第3章质量控制和运行监控系统

主讲教师:陈银银[e-mail]15824807783第三章焊接自动化系统的组成主要内容：•工业机器人•质量控制和运行监控系统•辅助设备•控制与通信系统1.概述1)基本概念检测技术是机械制造系统不可缺少的部分。检测系统与加工系统各组成元素之间的关系。机械加工系统的组成质量控制和运行监控系统2)检测内容及方法在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监控。(1)运行状态检测与监控自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通常包括：A.刀具信息。B.机床状态信息。C.系统运行状态信息。D.在线尺寸测量信息。E.系统安全情况信息。F.仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的数控程序是否准确；有无碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。检测与监控系统的组成(2)工件尺寸精度检测A.直接测量与间接测量；B.接触测量和非接触测量；接触式传感器测量：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器(光学、非光学)测量：无接触变形，速度快PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样离线检测PROCAUTINSPMAN在线/过程中检测反馈信号三类检测C.在线测量和离线测量。离线检测：过程稳定，超差风险小在线/过程中检测：实时，瓶颈工序在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多在线/过程后检测PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令成品废品(3)刀具磨损和破损的检测方法A.刀具、工件尺寸及相对距离测定法；B.放射线法；C.电阻法；D.光学图像法；E.切削力法；F.切削温度法；G.切削功率法；H.振动法；I.噪声分析法；K.加工表面粗糙度法(4)人工检测与自动化检测3)检测装置简介(1)尺寸测量装置定尺寸测量装置，三坐标测量机，激光测径仪，气动测微仪，电动测微仪，电容、电感式测量机(2)粗糙度测量装置表面轮廓仪(3)刀具状态监测装置噪声频谱分析仪，红外发射传感器，探针，切削力分析仪，切削功率计，声发射传感器2.工件尺寸的自动测量、主要设备及其工作原理实时在线检测是提高加工质量，满足工件尺寸、形状精度要求的重要保障。在线测量一般指测量加工制造系统的系统误差，随机误差因无法控制，一般不测量。在线检测方法：工件形状及尺寸等宏观级和信息：触针式、摩擦轮方式、气动测微仪方式、电测微方式、光学方式和超声波方式。圆度等微观几何信息：气动测微仪、电动测微仪、电涡流方式。1)三坐标测量机三坐标测量机是集成了精密机械、电子技术、计算机技术、光学等先进技术而发展起来的一种高效的几何量精密测量机。用途：多种几何量测量，设计一体化，实物程序编制类型：按功能水平可分为：数显及打字型：手动或机动测量，结果需人工处理。微机型：手动或机动测量，结果由微机处理。计算机数控型：可按程序通过计算机数控系统进行自动测量。这是目前主要的常用机型。测量原理将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。基本原理就是通过探测传感器(探头)与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点位置的获取，然后通过一定的数学计算，完成对所测得点(点群)的分析拟合，最终还原出被测的几何元素，并在此基础上计算其与理论值(名义值)之间的偏差，从而完成对被测零件的检验工作。a)b)c)d)三坐标测量机的结构形式结构形式：悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相似龙门式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量悬臂式三坐标测量机操作控制：手动控制：人工完成计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据处理和相关计算直接计算机控制：同CNC编程方法示教再现编程：似机器人编程数控编程：离线可完成测量项目三坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点测量系统三坐标测量机上测量系统的主要部件是测量头和测长系统。测量头三坐标测量机的测量精度和效率与测量头密切相关。目前常用的测量头有以下几种。机械接触式测头(硬测头)，基本上已淘汰电气式测头，根据其原理和功能可分为动态式和静态式两种。是目前应用最广的一种光学非接触式测头，可用于对空间曲面、软体表面、光学刻线等的测量，尤其是不能用机械测头和电气测头测量的工件，只能用光学非接触式测头。常用测量方法点位测量常用于测量对象是由简单几何面构成的普通机械零件。点位测量时对测量头的控制方式有3种。人工控制、全自动控制、半自动控制连续扫描测量常用来测量曲面。测量曲面时，测量机能对以下5种扫描轮廓线类型进行控制和数据处理。•扫描轮廓线位于一个通过测量头轴线的平面内。•扫描轮廓线构成的平面与测量头垂直。•扫描轮廓线沿一个柱面。•扫描轮廓线所在平面既不通过也不垂直于测量头轴线。•扫描轮廓线既不位于平面也不沿一个柱面。实物照片2)三维测头三维测头分为导电式测头和触发式测头两种。导电式测头的工作原理：在测头的内部有一个未闭合的有电源电路，该电路断点的两端分别与测头上相互绝缘的测针、测头柄相连接，因此，测头的测针和柄部实际上就是测头内部电路常开开关的两端；当测头通过柄部连接在机床的主轴上时，由于机床和其工作台上的工件(金属材质)都是导电体，所以只要测头上测针的触头与工件表面接触，测头内部的电路就会形成闭合回路，电路立即开始工作并在测头主体上产生声光信号，指明其工作状态。触发式测头的工作原理：在测头内部有一个闭合的有源电路，该电路与一个特殊的触发机构相连接，只要触发机构产生触发动作，就会引起电路状态变化并发出声光信号，指示测头的工作状态；触发机构产生触发动作的唯一条件是测头的测针产生微小的摆动或向测头内部移动，当测头连接在机床主轴上并随主轴移动时，只要测针上的触头在任意方向与工件(任何固体材料)表面接触，使测针产生微小的摆动或移动，都会立即导致测头产生声光信号，指明其工作状态。三维测头实物在数控机床上采用测头进行测量的工作原理在数控机床上采用测头进行测量时，先将测头安装在机床的主轴上，然后操作者手动控制机床移动，使测头测针上的触头与工件表面接触，由于机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标值，因此，可以结合测针的触头与工件的具体位置关系，利用机床主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值。获得工件的各个被测量点的相关坐标值以后，再根据各坐标点的几何位置关系进行相关计算，便可以获得最终的测量结果。测量的工作方式测头在数控机床上共有两种工作方式，即：手动方式和编程方式。对于没有信号输出功能的测头，只能采用手动方式。对于具有信号输出功能的测头，两种方式均可采用。采用手动工作方式时，机床运动、测量点的坐标值的记录和测量结果的计算均由操作者手动控制，适合单件、小批量或测量项目变化不定的情况。优点是使用安全，操作者不需要特别培训；缺点是不适合测量点很多，计算较复杂和大批量生产的情况。采用编程工作方式时，整个测量过程中机床的运动、被测点坐标值的记录和测量结果的计算都由操作者事先编写的程序确定，它特别适合大批量或复杂的测量情况。其优点是对于上述工作情况测量效率高；缺点是要求操作者经过专门的培训。3)激光测径仪激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01μm。受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。激光测径仪原理4)激光干涉测长仪固定反射棱镜双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+Δf2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1f2f1f2移动反射棱镜f2f2+Δf2偏振分光镜f1f1ΔfΔf+Δf2氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。双频激光干涉仪以其特有的同时具有大测量范围、高分辨率、高测量精度和高速度等优点，在精密和超精密测量领域获得了广泛的应用。它采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰能力强、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。例如，精密坐标机床的标定、高精度传感器的标定、半导体工业中的高精度模板的制造和定位、以及构成多坐标精密定位多轴运动系统等。测量精度可达到1nm。双频激光测量系统5)超声波测厚仪超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。TOUCHSTONE3是目前世界上唯一可以同时测量涂层厚度和基材厚度的测厚仪6)气动测微仪气动测微仪的测量原理：在经调压的气压与测量喷咀之间，插入对气流起阻尼作用的节流片，通过节流片出现压力变化，从压力变化中即可读出位移量；将压力变化转换成电流量，这样更便于对所获信息进行处理。气动测微仪可检测出普通测量器具难以检测的微小变化，放大倍率也很高，最大可放大到40万倍。但气动测微仪的不足之处是测量范围非常小。7)电动量仪电动量仪是将接触头微小位移量转换成电量，利用电子方式将其放大并进行显示，检测精度可达1μm。液晶数字显示的数字式电动测微仪，内装专用的LS1，手工操作，可获得0.001mm的测量值。此外，还有一种测量装置和电动测微仪组合而成的电动测微系统，使测量范围大为扩展；最近还开发出一种简易型电动测微仪，精度很高，可获得0.01μm单位的测量值。电动量仪种类很多，一般可分为电感式、电容式和光电式等。由于电动量仪灵敏度和精度很高，测量装置和显示装置可以分离，所以有利于进行远距离测量和实现测量自动化。差动式电感传感器8)利用数控机床进行测量在数控机床上进行测量有如下特点：不需要昂贵的三坐标测量机，但会损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回运输和等待。9)测量机器人随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100％的测量，因此特别适合于自动化制造系统中的工序间测量和过程测量。同坐标测量机相比，机器人测量造价低，使用灵活。10)专用的主动测量装置在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装在机床上，不必停机就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的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、刀具补偿、停止进给、退刀和停机等）。例如下图所示为磨床上工件外径自动测量及反馈控制装置的原理图。11)表面粗糙度仪测量表面粗糙度常用的方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量迅速方便、测值精度较高、应用最为广泛的就是采用针描法