送，对于精度要求不是很高的加工件,显然是不经济的。可以通过将三维测量头安装在机床主轴上的方式来解决。4.激光测径仪 ·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。·激光测径仪包括光学机械系统和电路系统两部分。·工作原理第二节工件尺寸的自动检测·实例5.机器人辅助测量 ·直接测量·间接测量（辅助测量）CAV分析轮廓度检测数模与实物比对绝对测量，较高的运动和定位精度，造价高。机器人的自身坐标运动不参与测量过程，只是将测量工具送至测量位。便于使用通用机器人进行测量。对传感器和测量装置要求较高。第二节工件尺寸的自动检测三、加工过程的自动补偿加工过程的自动补偿(自动调整)是自动检测技术的进一步发展。全自动在线测量仪第二节工件尺寸的自动检测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,将检测的工件尺寸作为信号控制自动补偿系统,实现脉动补偿。所谓补偿，是指在两次换刀之间进行的刀具多次微量调整，以补偿刀刃因磨损对工件加工尺寸带来的影响。误差补偿运动实现的方式·硬件补偿：是由测量系统和伺服驱动系统实现的误差补偿运动。·软件补偿：通过补偿软件实现对设备几何误差和热变形误差的修正控制。补偿量愈小，获得的补偿精度就愈高，工件尺寸的分散范围也愈小，对补偿执行机构的灵敏度要求也愈高。第二节工件尺寸的自动检测一、刀具的自动识别第三节刀具的自动识别和监测1.自动识别方法分类刀具的自动识别指对刀具切削状态的识别。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）。·识别刀具状态的方法（1）功率检测分析主轴电机负载功率（2）声发射检测分析切削过程中会发出超声波脉冲（3）学习模式建立神经元网络模型进行数据分析（4）力检测分析进给力和切削力的变化刀具状态的识别、检测与监控是加工过程检测与监控中最为重要、最为关键的技术之一。第三节刀具的自动识别和监测2.

刀具状态自动识别实例以钻头为例,通过检测电动机电流信号来识别刀具磨损状态。依据对刀具磨损量的分类,建立在不同刀具磨损类别下的数学模型,用来描述电流与切削参数和刀具磨损状态的关系。根据检测电流值对刀具磨损状态进行分类,从而识别刀具的磨损状态。（1）钻头磨损状态划分根据钻削过程的要求，把刀具磨损量分为A、B、C三类，各类的平均磨损量分别为：0.2mm、0.5mm、0.8mm。（2）电流信号模型二、刀具状态的监测

·刀具磨损监测方法·刀具破损监测方法·具有实用价值的监测方法（1）直接测量法：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。（2）间接测量法：根据切削加工过程中切削力、切削功率等参数的变化来判断刀具的正常磨损与异常损坏。第三节刀具的自动识别和监测三、刀具的自动监控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

--通过对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。

--通过调用统计的“净功率—时间”曲线和可变时钟频率信号来适应不同的刀具和切削用量，实现刀具寿命监控。2.刀具磨损、破损自动监控--利用振动信号来监测刀具的磨损、破损，如丝锥或钻头的断裂--利用监测已加工工件表面粗糙度来判断刀具的磨损状态，通常采用激光检测法。--声发射（AE）第三节刀具的自动识别和监测一、监控系统的组成、要求和分类

第四节加工设备的自动监测1.监控系统的组成自动化加工监控系统主要由信号检测、特征提取、状态识别、决策和控制等四个部分组成。（1）信号检测：从不同角度反映加工状态的变化。（2）特征提取：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。（3）状态识别：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。上述四个方面的过程是一个循环2.要求 自动化加工监控系统的任务—对加工过程、机床以及刀具工况进行监控。必须满足的要求：1）需要满足对加工过程中多个状态变量的监控；2）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）必须监测加工过程的初始条件。第四节加工设备的自动监测二、加工设备的故障诊断 ·监控的目标—检测并诊断故障。·诊断的定义—所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。·具体内容：

1.状态量的监测：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。

2.加工设备运行异常的判别：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：找出加工设备发生故障的地点及原因。

4.控制决策：就是对设备进行检修，排除故障，保证设备能够正常工作。第四节加工设备的自动监测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，三者之间必须紧密集成在一起。第四节加工设备的自动监测·实例（1）振动监测法（2）油料监测法一、无损探伤检测技术 第五节相关的检测技术·什么是无损探伤检测？就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·应用形式1）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。2）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。3）在产品使用过程中的检测，即维护检验。常见的几种探伤检测手段1.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。特点--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。适用场合--适用于检测铁磁性材料及其合金，主要是铁、钴、镍及其合金。检测设备类型--固定式、移动式和手提式三种类型。检测原理--基于通电导体周围产生磁场时的电磁感应现象在检测中的应用。第五节相关的检测技术·磁粉探伤的优点--显示直观，磁痕一般比裂纹尺寸大，易于观察；--探测灵敏度高，最小缺陷宽度可达0.1微米；--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；--设备简单，成本低，操作方便，效率高。·磁粉探伤的缺点--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；--只能够检查工件的表面及近表面缺陷；--不能定量测出缺陷的深度；--必须用人眼来观察，易造成操作人员的疲劳。第五节相关的检测技术

2.超声波探伤检测 ·超声波的特性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。·探伤检测特性

--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。

--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。第五节相关的检测技术·检测方法（1）共振法：利用共振现象来检测物体缺陷的方法。（2）穿透法又叫透射法：是根据超声波穿透工件后的能量变化来判断工件内部有无缺陷。（3）脉冲反射法：是将有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测工件，当超声波在工件内部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大小及深度。第五节相关的检测技术第五节相关的检测技术·超声波检测的局限性

--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。

--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。

3.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。·探伤检测原理--用强度均匀的射线照射被检测的物体，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。·检测方法

--射线照相法：使透过物体的射线在照相

胶片上感光；第五节相关的检测技术--电离探伤检测法：

利用测定电离电流的方法来测定透过物体X射线强度--荧屏直接观察法：透射在涂有荧光物质的荧光屏伤，激发出不同强度的荧光