第5章 检测过程自动化.ppt

第五章检测过程自动化 检测是企业产品质量管理的技术基础 也是制造系统不可缺少的一个重要组成部分 在机械加工过程中应用检测技术 可以保障高投资自动化加工设备的安全和产品的加工质量 避免重大的加工事故 提高生产率和设备的利用率 随着现代制造技术 自动控制技术 计算机技术 人工智能技术以及系统工程技术的发展 各种新型刀具 材料及昂贵的加工设备的使用更加大了检测的难度 传统的人工检测技术已远远不能满足生产加工的要求 因此 各种先进的自动化检测技术和识别技术应运而生 5 1制造过程的检测技术5 2加工尺寸的自动测量5 3刀具的自动识别与监测5 4加工设备的自动监测5 5相关的检测技术 第一节制造过程的检测技术 一 基本概念检测技术是机械制造系统不可缺少的部分 它在机械制造领域中占有十分重要的地位 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 机械加工系统 信息 原材料 能量 资金 成品 废品 污染 控制 支持条件 加工资源输入 加工系统输出 检测与组成加工系统之间的关系 如图5 2所示 1 定位子系统 建立刀具与被加工工件的相对位置 2 运动子系统 为加工提供切削速度及进给量 3 能量子系统 为加工过程改变工件形状提供能量保证 4 检测子系统 为控制加工过程 产品质量等提供必要的数据信息 5 控制子系统 对加工系统的信息输入和传递进行必要的控制 以保证产品质量 提高加工效率 降低成本 它可以是人工控制 也可以是自动控制 图5 2机械加工系统的组成 对加工后的工件进行检测 仅能起到剔除废品的作用 因此检测过程是被动的 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 检测过程是主动的 如果进一步对测得的加工过程参数进行优化 并校正机床系统 就能实现自适应控制 检测方法按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式 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 1 直接测量与间接测量 直接测量 测量时 直接从测量器具上读出被测几何量的大小值间接测量 被测几何量无法直接测量时 首先测出与被测几何量有关的其他几何量 然后 通过一定的数学关系式进行计算来求得被测几何量的尺寸值 2 接触测量和非接触测量 接触式 测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触 工件被测参数的变化 直接反映在量杆的移动量上 然后通过某种传感器转换为电量 例如电接触式 电感式传感器都属于这一种 非接触式 测量器具的测量头不与工件被测表面接触 而是借助电磁感应 气压 光束或放射性同位素的射线等的作用 以反映被测参数的变化 这种测量方式 没有因为测头与工件接触发生磨损而产生的误差 3 在线测量和离线测量 在线测量 在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测 离线测量 在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测 二 检测装置 对被加工工件的监测与控制包括 精度 粗糙度 形状 缺陷等 对加工设备工作状态的在线监测与控制包括 切削负荷 刀具磨损及破损 机床主要部件的温升 振动 变形等 对加工对象的加工过程在线监测与控制 监测的内容 采用的检测手段可分为 人工检测和自动检测 人工检测 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 是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 二 检测装置 机械制造过程中自动化检测的范围 从制品 零件 部件和产品 的尺寸 形状 缺陷 性能等的静态检测 到成品生产过程各阶段上的质量控制 从对各种工艺过程及其设备的调节与控制 到实现最佳条件的自动生产 其中每一方面都离不开自动检测技术 适用于不同用途的自动检测装置 用于工件的尺寸 形状检测用的定尺寸检测装置 三坐标测量机 激光测径仪以及气动测微仪 电动测微仪和采用电涡流方式的检测装置 用于工件表面粗糙度检测 表面轮廓仪 用于刀具磨损或破损监测的 噪声频谱 红外发射 探针测量等测量装置 利用切削力 切削力矩 切削功率对刀具磨损进行检测的测量装置 它们的主要作用就在于全面地 快速地获得有关产品质量的信息和数据 三 自动化检测方法 在机械加工中自动化检测方法有两种 1 产品精度检测产品精度检测是在工件加工完成后 按验收的技术条件进行验收和分组 这种检验只能发现废品 不能预防废品的产生 2 工艺过程精度检测目的 预防废品的产生 从工艺上保证所需的精度 对象 加工设备 工具和生产工艺过程 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在自动线中设置专门的自动检测工位 即在某道加工工序刚一完成就立即进行在线检测 如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置 设置专门的监测装置 如轴承中使用的钢珠 滚针 连杆的秤重 在柔性系统使用的测量机器人 自动化检测实现的途径 计算机技术和电子技术的发展应用对自动检测领域的影响 使自动检测的范畴扩大 从被加工工件尺寸和几何参数的静态检测 扩展到对加工过程各个阶段的质量控制 从对工艺过程的监测扩展到实现最佳条件的自适应控制检测 自动化检测技术不仅是现代制造系统中质量管理分系统的技术基础 而且已成为现代制造加工系统不可缺少的一个重要组成部分 工件尺寸精度是直接反映产品质量的指标 因此在许多自动化制造中都采用自动测量工件的方法来保证产品质量和系统的正常运行 一 检测方法检测方法按其在制造系统中所处的位置可以分为 1 离线检测2 过程中检测3 在线检测 第二节加工尺寸的自动测量 19 1 离线检测在自动化制造系统生产线以外进行检测 其检测周期长 难以及时反馈质量信息 2 过程中检测这种检测是在工序内部 即工步或走刀之间 利用机床上装备的测头检测工件的几何精度或标定工件零点和刀具尺寸 检测结果直接输入机床数控系统 修正机床运动参数 保证工件加工质量 一 检测方法 检测方法 测头安装在主轴上 数控镗铣加工中心 或刀架上 车削加工中心 通过触点测量和数据处理检测加工表面的尺寸和形状误差或标定工件在机床坐标系中的坐标零点 测头安装在机床工作台 数控镗铣加工中心 或床身上 车削加工中心 通过坐标轴运动使刀具与测头接触测出刀具在各方向的偏置量 输入数控系统进行刀具补偿 或者测量刀具磨损量 3 在线检测利用坐标测量机综合检测经过加工后机械零件的几何尺寸与形状位置精度 坐标测量机按精度可分为生产型和精密型两大类 按自动化水平可分为手动 机动和计算机直接控制三大类 在自动化制造系统中 一般选用计算机直接控制的生产型坐标测量机 工件尺寸 形状的在线测量是机械加工中很重要的功能 工件的工件的尺寸和形状误差分为 随机误差和系统误差 自动检测中 应该检测系统误差 系统误差包括 影响加工尺寸的因素一般说来有以下几种原因 1 切削热引起刀具的伸长 使得加工尺寸与理论尺寸有差别 2 切削热引起工件的膨胀 3 机床主轴 工件和刀具系统在受切削力和切削热作用下的动态变形 4 刀具磨损对加工精度的影响 5 机床导轨的几何精度 实时在线测量 工件尺寸 形状的在线测量方式 测量传感器 测量装置中最主要的部分是传感器 它用以将被测零件的尺寸变化转换成其他物理量 例如转换成电 气或其他形式的信号 然后将此信号送至放大装置放大或经其他处理后 供机床的控制系统自动控制机床的工作过程 常用的传感器有电气式 光电式 气动式等 二 自动测量机构1 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 在大批量生产条件下 只要将自动测量装置安装在机床上 操作人员不必停机测量工件尺寸 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 停止进给 退刀和停车等 其自动测量原理如图5 4所示 图5 4加工中自动测量原理方框图 2 三坐标测量机三坐标测量机又称计算机数控三坐标测量机 它是现代加工自动化系统中的测量设备 三坐标测量机不仅可以在计算机控制的制造系统中直接利用计算机辅助设计和制造系统中的编程信息对工件进行测量和检验 构成设计 制造 检验集成系统 而且能在工件加工 装配的前 后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理 三坐标测量机 CoordinateMeasuringMachining 简称CMM 是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器 现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量 而且可以通过与数控机床交换信息 实现对加工的控制 并且还可以根据测量数据 实现反求工程 目前 CMM已广泛用于机械制造业 汽车工业 电子工业 航空航天工业和国防工业等各部门 成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备 2 三坐标测量机 三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备 三坐标测量机的作用 可以在计算机控制的制造系统中直接利用CAD CAM系统中的编程信息对工件进行测量和检验 构成设计 制造 检验集成系统 能在工件加工 装配的前 后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理 2 三坐标测量机 1 CMM的组成 机械系统 一般由三个正交的直线运动轴构成 X向导轨系统装在工作台上 Y向导轨系统是移动桥架横梁 Z向导轨系统装在中央滑架内 三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成 1 CMM的组成 三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值 人工驱动的手轮及机动 数控驱动的电机一般都在各轴附近 用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部 33 1 CMM的组成 电子系统 一般由光栅计数系统 测头信号接口和计算机等组成 用于获得被测坐标点数据 并对数据进行处理 2 CMM的工作原理 原理 通过探测传感器 测头 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坐标的获取 通过相应的数学计算定义 完成对所测得点 点群 的拟合计算 还原出被测的几何元素 进行其与理论值 名义值 之间的偏差计算与后续评估 从而完成对被测零件的检验工作 三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备 36 几何量数字测量的功能 37 常用测量方法 四 工作台早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的 但近年来 各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台 这是因为花岗岩变形小 稳定性好 耐磨损 不生锈 且价格低廉 易于加工 有些测量机装有可升降的工作台 以扩大Z轴的测量范围 还有些测量机备有旋转工作台 以扩大测量功能 五 导轨导轨是测量机的导向装置 直接影响测量机的精度 因而要求其具有较高的直线性精度 在三坐标测量机常用的为滑动导轨和气浮导轨 目前 多数三坐标测量机已采用空气静压导轨 又称为气浮导轨 气垫导轨 它具有许多优点 如制造简单 精度高 摩擦力极小 工作平稳等 三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成 它们是三坐标测量机的关键组成部分 决定着CMM测量精度的高低 标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的 标尺系统种类按其性质可以分为 机械式标尺系统 如精密丝杠加微分鼓轮 精密齿条及齿轮 滚动直尺 光学式标尺系统 如光学读数刻线尺 光学编码器 光栅 激光干涉仪 电气式标尺系统 如感应同步器 磁栅 测头系统 1 测头三坐标测量机是用测头来拾取信号的 因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率 没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能 分类 按结构原理 机械式 光学式和电气式等 按测量方法 接触式和非接触式两类 测量机原理接触式三坐标测量机的原理是 将被测件置于三坐标的测量空间之内 测出接触点处的坐标位置 根据这些点的空间坐标值 经过计算可以求出被测件的几何尺寸 形状及位置 基本结构接触式三坐标测量机的基本结构可分为主机 测头 电气系统三大部分 1 主机 1 主机的构造框架结构 标尺系统 导轨 驱动装置 平衡部件 转台与附件 2 主机的结构形式与材料三坐标测量机主机的结构形式可归纳为七大类 桥框式 悬臂式和龙门式 这三类即称为三坐标测量机 由镗床演变而来的立柱式和卧镗式 通常称这两类为万能测量机 UniversalMeasuringMachine UMM 由测量显微镜演变而来的仪器台式 又称三坐标测量仪 以及根据极坐标原理制成的极坐标式等 结构材料主要有 铸铁 钢 花岗石 陶瓷和铝 3 标尺系统标尺系统 也称测量系统 是三坐标测量机的重要组成部分 按系统的性质 可分为机械式标尺系统 光学式标尺系统和电气式标尺系统 2 三维测头三维测头即是三维测量传感器 它可在3个方向上感受瞄准信号和微小位移 三坐标测量机测头的两大基本功能是测微 即测出与给定的标准坐标值的偏差值 和触发瞄准并过零发讯 按照结构原理 测头可分为机械式 光学式和电气式等 机械式主要用于手动测量 光学式主要由于非接触式测量 电气式多用于接触式的自动测量 3 电气系统 1 计算机硬件部分 2 测量机软件 包括控制软件与数据处理软件 它可进行坐标变换与测头校正 生成探测模式与测量路径 还用于基本几何元素及其相互关系的测量 形状与位置误差测量 齿轮 螺纹与凸轮的测量 曲线与曲面的测量等 3 打印与绘图装置 4 电气控制系统 具有单轴与多轴联动控制 外围设备控制 通信控制和保护与逻辑控制等 1 接触式三坐标测量 测头形状 圆锥形测头 圆柱形测头 球形测头 半圆形测头 点测头 V型块测头等 特点 形状简单 制造容易 但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能 因此测量精度差 效率低 目前除少数手动测量机还采用此种测头外 绝大多数测量机已不再使用这类测头 a 圆锥形测头 b 圆柱形测头 c 球形测头 d 半圆形测头 e 点测头 f V型块测头 接触式三坐标测量机的精度的表示方法主要有3种 测量机本身的精度 主要是指坐标位置的点位精度 2 重复精度 是测量机重复测量某一尺寸时测量结果的变动范围 3 示值精度 是测量机测量任何已知尺寸所得测量结果的误差范围 接触式三坐标测量的优点 1 机械结构及电子系统已相当成熟 故有较高的准确性和可靠性 2 与被测件表面的反射特性 颜色及曲率关系不大 3 被测件固定在三坐标测量机上 并配合测量软件 可快速准确地测量出被测件表面的基本几何形状 如面 圆 圆柱 圆锥 圆球等 接触式三坐标测量的缺点 1 为确定测量基准点需使用特殊的夹具 测量费用较高 2 球形测头容易因接触力造成磨损 需要经常校正球形测头的直径 3 操作不当易损害被测件某些重要部位的表面精度 也会使测头损坏 4 接触式触发测头是以逐点进出方式进行测量的 测量速度慢 5 检测一些内部元件有先天的限制 如测量内圆直径 触发测头的直径必定要小于被测内圆直径 被测件内部不易测量处是测量的死角 6 对三维曲面的测量 因传统触发式测头是感应元件 测量到的点是测头的球心位置 故欲求得物体真实外形则需要对调头半径进行补偿 因而可能会导致修正误差的问题 计算比较繁琐 同时这也是测量误差的来源之一 7 接触测头在测量时 测头的接触力将使测头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数 8 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差 9 由于测头触发机构的惯性及时间延迟而使测头产生超越 Overshoot 现象 趋近速度会产生动态误差 10 因为接触面积与被测件表面的几何形状有关 即使测量接触力保持一定 测量压力并不能保证一定 测量原理与基本结构1 常用的非接触式测量方法三角测量法 其工作原理是 由激光器 通常是半导体激光器 发出的光 经光学系统形成一个很细的平行光束 照到被测工件表面上 由工件表面反射回来的光 可能是镜面反射光 也可能是漫反射光 2 光纤式测量法 其原理是通过被测量的形面变化来调制光波 使光纤的光波参量随被测量的形面变化而变化 从而根据被测信号的大小求得被测形面的空间位置关系 2 非接触式三坐标测量 3 视像测量法 通过一定方式的照明 将物体的几何轮廓变为光学轮廓 4 计算机断层扫描 ComputedTomography CT 技术 最具代表的是基于X射线的CT扫描机 5 磁共振成像 MagneticResonanceImaging MRI 也称为核磁共振 理论基础是核物理学的磁共振理论 6 超声波测量法 7 层去扫描法 破坏性测量方法 适用于测量物体截面轮廓的几何尺寸 2 光学测头 1 一维测头 如三角法测头 光纤测头等 2 二维测头 主要是各种视像测头 如利用CCD摄像机测量平面轮廓的测头 3 二维加一维测头 是在二维测头基础上 再增加对焦功能 使它能实现三维测量 4 三维测头 如用莫尔条纹技术形成等高线进行条纹计数的测头 体视式测头 5 接触式测头 它首先利用测端拾取工件表面位置信息 然后用光学原理进行转换 根据测量方法 光学测头可分为三角法测头 光纤式测头 视像测头等 采用非接触式三坐标测量 有如下突出的优点 1 能够快速收集到测量曲面的计算机建模信息 用于CAD FEM分析等 2 测量点云能够实现与CAD数据 工程图或样本的对比 3 能够对零件进行快速复制 快速成型或数控加工 4 能够应用数字化样机 5 能够测量体积小 形状复杂和体积很大的被测零件 6 测量点云的噪声点数量小 并且可以经过调整而进一步减少噪声点 7 接触式测量设备不能测量的结构 如内部结构 各种柔软的 易变形的物体和不可接触的高精密被测件等 8 能够装在机器人上实现自动测量 9 重量轻 结构紧凑 操作简单 10 带有先进的计算和渲染测量点云的功能 非接触式三坐标测量的主要缺点 1 因为非接触式测头大多是接收被测件表面的反射光或散射光 容易受到被测件表面的反射特性的影响 如颜色 斜率等 2 测头容易受到环境光线及杂散光影响 3 非接触式测量只做被测件轮廓坐标点的大量取样 不能进行面上指定点的测量 对边线及凹孔等的处理比较困难 4 使用光学测头测量时 测量镜头的焦距调整会影响测量精度 5 被测件表面的粗糙度会影响测量结果 6 光学阴影处及光学焦距变化处是测量死角 3 三维测头的应用三坐标测量机的测量精度很高 为了保证它的高精度测量 避免因振动 环境温度变化等造成的测量误差 必须将其安装在专门的地基上和在很好的环境条件下工作 被检零件必须从加工地输送至测量机 有的需要反复输送几次 这对于质量控制要求不是特别精确可靠的零件 显然是不经济的 一个解决方法是将三坐标测量机上用的三维测头直接安装在计算机数控机床上 该机床就能象三坐标测量机那样工作 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 为了提高生产效率和控制产品质量 必须随机测量轧制中轧件外径尺寸的偏差 以便及时调整轧机 保证轧件符合要求 这种方法适用于扎制时对温度高 振动大等恶劣条件下的尺寸检测 激光测径仪包括光学机械系统和电路系统两部分 其中光学机械系统由激光电源 氦氖激光器 同步电动机 多面棱镜及多种形式的透镜和光电转换器件组成 而电路系统主要由整形放大 脉冲合成 填充计数 微型计算机 显示器和电源等组成 图5 6激光测径仪原理图 图5 7激光测径仪波形图 激光测径仪 5 机器人辅助测量 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 直接测量 绝对测量 要求机器人具有较高的运动精度和定位精度 造价高 间接测量 辅助测量 特点是测量过程中机器人坐标运动不参与测量过程 他的任务是模拟人的动作将测量工具或传感器送至测量位置 采用通用机器人 对传感器要求较高 要求具有一定智能和柔性 可以进行姿态和位置调整并独自完成测量工作 1 自动在线检测自动在线检测 是指在设备运行 生产不停顿的情况下 根据信号处理的基本原理 跟踪并掌握设备的当前运行状态 预测未来的状况并根据出现的情况对生产线进行必要的调整 在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测应用的范围和深度的不同 将自动在线检测大致分为 自动检测 机床监测和自适应控制 三 加工过程的在线检测和补偿 1 自动检测指主动自动检测 即加工中测量仪与机床 刀具 工件等设备组成闭环系统 通过在线检测装置将测得的工件尺寸变化量经信号转换和放大后送至控制器 控制执行机构对加工过程进行控制 2 机床监测机床监测的基本方法是检测系统从机床上安装的传感元件获得有关机床 产品以及加工过程的数据 将机床上反馈来的监测数据与机床输入的技术数据相比较 并利用比较的差值对机床进行优化控制 监测数据一般为实时输入和连续传输的信息流 3 自适应控制指加工系统能自动适应客观条件的变化而进行相应的自我调节 对一些采用调整法进行加工的机床 工件的尺寸精度主要取决于机床本身的精度和调整精度 当工件的精度要求较高 而切削工具磨损较快时 则机床工作时间不长 工件的尺寸精度就会显著下降 刀具磨损是直接影响被加工工件尺寸精度的因素 如要保持工件的加工精度就必须经常停机调刀 又会影响加工效率 必须采取措施来解决加工中工件的自动测量和刀具的自动补偿问题 2 自动补偿 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 以检测的工件尺寸作为信号 控制补偿装置 实现脉动补偿 图5 8自动补偿的基本过程1 工件2 测量装置3 信号转换 放大装置4 控制线路5 机床6 控制线路7 分类机8 合格品 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 每次补偿量的大小取决于工件的精度要求 即尺寸公差带的大小和刀具的磨损情况 每次的补偿量愈小 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 根据误差补偿运动实现的方式 可分为硬件补偿和软件补偿 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 目前多数机床的误差补偿都采用这种方法 而软件补偿主要是针对象三坐标测量机和数控加工中心这样结构复杂的设备 自动调整相对于加工是滞后的 为保证在对前一个工件进行测量和发出补偿信号时 后一个工件不会成为废品 就不能再工件已达到极限尺寸是才发出补偿信号 为必须建立一个公差带 分别设置上下警告界限 如图5 9所示 当工件尺寸超过警告界限时 计算机软件就发出补偿信号 控制补偿装置按预先确定的补偿量进行补偿 是工件回到正常尺寸公差带中 图5 9被加工工件的尺寸分布与补偿 一 刀具的自动识别机械加工过程中最为常见的故障便是刀具状态的变化 刀具状态识别 检测与监控是加工过程检测与监控最为重要最为关键的技术之一 刀具状态的识别 检测及监控对降低制造成本 减少制造环境的危害 保证产品质量 具有十分重要的意义 第三节刀具的自动识别和监测 刀具的自动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 关于刀具状态识别的方法较多 目前主要有 基于时序分析刀具破损状态识别基于小波分析刀具破损状态识别基于电流信号刀具磨损状态识别基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法 一 刀具的自动识别 基于电流信号的钻头磨损状态检测 以检测电动机电流信号为例来识别钻头的磨损状态 1 钻头磨损状态划分 2 电流信号模型 3 建立神经网络模型 4 对刀具磨损状态进行判别 图像识别技术 红外成像技术等现代计算机技术的应用 图5 10钻削电流神经网络模型 图5 11刀具磨损状态识别方法示意图 YG6A铣刀片磨损 二 刀具尺寸测量控制系统刀具检测技术与刀具识别技术往往是紧密联系在一起的 刀具的检测是建立在刀具识别的基础上的 在自动化的制造系统中 必须设置刀具磨损 破损的检测与监控装置 以防止发生工件成批报废和设备损坏事故 1 直接测量法 2 间接测量法 1 直接测量法直接测量法就是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 在大多数切削加工中 刀具的磨损往往因为被工件 切屑等所遮盖而很难直接测量 因此 目前多采用间接测量方式 常通过测量切削力 切削力矩 切削温度 振动 噪声和加工表面的粗糙度等来判断磨损程度 根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的 对于加工中心而言测量装置是无法装在刀具上 一般情况下 就装在主轴的轴承上 这种轴承称为测力轴承 通过测量测力轴承的受力情况来确定刀具的磨损情况 切削测力仪 应变片 原理 在实际应用中 将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面 当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时 粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形 引起应变片电阻发生相应的变化 这时 电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出 能将温度转换为电压的传感器 热电偶 声发射传感器 三 刀具的自动监控随着柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 等自动化加工系统的发展 对加工过程刀具切削状态的实时在线监测技术的要求越来越迫切 原来由人观察切削状态 判别刀具是否磨 破损的任务改由自动监控系统来承担 因此该系统的好坏 直接影响加工自动化系统的产品质量和生产效率 严重时还会造成重大事故 据统计 采用监控技术后 可减少人和技术因素引起故障停机时间75 目前 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 刀具寿命自动监控刀具寿命检测原理是通过对刀具加工时间的累计 直接监控刀具的寿命 图5 13刀具磨损振动监测系统原理图1 工件2 加速度计3 刀架4 车刀 2 刀具磨损 破损的自动监控切削振动 振动传感器 模式识别技术加工表面质量 激光技术 数字图像技术声发射 声发射传感器 图5 14声发射钻头破损监测装置原理图 一 监控系统的组成 要求和分类对加工过程的监控是机械制造自动化的基本要求之一 加工过程的在线监控涉及很多相关技术 如传感器技术 信号处理技术 计算机技术 自动控制技术 人工智能技术以及切削机理等 第四节加工设备的自动监测 1 组成自动化加工监控系统主要由信号监测 特征提取 状态识别 决策和控制四个部分组成 如图5 15所示 图5 15加工过程监控系统一般结构 1 信号检测信号检测是监控系统的首要一步 加工过程的许多状态信号从不同角度反映加工状态的变化 2 特征提取特征提取是对检测信号的进一步加工处理 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 目的在于提高信号的信噪比 增加系统的抗干扰能力 3 状态识别状态识别实质上是通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 例如改变切削参数 更换刀具 改变工艺等 要求决策系统实时 快速 准确 适应性强 2 要求加工过程 机床以及刀具工况监控是自动化加工监控系统具有的三个主要任务 各个任务除了选好状态变量之外 还必须满足如下的一些要求 1 同加工过程往往需要监控多个状态变量 仅监控一个状态变量是不够的 2 由于自动化加工系统本身的加工特性 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 由于交换部件 刀具的数量大 控制程序长 因此 必须监测加工过程的初始条件 当前在加工过程领域所开展的研究工作 主要有以下几个方面 机床状态监控 刀具状态监控 加工过程监控 加工工件质量监控 先进制造技术的发展 对制造过程和产品质量监控技术提出了新的要求 加工过程监控系统与之适应的应具有一些新的功能和特点 主要有 具有智能传感器功能 适应工况频繁变化的高鲁棒性监视功能 具有自组织 自学习和自适应能力 以适应加工过程的各种变化的功能 实现多功能多目标监控功能 能对加工过程中的不同状态并行监控 具有高柔性化且可扩展功能 集成化制造过程监控功能 二 加工设备的故障诊断所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断 设备在运行过程中 内部零部件和元器件因为受到力 热 摩擦 磨损等多种作用 其运行状态不断变化 一旦发生故障 往往会导致严重后果 因此必须在设备运行过程中对设备的运行状态及时做出判断 采取相应的决策 在事故发生以前就发现并加以消除 2 加工设备运行异常的判别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识别故障原因是故障诊断中最难 最耗时的工作 4 控制决策找出故障发生的地点及原因后 就要对设备进行检修 排除故障 保证设备能够正常工作 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 因此 三者之间必须紧密集成在一起 加工设备的自动监控与故障诊断主要有四个方面的内容 1 状态量的监测状态量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 振动监测法油料监测法 振动诊断的基本知识 振动是物体运动的一种形式 通常是指物体经过其平衡位置而往复变化的过程 振动有时对人类是有害的 但有时人们可以利用振动来为我们服务 只要是运转的机器 都或多或少地发生振动 因此 振动诊断在各种诊断方法中所占的比例最大 一般可达60 70 机械振动 低频振动 f 10Hz 中频振动 f 10 1000Hz 高频振动 f 1000Hz 振动三要素及其在振动诊断中的应用 构成一个确定性振动有3个基本要素 即振幅d 频率f和相位 当然 振幅不仅用位移 还可以用速度和加速度 要特别说明一个与振动有关的量就是速度有效值 也常被称为速度均方根值 这是一个经常用到的振动测量参数 目前许多振动标准都是采用作为判别参数 因为它最能够反映振动的烈度 幅值反映振动的强度 振幅的平方常与物质振动的能量成正比 振动诊断标准都是用振幅来表示的 同样的振幅其频率越高 对机组损坏程度越大 因此不同转速的机组定义的振动标准值不同 当频率和频率一定时 相位的大幅偏移就是故障 异常 的征兆 振动信号处理 所谓振动信号处理 就是对振动波形进行加工处理 抽取与设备运行状态有关的特征 以便对设备状态实施有效的判别 信号处理的基本方法有 时域分析 幅域分析 频域分析和相域分析 时域分析 就是对信号在时间域内的分析或变换 幅域分析 就是对信号在幅值上进行各种分析 频域分析 就是要确定信号的频率结构 即弄清楚信号中都包含有哪些频率成分及各频率成分的幅值大小 相域分析 就是进行相位值测量及对相位随时间的变化进行分析 时域分析又包含有 波形图 自相关 互相关 轴心轨迹 轴心位置等 频域分析又包含有 幅值谱 功率谱 倒频谱等 相域分析包含有 相位谱等 另外 还有三维功率谱 细化谱等等 三维功率谱又叫三维谱阵 转速谱图 功率谱场 瀑布图等 是机器在起动或停车过程中 不同转速下功率谱图的迭加 纵坐标为机器的转速 自零升到额定转速 起动 或从额定转速降到零 停车 横坐标为频率 竖坐标为振幅 三维功率谱是描述机器瞬态过程的有利工具 对机器振动做三维功率谱分析 可以了解机器通过临界转速的振动情况 用来确定监测对象的固有频率判定是否存在不平衡等故障 三维谱阵图是分析机组转子 支撑系统动力学特性和非稳定区域监测的主要工具 所谓细化谱 就是把一般频谱图上的某部分频段沿频率轴进行放大后所得到的频谱 采用细化谱分析的目的是为了提高图象的分辨率 从功能上看 细化谱的作用类似于机械制图中的 局部放大图 一般的频谱图 其某频段的细化谱 润滑油状态检测意义与重要性 指导设备的主动性维护 检测诊断设备的故障与失效 优化润滑油更换周期 消除故障根原因 实现零维修 早期可靠监测故障 失效 降低故障 失效损失 降低不合适的更换率 实现基于状态的换油 三大任务 三大功能 油液监测不只是化验润滑油的理化指标 不只是看看要不要换油 三大目的 注意 设备润滑状态 设备磨损状态 润滑油分析 设备运转的真实状态 正常 异常 停机警告 警告 油液监测 维修决策 磨损分析 润滑油状态检测意义与重要性 理化指标分析 包括颗粒计数 光谱分析红外光谱铁谱分析 润滑油状态的常用检测手段介绍 油样分析过程采样检测诊断预测处理 理化指标分析技术 各种润滑油品的性能指标都应满足其产品质量要求 只有合格的润滑油品才能对设备起到良好的作用 但是油品在使用过程中其品质会由于各种原因而发生劣化 具体表现在多个指标的变化上 当这种变化超出一定的限度后 该油品就丧失了其性能 必须停止使用 及时更换 否则 可能会给机械设备带来灾难性后果 至于各种润滑油的换油限值 也有指标可供参考 在用润滑油必测的理化性能指标包括 粘度 闪点 水分 总酸值 TAN 总碱值 TBN 腐蚀 不溶物等 这些指标的测试都有标准的试验方法 理化指标分析技术是评价在用润滑油品质的重要手段 润滑油 脂 常用理化质量指标1 粘度2 油性3 酸值4 倾点 凝点5 密度6 防锈7 水分8 机械杂质9 抗乳化10 抗泡11 闪点12 残炭13 腐蚀14 抗磨性15 氧化安定16 滴点17 锥入度 润滑油水份监测仪器 颗粒计数技术 颗粒计数技术是评定油液内固体颗粒污染程度的一项重要技术 原理是把油样内的颗粒进行粒度测量 并按预选的粒度范围进行计数 从而得到有关颗粒粒度分布方面的重要信息 在判断油液的污染程度方面非常有效 颗粒计数技术 显微镜颗粒计数技术将油样经滤膜过滤 然后将滤膜烘干 放在普通显微镜下统计不同尺寸范围的污染颗粒数目和尺寸 由于能直接观察磨损微粒的形状 尺寸及分布情况 可定性了解磨损类型和磨损微粒来源 该技术装备简单 但操作费时 人工计数误差也较大 再现性也较差 自动颗粒计数技术自动颗粒计数器都是利用传感器技术 当颗粒经过时将反映其大小的信号输出并同时计数 它不需要从油样中分离出固体微粒 而是自动地对油样中的颗粒尺寸进行测定和计数 光谱分析技术 光谱分析技术是对润滑油中金属元素进行的光谱分析 分析方法有原子吸收光谱技术 原子发射光谱技术和等离子体发射光谱技术 常用的是前两种光谱技术 它们都是通过分析润滑油中金属磨损微粒的材料成分和数量 了解设备摩擦副的磨损情况 以正确判断设备异常和预测故障 为设备检修提供科学依据 原子吸收光谱技术和仪器 原子吸收光谱技术是将待测元素的化合物或溶液在高温下进行试样原子化 使其变为原子蒸汽 当锐线光线发射出的一束光穿出一定厚度的原子蒸汽时 光线的一部分将被原于蒸汽中待测元素的基态原子吸收 检测系统测量特征辐射线减弱后的光强度 根据光吸收定律求得待测元素的含量 该技术分析灵敏度高 使用范围广 需样量少 速度快 原子发射光谱技术 该技术是利用不同元素的物质受到强光源激发后发出的不同波长的光线 再通过光学系统排序得到光谱 根据特征谱线可以判断某物质是否存在以及其含量的多少 原子发射光谱仪能在很短的时间内测出油液中30种元素的浓度 光电直读光谱仪 是利用原子发射光谱技术测定润滑油中各种金属元素浓度的仪器 X荧光分析技术 X荧光是介质在放射源照射下所释放的特征X射线 通过检测油液在放射源照射下释放的X射线可以确定磨粒的数量和成分 该方法可直接测定各种特殊形态的试样而无需破坏试样 可测量的元素种类多 测量范围宽 而且速度快 分析结果规律性强 红外光谱技术 当不同波长的红外辐射依次照射油样时 某些波长的辐射将被样品选择吸收而减弱 形成红外吸收光谱 根据某些物质的特征吸收峰位置 数目以及相对强度 可以推断出油样中存在的官能团 并确定其分子结构 利用红外光谱技术分析油样中有机化合物的基团结构 通过比较新旧油的红外吸收峰的峰位与峰高 可定性与定量检测基础油与添加剂组分是否是发生了化学变化以及变化的类型与程度 利用红外光谱的油分析软件可定量测试在用油的氧化值 硫化值 硝化值 积碳 水分 乙二醇 燃油稀释度等参数 通过对谱图的分析 结合各参数的数值 可获得油样品质变化方面的信息 便携式油液监测红外光谱仪 红外光谱仪的测试参数 油品的衰化变质 油品的氧化 油品的硝化油品的硫酸化 油品的总碱值 油品添加剂的损耗 抗氧化添加剂损耗 抗磨添加剂损耗 油品的外部污染 水分污染 冷却剂污染 积碳污染 燃油泄漏 铁谱技术及仪器 铁谱技术是70年代出现的一种油液分析方法 它是利用高梯度的强磁场将润滑油中所含的机械磨损颗粒和污染杂质有序地分离出来 再借助显微镜对分离出的微粒和杂质进行有关形貌 尺寸 密度 成分及分布的定性 定量观测 以判断机械设备的磨损状况 预报零部件的失效 铁谱技术的优点能分离出润滑油中所含较宽范围内的磨屑 应用范围广 通过对磨屑的定性观察和定量测量 可判断磨损发生的部位以及磨损程度 即可以提供更丰富的故障特征信息 铁谱图片 铁谱图片 铁谱技术分析仪器分类 分析式铁谱仪将油液中的磨损金属微粒及污染杂质微粒从油液中分离出来 制成铁谱基片 再在铁谱显微镜下对基片上沉积的磨损微粒进行大小 形态 成分 数量等方面的特征进行定性观测和定量分析后 就可对监测设备零件的摩擦学状态作出判断 直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布 能够方便 迅速而准确地测定油样内大小磨粒的相对数量 可以很直观地反映出摩擦副的磨损程度和磨损烈度 因而能对设备状态作出初步的诊断 是目前设备监测和故障诊断的较好手段 油液监测的成功关键 采用状态监测系统获得有代表性的油样报告内容准确而完整对所报告信息正确诊断及时进行维护工作现场反馈 一 无损探伤检测技术无损探伤检测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 包括各类缺陷和其他技术参数的综合性应用技术 对于控制和改进生产过程和产品质量 保证材料 零件和产品的可靠性及提高生产率起着关键的作用 是发展现代工业必不可少的重要技术措施之一 无损探伤检测技术在材料加工 零件制造 产品组装直至产品使用的整个过程中 不仅起到保证质量 保障安全的监督作用 还在节约能源及资源 降低成本 提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用 第五节相关的检测技术 无损探伤检测作为一项工业技术 从应用角度来说 主要有三种形式 一是在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 它可以剔除每道生产工序中的不合格产品 并把检测结果反馈到生产工艺中去 指导和改进生产 监督产品的质量 二是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 它主要是检验产品是否达到设计性能 能否安全使用 三是在产品使用过程中的检测 即维护检验 它是用户在使用产品或设备的过程中 经常地或定期地检查是否出现危险性缺陷而采用无损检测方法 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 它具有设备简单 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等优点 因此 在工业生产中得到了广泛的应用 磁粉探伤检测可以检测铁磁性材料和构件的表面或近表面的缺陷 对裂纹 发纹 折叠 夹层和未焊透等缺陷较为灵敏 通常采用交流电磁化可以检测表面下2mm以内的缺陷 采用直流电磁化可以检测表面下6mm以内的缺陷 图5 16磁粉探伤原理 磁粉检测设备有固定式 移动式和手提式三种类型 对各种大小不同的零部件 结构件 装置和设备都可以进行检查 建立磁场的方式有恒磁法和电磁法 前者使用永久磁铁 后者利用电流的磁场 显示介质主要是磁粉和磁悬液 磁粉探伤的优点主要有 1 显示直观 磁痕一般比裂纹尺寸大 易于观察 2 探测灵敏度高 最小缺陷宽度可达0 1微米 3 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 4 设备简单 成本低 操作方便 效率高 其缺点是 1 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 2 只能够检查工件的表面及近表面缺陷 3 不能定量测出缺陷的深度 4 必须用人眼来观察 易造成操作人员的疲劳 荧光磁粉探伤实例 荧光磁粉探伤设备 2 超声波探伤检测超声波探伤检测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等优点 在生产实践中已获得了广泛的应用 超声波用于无损探伤检测 主要是因为具有以下特性 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 而且超声波的声速 衰减 阻抗和散射等特性为超声波的应用提供了丰富的信息 超声波检测的最大优点就是对裂纹 夹层 折叠 未焊透等