第5章制造系统检测过程自动化

第5章制造系统检测过程自动化5.1概述5.2工件尺寸精度的检测和控制5.3刀具工作状态的检测和控制5.4自动化加工过程的检测和监控5.5实例视频5.1概述5.1.1自动化检测的目的和意义5.1.2自动化检测的内容5.1.3自动化检测装置的分类5.1.4实现检测自动化的途径5.1.1自动化检测的目的和意义在自动化制造系统中，为了保证产品的加工质量和系统的正常运行，需要利用各种自动化监测装置，自动地对加工对象的有关参数、加工过程和系统运行状态进行检测，不断提供各种有价值的信息和数据（包括被测对象的尺寸、形状、缺陷、加工条件和设备运行状况等），及时地对制造过程中被加工工件质量进行监控，还能自动监控工艺过程，以确保设备的正常运行。5.1.1自动化检测的目的和意义随着计算机应用技术的发展，自动化检测的范畴已从单纯对被加工零件几何参数的检测，扩展到对整个生产过程的质量控制。从对工艺过程的监控扩展到实现最佳条件的适应控制生产。因此，自动化检测不仅是质量管理系统的技术基础，也是自动化加工系统不可缺少的组成都分。在先进制造技术中，它还可以更好地为产品质量体系提供技术支持。5.1.1自动化检测的目的和意义实现检测自动化，消除了人为误差，使检测结果稳定可靠。由于采用了先进的在线监测仪器，能够实现动态监测，使检测精度大大提高。加工工艺过程与自动测量过程结合，大大降低了辅助时间，提高了劳动生产率，节约了制造成本。同时，检测自动化能在人无法进行检测的场合实现自动检测，扩大检测应用范围；能对加工控制系统自动反馈检测信息，实现加工过程的自适应控制和优化生产。5.1.2自动化检测的内容1.自动检测技术的目的2.自动检测信号的选择1.自动检测技术的目的在现代制造系统中，常常采用自动检测技术。采用自动检测技术的目的主要有两个：一是对被加工对象进行质量控制；二是对加工状态和设备的运行状况进行监控。1）以质量控制为目的的自动检测2）以监控为目的的自动检测1）以质量控制为目的的自动检测以质量控制为目的自动检测分两种情况：在线检测和离线检测。在线自动检测是在加工及装配过程中，对工件的尺寸、形位公差和外形等进行连续或间断的检测，输出信息供调节补偿、减小误差或作显示、报警之用。离线自动检测是在加工或装配完成后．对零件或产品进行自动测量，确定零件是否合格，产品是否符合规范。2）以监控为目的的自动检测以监控为目的的自动检测主要包括对工位状况的检测、对设备工作状态的检测、工艺过程的检测、材料和零件传送过程的检测。（1）对于加工过程每个工位状况的检测内容包括材料或坯件是否到达工位，在加工前工件是否已准确定位和夹紧，工作台、刀具、夹具、辅助系统、装配工具等是否都处于正常位置等，其检测的内容可能有位置、夹紧力、力矩等。2）以监控为目的的自动检测（2）设备工作状态的检测包括电机的输出功率、主轴的扭矩、刀具的破损和过度磨损、齿轮和轴承的润滑、零件的过热和冷却、机架的断裂应力、工件、夹具或工件台的变形等。（3）工艺过程的检测包括运动件是否碰撞，加工参数是否合理，振动、噪声、排屑、冷却润滑液的检测等。2）以监控为目的的自动检测（4）材料、零件传送过程的检测包括自动搬运小车的导向检测、自动仓库堆垛机的工位检测、立体仓库和刀库的状态监测、刀具认址的检测等。2.自动检测信号的选择1）检测信号选择的原则（1）信号能否准确可靠地反映被测对象和工况的实际状态。（2）信号是否便于实时和在线检测。（3）检测设备的通用性和经济性。2）常用自动检测信号在加工系统中常用于产品质量自动检测和控制的特征信号有：尺寸和位移、力和力矩、振动、温度、电信号、光信号和声音。5.1.3自动化检测装置的分类自动化检测装置的种类和规格较多，主要有以下几种分类方法：（1）按测量信号的转换原理划分有电气式（电感式、互感式、电容式、电接触式和光电式等）和气动式（浮标式、波管式和膜片式等）。5.1.3自动化检测装置的分类（2）按测量头与被测物的接触情况划分有接触式和非接触式。接触式的量头直接与工件被测表面相接触，工件被测参数的变化直接反映在量杆的移动量上，然后通过传感器转换为相应的电信号或气信号。按量头与工件表面的接触点数目又可分为单点式、两点式和三点式。非接触式的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，反映被测参数的变化。这种测量方式不会因为测头与工件接触而影响测量精度。5.1.3自动化检测装置的分类（3）按检测目的划分尺寸测量和形状测量装置，如：三坐标测量机、激光测径仪、气动测微仪、电动测微仪。位置测量（孔间距、轮廓间距、孔到边缘距离）装置等，以及表面纹理、粗糙度的测量装置，如：表面轮廓仪。刀具磨损或破损监测的装置，如：噪声频谱、红外发射、探针测量等测量装置。5.1.3自动化检测装置的分类（4）按检测方式划分加工后撤至测量环境中的被动测量；在线主动检测；在加工位置工序间的检测。5.1.4实现检测自动化的途径随着计算机技术、传感技术、机械制造技术及其应用水平的提高，以及自动化制造系统应用的日益广泛，自动化检测的内容也不断扩展。实现检测过程的自动化主要有以下几个途径：（1）在机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的在线检测。如在数控磨床上安装在线检测装置。5.1.4实现检测自动化的途径（2）在自动线中设置专门的自动检测工位，这种方法既可以是在制造过程刚一完成就立即进行的自动检测，也可以是按照制造过程顺序在关键工序上布置若干个检测工作站。前者属于加工过程后在线检测，后者属于分布式检测，通常在检测内容多且复杂或技术上难以实现在加工工位上进行检测时采用，如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置。5.1.4实现检测自动化的途径（3）设置专门的监测装置。如发动机和轴承制造中的活塞环、滚针、钢球等零件的分类机，连杆稳重分类自动线等。（4）在柔性加工系统中，采用测量机器人进行辅助测量。5.2工件尺寸精度的检测和控制机械零件的加工精度和表面质量决定了机械零件的加工质量。机械加工精度指机械零件加工以后的实际几何参数与标准几何参数相符合的程度。加工误差是指机械零件加工以后的实际几何参数与标准几何参数偏差的大小。偏差越小，则表明机械零件的加工精度就越高，反之则低。因此，机械零件加工精度的高低，一般是以加工误差的大小来反映的。5.2工件尺寸精度的检测和控制5.2.1影响零件加工尺寸的因素（书中解释）5.2.2零件加工尺寸的测量方法与装置1.长度尺寸测量2.零件加工表面的自动检测3.加工过程中的主动测量4.三坐标测量机与测量机器人（书中解释）1.长度尺寸测量长度测量用的量仪按测量原理可分为机械式、光学式、气动式和电动式四大类。其中适合于大中批量生产现场使用的，主要有气动量仪和电动量仪两大类。1）气动量仪2）电动量仪1）气动量仪气动量仪将被测盘的微小位移量转变成气流的压力、流量或流速的变化，然后通过测量这种气流的压力或流量变化，用指示装置指示出来，作为量仪的示值或信号。气动量仪容易获得较高的放大倍率（通常可达2000-10000倍），测量精度和灵敏度均很高，各种指示表能清晰显示被测对象的微小尺寸变化1）气动量仪气动量仪操作方便，可实现非接触测量；测量器件结构容易实现小型化，使用灵活；气动量仪对周围环境的抗干扰能力强，广泛应用于加工过程中的自动测量。但对气源的要求高，响应速度略慢。气动量仪一般由指示转换部分和测头两部分组成。指示转换部分又有压力型和流量型两类。1）气动量仪（1）压力型量仪压力型气动量仪主要有薄膜式、波纹管式和水柱式等类型。如图5.1～图5.3所示分别为膜片式气动量仪、波纹管气动量仪、水柱式气动量仪的原理图。其主要原理均是用工件尺寸的变化引起气动量仪内气体压力的变化，从而推动指示表指针发生偏转。1）气动量仪（1）压力型量仪（薄膜式）如图5.1所示的膜片气动量仪，当测量间隙Z发生变化时，下气室压力随之变化，膜片8失去原有平衡，带动锥杆3上下移动，从而改变锥杆3与出气环7之间的间隙，使上气室压力也产生变化。锥杆3的移动量可以从指示表上读出间隙Z的大小，同时由电触点发出相应指示信号。1）气动量仪1）气动量仪（1）压力型量仪（波纹管式）如图5.2所示的波纹管气动量仪，当测量间隙Z的变化，使两侧波纹管1、5产生压力差，推动框架3左右移动，经齿轮传动机构驱动指针4移动，反映间隙Z的大小。1）气动量仪（1）压力型量仪（水柱式）如图5.3所示的水柱式气动量仪，其各种压力取决于稳压管9插入水中的深度H，稳压后的气流经主喷嘴3进入测量气室4，然后经测量喷嘴6和工件之间的测量间隙Z流入大气。因此，随着间隙Z的变化，测量气室的静压力Pb也相应变化，水柱的高度落差H就可指示Z的大小。1）气动量仪1）气动量仪（2）流量型气动量仪流量型气动量仪的原理如图5.4所示，测量间隙Z的变化可使通过测量喷嘴8的空气流量发生变化，锥度玻璃管4内的浮子5随之上下升降，以达到新的平衡位置，该位置指示出相应的Z的大小。1）气动量仪气动量仪在测量不同对象时必须配备有相应的测头，根据测量方式的的不同，气动测头可分为接触式和非接触式两类。在自动化检测中主要采用非接触式测头。非接触式测头的结构简单，测量时从喷嘴中逸出的压缩空气直接向被测表面喷吹，可以消除或减少工件表面上残留的油、尘或切削液对测量结果的影响，因而使用较为广泛。如图5.5所示为用于测量不同对象的几种非接触量头的结构图。1）气动量仪2）电动量仪电动量仪一般由指示放大部分和传感器组成，电动量仪的传感器大多为各种类型的电感和互感传感器或电容传感器。各种电动量仪广泛应用于生产现场和实验室的精密测量工作。特别是将各个传感器与各种判别电路、显示装置等组成的组合式测量装置，更是广泛应用于工件的多参数测量。2）电动量仪用电动量仪测量各种长度时，既可用单传感器测量，也可双传感器测量。用单传感器测量传动装置测量尺寸时只用一个传感器，虽然可节省费用，但由于支撑端的磨损或工件自身的形状误差，有时会导入测量误差，影响测量精度。如图5.6所示是常用的几种单传感器测量传动装置。2）电动量仪2.零件加工表面的自动检测零件加工表面的几何结构由形状、波度和粗糙度组成。形状属于宏观范畴，粗糙度属于微观范畴，波度介于两者之间。粗糙度是一种说明表面凹凸不平的微米数量级的几何量，一直是工程制造中设计和检验零件表面质量的主要标准。2.零件加工表面的自动检测实际生产中检测零件加工表面粗糙度最常用的方法是用接触式轮廓仪/粗糙度计测量粗糙度参数，或用比较样板进行对比评估。由于触针法具有易划伤被测表面、测量速度低的缺点，故不适合在线自动测量。2.零件加工表面的自动检测光学探针是一种非接触测量粗糙度的手段，它以一个聚焦光点入射到被测表面上，模拟机械触针进行测量。此外，非接触式的粗糙度光学测量方法和仪器还有很多，如光切显微镜、干涉测量仪（X射线干涉仪、差动干涉仪、同轴干涉仪、散斑干涉仪等），但它们受人的主客观因素影响大和效率低，故目前尚未能在实际生产中用于自动测量。2.零件加工表面的自动检测激光也被用于观察表面微观形貌和测量表面粗糙度。激光照射被测物体表面时，反射率因表面粗糙度不同而有差异，因此，可根据激光反射率和对信号的比较分析测出表面粗糙度。加工纹理不同或材料不同，测得结果也不同。许多学者都在致力于光散射法用于在线测量的研究。3.加工过程中的主动测量加工过程中的主动测量装置一般作为辅助装置安装在机床上。在加工过程中，不需停机测量工件尺寸，而是依靠自动检测装置，在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（如变换切削用量、停止进给、退刀和停车等）。1）定尺寸点接触式测量装置2）气动式主动测量装置3）激光测量1）定尺寸点接触式测量装置应用定尺寸装置进行在线尺寸检测在磨削加工中比较多见，在其他切削加工工序中应用很少。因为磨削工序的加工余量小，切屑细小，发热量小，而且加工区域供有大量的切削液，可迅速去除产生的热量，同时工件表面粗糙度低，因而不会引起较大的测量误差。1）定尺寸点接触式测量装置如图5.8所示为某磨削加工中的一个