智能数控机床与编程 课件 第7章 智能制造加工过程监测

第7章智能制造加工过程监测

7.1加工过程监测内容7.2传感器7.3加工过程中的刀具监测7.4加工过程的热特性检测7.5数控加工在机测量7.6本章小结

思维导图（1）熟悉加工过程监测内容；（2）了解加工过程监测常用传感器；（3）熟悉加工过程刀具监测内容与方法；（4）了解加工过程热特性检测方法；（5）熟悉在机测量方法与意义。

学习目标

一、加工过程监控

二、加工过程监测主要实现

§7.1加工过程监测内容

本节的重点：加工过程监控。

工作原理一、加工过程监控通过对刀具磨损的研究，实现加工状态监控；通过测力仪或测量电机电流等方式间接获得切削力情况，对加工过程状态进行改进；对CAM领域的参数进行离线优化。随着传感器技术、模式识别技术、信号处理技术的发展，加工过程的监测内容更加丰富，加工监控的主要方面如图7-1所示。图7-1加工过程监控的主要方面

控制过程一、加工过程监控智能数控机床的典型做法是在机床的关键位置安装振动、温度、位置、视觉传感器，收集数控机床的电控实时数据以及机床加工过程中的运行环境数据，实现加工过程的不同层面的监测与控制，如图7-2所示。图7-2加工过程不同层面的监测与控制二、加工过程监测主要实现加工过程仿真与优化针对不同零件的加工工艺、切削用量、进给速度等影响加工质量的参数，通过对加工过程模型的仿真，进行参数的预测和优化选取，进而生成优化的加工过程控制指令。过程监控与误差补偿利用各种传感器、远程监控与故障诊断技术，对加工过程中的振动、切削温度、刀具磨损、加工变形以及设备的运行状态与健康状况进行监测。根据预先建立的系统控制模型，实时调整加工参数，并对加工过程中产生的误差进行实时补偿。利用网络和通信功能，还可将监测得到的实时信息传递给远程监控与故障诊断系统，以及车间管理MES系统。加工过程的智能监测与控制在智能制造技术的实现中起着十分关键的作用。

一、传感器功能

二、传感器分类

三、智能传感器

§7.2传感器

本节的重点：传感器分类。一、传感器功能传感器位于被测对象之中，是监测系统的前端，为系统提供处理和控制所需的原始信息。某个具体过程、物态的动态监测或控制能否实现，归根结底为能否找到一些恰当的传感器可真实地、迅速地、全面地反映该物态或过程的特征，并将其变换成便于识别、传输、接收、处理和控制的信号。传感器在监测系统中是联系非电子部件与电子部件的桥梁，是实现制造过程监测、诊断与控制的重要环节。传感器用来直接感知被测物理量，把它们转换成便于在通道间传输或处理的电信号。智能制造中使用的传感器应具有三方面的能力：一是能感知被测量（大多数是非电量）；二是能把被测量转换为电气参数；三是能形成便于通道接收和传输的电信号。二、传感器分类1.传感器按照检测参数分类传感器按要求检测的参数的类型来分类，见表7-3。表7-3被测参量传感器分类二、传感器分类2.传感器按照传感方法分类传感方法是指基于某种物理效应或材料的特性使传感器完成能量变换，从而引起某个参量发生变化，形成与被测量成比例的输出。传感器按传感方法的不同可归纳为以下几种类型：1）能量变换传感器能量从被测系统提取，转换为一种与它等价的电的形式。

2）阻抗控制传感器由被测物理量变化引起相应的电路参数的变化，从而可以通过检测电路形成电流和电压变化的输出。3）平衡反馈传感器具有反馈的特性，这种反馈特性是输入物理量和一个与它对抗的电量相平衡的效应，指示出达到平衡所需的势值就给出了被测物理量的值。二、传感器分类3.传感器按照输出电信号形式分类1）开关式传感器开关式传感器工作特性为：当输入物理量高于某一阈值时，传感器处于接通状态，以低电平（或高电平）输出；当输入物理量低于某一阈值时，传感器工作在另一种开断状态，输出高电平（或低电平）。例如限位开关传感器，输出是以高、低电平形式变化。2）数字式传感器数字式传感器共同的特点是精度较高且便于与微机接口。这类传感器可分为直接数字传感器、频率式传感器和脉冲传感器。3）模拟式传感器模拟式传感器输出的量以各种连续量的形式出现，可以是电压、电流、电阻、电容、电感等。这种连续变化量需通过模数转换，以与数字系统连接。三、智能传感器智能传感器是一种带有微处理器的敏感探头，是兼有信息检测和信息处理功能的传感器。以集成化为特点，这类传感器将敏感检测、信息处理及微处理器集成在一块芯片上。智能传感器的智能作用表现为以下几个方面：综上，较完善的智能传感器实际上已经可以构成智能监测与控制系统，只不过它不是分散的部件，而是集成于一块芯片的统一整体，是高度集成化的产品。各个环节集成于同一芯片，不但使传感器处于相同温度，有利于进行温度补偿或修正，而且节省调试校验时间，促进系统向小型化、智能化、网络化发展。（1）提高传感器的性能（2）自检与自诊断（3）多功能化

一、加工过程中刀具振动监测

二、加工过程中刀具磨损监测

§7.3加工过程中的刀具监测

本节的重点：加工过程中刀具振动监测。一、加工过程中刀具振动监测刀具振动是刀具在切削过程中，因主轴-刀具-工件系统在内外力或系统刚性动态变化下在三维空间内所发生的不稳定运动，其位移具有方向性，主要表现为：刀具刀尖平面到工件表面纵向的垂直位移；刀具刀尖在平行于工件表面的平面内所产生的横向位移；因刀具扭转振动所产生的刀尖平面与工件表面的夹角，如图7-4所示。加工过程中，外部扰动、切削本身的断续性或切屑形成的不连续性引起的强迫振动、因加工系统本身特性所导致的自激振动和切削系统在随机因素作用下引起的随机振动会直接导致刀具三维振动轨迹在时间、方向和空间上的变化，所以需要对刀具振动进行动态监测。图7-4刀具空间三维振动示意图一、加工过程中刀具振动监测（1）测振传感器的选择测振传感器是在传感器线性频率范围内，将感应的物理量信号转换为电信号。测振传感器的种类很多，依测量方式分为接触式和非接触式，依测量振动物理量可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器。振动传感器中，检测量主要有位移、速度和加速度，三者之间可相互换算。结合振动测量的要求和工作环境，可采用ICP传感器测量主轴、工件的振动情况，利用数采系统对ICP供电。采用ST系列电涡流传感器测量刀具的振动位移信号，。电涡流传感器的安装范围与被测物体保持在3mm左右，由于与高速旋转的被测物体距离很近，所以夹紧装置应足够坚固且稳定性好，需要一定的安装技巧。一、加工过程中刀具振动监测（2）切削振动信号的采集系统的组成切削振动检测可采用DH5922数据采集系统，用以实现切削力与切削振动的同步采集。信号采集端口分别接入PCB加速度传感器，测量刀具主轴和工件的振动；用电涡流位移传感器采集刀具切削时的振动情况；用kistler9257B压电晶体传感器测量加工过程中工件所受的切削力。切削力测试系统示意图如图7-5所示。图7-5切削力测试系统示意图一、加工过程中刀具振动监测（2）切削振动信号的采集系统的组成信号由各类传感器获取后，传入DH5922数据采集系统中进行采集，数采系统有12个采集通道，可实现力与振动信号的同时采集。设定1~3通道为动态切削力采集通道，4~9通道分别采集主轴振动和工件振动加速度信号，10~11通道采集刀具行距和进给方向的位移。数采系统将各通道采集的信号打包，通过1394接口传送到计算机中，应用DHDAS5920动态信号采集分析系统完成信号的分析和预处理。一、加工过程中刀具振动监测（3）切削振动信号的处理首先需要对传感器采集的信号进行简单的预处理，以消除采集过程中明显的噪声干扰，提高信号的真实度，为后续的信号分析奠定基础。通常应用的预处理方法有剔点处理、消趋势项等方法。信号预处理后，进行切削振动信号的时/频域特征分析。时频域分析方法是比较基础的信号分析方法。时域具有直观、快捷的特点，尤其对于带有明显振动特征的振动信号来说，采用时域分析观察信号的峰值、有效值及平均值，容易分辨。时域分析可以有效地观察信号的频率复杂程度、有无明显冲击和故障等因素。一、加工过程中刀具振动监测（3）切削振动信号的处理剔点处理在传输信号过程中，由于信号采集系统的硬件或软件原因造成信号突然损失或夹杂外界突现的干扰信号等现象，这些点的存在会提高噪声水平，使功率谱密度产生偏离，进而严重影响对信号的分析结果，需要剔除掉，称为剔点。消趋势项在采集振动信号过程中，由于传感器周围的环境干扰产生的低频性能不稳定等因素，会导致振动信号起始点偏离基准线。趋势项的存在往往使信号在进行FFT变换时在0Hz附近存在很大的值，进而导致分析结果的偏离。图7-6所示为动态切削力数据消除趋势项前后的频谱图对比。一、加工过程中刀具振动监测（3）切削振动信号的处理图7-6动态切削力数据消除趋势项前后的频谱图对比一、加工过程中刀具振动监测（4）振动信号的特征量提取特征提取是提取能够表征信号的全新特征量的过程，在广义上是指一种变换。选择变换或供提取特征的函数及方法不同，特征提取的类别和适用范围就不同。切削信号的特征提取是机床颤振预报的基础，主要分为以下几类：1）利用时域分析提取特征2）应用傅里叶频域变换提取振动信号特征3）应用小波包分解算法提取振动信号特征二、加工过程中刀具磨损监测（1）刀具监测系统刀具磨损监测，主要是一个模式识别过程。如图7-7所示，一个刀具监测系统由研究对象（具体某类型加工过程）、传感器信号采集、信号处理、特征提取及选择、模式识别等模块组成。图7-9刀具监测系统构成二、加工过程中刀具磨损监测（1）刀具监测系统监测系统的基本思路是：将从传感器信号中提取出的特征量，加上具体加工条件作为一个方面，将加工状态作为另一方面，对于两方面之间存在的非线性相关关系采用各种数学方法和工具进行建模分析。首先确定研究对象，如车刀的磨损监测、钻头的磨损监测或铣刀的磨损监测等；其次决定监测系统的实际应用范围，如工件改变、刀具改变或加工要素改变下的刀具磨损状态检测。二、加工过程中刀具磨损监测（2）刀具监测方法1）直接监测方法利用直接式传感器直接测量刀具磨损区域的实际尺寸或直接测定刀具刀刃状态。直接检测刀具磨损的传感器有接触探测传感器、光学显微镜、高速摄像机等。2）间接监测方法间接监测方法通过监测与刀具磨损或破损具有相关性的传感器信号，间接获得刀具磨损状态。常用的方法主要有：切削力监测法、基于声发射的监测法、基于振动加速度的监测法、基于声音的监测法和多传感器融合监测法。3）智能监测方法智能监测方法是引入人工智能技术，采用黑箱处理方法，忽略复杂的过程分析，仅对系统的输入和输出进行观测并建立其等价模型。

一、热特性检测仪器

二、温度测点布置

三、机床主轴热特性快速辨识

§7.4加工过程的热特性检测

本节的重点：温度测点布置。一、热特性检测仪器数控机床热特性检测与辨识的测量仪器主要包括：红外热像仪、激光干涉仪、微位移传感器和热电偶等精密仪器，测量数据主要包括：机床各内热源作用下各部件的温升、热变形、温度场变化和达到热平衡时间等数据。数控机床热特性检测仪器和检验工具主要包括：（1）具有合适测量范围、分辨率、热稳定性和精度的位移测量系统，如用于测量由线性轴移动引起热变形的激光干涉仪，测量环境或主轴旋转引起热变形的电容、电感或可伸缩接触式位移传感器。（2）具有足够分辨率和精度的温度传感器，如热电偶、电阻式或半导体温度计。（3）数据采集装置，如所有通道可连续监视和绘图的多通道图像记录仪，或计算机数据处理系统。（4）检验棒，采用性能优良的钢材按标准制造。（5）用来安装位移传感器的夹具，采用性能优良的钢材按标准制造。一、热特性检测仪器在可能的情况下，主轴执变形传感器可以直接靠在主轴端部，以减少检验棒热膨胀的影响。测量仪器精度应定期校验，并在检验开始前进行热平衡。图7-10、图7-11所示为加工中心主轴热变形传感器的安装位置。图7-10立式加工中心主轴热变形传感器安装示意图图7-11卧式加工中心主轴热变形传感器安装示意图二、温度测点布置由于数控机床热源的复杂性、多样性以及出于成本考虑，对机床温度传感器测点的布置要求是：传感器要尽可能少；传感器要能够尽可能准确地反映机床总体热特性变化；各个传感器测得的温度数据要尽可能独立，和其他传感器测得的温度数据耦合度要小；为了最大限度提高后续热变形计算的准确性，要求传感器测得的位置温度相对于热变形比较敏感，以降低测量误差对热变形的影响。为了方便对后续温度场监控，可采用如下方法进行测点的优选：（1）通过数控机床热特性数值模拟分析方法获得机床的温度场及热变形；（2）计算待考察的测点之间温度相关性系数，根据相关性系数进行分组；（3）求出待考察测点的热敏感度，根据热敏感度选择每组中热敏感度最大的位置作为热特性监控测点的实际布置位置。三、机床主轴热特性快速辨识该方法流程图如图7-12所示。对主轴上各温度测量点的数据进行处理，获取关键点的温升曲线，可大幅减少实际辨识热特性操作的时间，实现快速辨识热态特性的目的。此方法只需温度采样数据，无须热激励即可达到辨识目的，结果准确，操作简单，在较短的时间内快速辨识机床主轴热特性。图7-12机床主轴热特性快速辨识方法流程图

一、在机测量意义

二、在机测量方法

三、在机测量应用案例

§7.5数控加工在机测量

本节的重点：在机测量方法。一、在机测量意义在机测量，是以数控机床硬件作为载体，通过测头、测量软件等相应的软硬件测量工具，在机床上进行在线测量的一种方式。在机测量可进行零件自身误差检测、夹具和零件装夹检测、编程原点测量等，将工件测头的电源、高速跳转信号、启停、报警信号接入到机床，在机床的PLC中编写对应的控制程序、测量宏程序，通过机床数控系统的运动控制与工件测头中相关信号进行配合，实现工件的端面、内部、外部等位置的尺寸测量，并将测得的相关尺寸数据通过宏程序补偿到对应工件坐标系中，从而实现加工零件的测量和误差补偿，提高加工精度。一、在机测量意义智能制造对检测技术和工具提出了更高要求，智能机床不可缺少的一个配置就是在机测量功能，包括各种类型的监控、检测装置（如测头），在加工过程中可对工件及刀具进行在线监测，对工件超差、刀具磨损、破损等现象及时报警，进行补偿或更换刀具。智能制造对机床加工精度和效率有更高要求。随着测头精度和质量不断提升，对零件的测量方法也从三坐标测量向在机测量过渡，以在机测量为基础的高效高精度加工的大闭环CAD、CAM集成系统已经成为主流发展方向。二、在机测量方法根据测量方式的不同，分为：接触式测量、非接触式测量、复合式测量。（1）接触式测量

主要是触发式和扫描式。触发式的测头坐标位置由控制系统锁定和储存，其精度由加工中心的定位精度决定。触发式测量操作时只需要在测头触发的瞬间立刻锁定并储存测头位置即可，可以取得很高的测量精度，但测量效率有待提高，而且对控制系统的运行速率和周期提出了相应要求。扫描式测量是基于触发式测量发展而来，克服了触发式测量的不足，提升了测量效率。然而，扫描式测量测出的坐标值是测头位移与机床位移之和，测量结果包含两者误差之和，降低了测量精度。尽管如此，扫描式测量的轮廓精度可以达到亚微米级，在超精密加工中得到广泛应用。此外，该方法可以检测刀具破损和机床产生的误差，对这些误差也具有一定的补偿功能。二、在机测量方法（2）非接触式测量

激光测量方式是相对较为成熟的非接触式测量，激光扫描法在三坐标测量机上的技术可以方便地应用到在机测量中。三维视觉测量法属于机器视觉技术，起步