质量控制和运行监控系统

主讲教师:陈银银chenAgAg@163.co三章焊接自动化系统组成质量控制和运行监控系统第1页主要内容：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质量控制和运行监控系统第2页1.概述

1)基本概念检测技术是机械制造系统不可缺乏部分。检测系统与加工系统各组成元素之间关系。机械加工系统组成质量控制和运行监控系统质量控制和运行监控系统第3页

2)检测内容及方法在自动化制造系统加工过程中，为了确保加工质量和系统正常运行，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，需要检测与监控运行状态通常包含：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。仿真信息包含以下内容：零件数控程序是否准确；有没有碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。质量控制和运行监控系统第4页检测与监控系统组成

质量控制和运行监控系统第5页(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，速度快质量控制和运行监控系统第6页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分类指令成品废品质量控制和运行监控系统第7页(3)刀具磨损和破损检测方法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质量控制和运行监控系统第8页3)检测装置介绍(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，声发射传感器质量控制和运行监控系统第9页2.工件尺寸自动测量、主要设备及其工作原理实时在线检测是提升加工质量，满足工件尺寸、形状精度要求主要保障。在线测量普通指测量加工制造系统系统误差，随机误差因无法控制，普通不测量。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。质量控制和运行监控系统第10页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一个高效几何量精密测量机。用途：各种几何量测量，设计一体化，实物程序编制类型：按功效水平可分为：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：可按程序经过计算机数控系统进行自动测量。这是当前主要惯用机型。质量控制和运行监控系统第11页测量原理将被测物体置于三坐标测量空间，可取得被测物体上各测点坐标位置，依据这些点空间坐标值，经计算求出被测物体几何尺寸，形状和位置。基本原理就是经过探测传感器(探头)与测量空间轴线运动配合，对被测几何元素进行离散空间点位置获取，然后经过一定数学计算，完成对所测得点(点群)分析拟合，最终还原出被测几何元素，并在此基础上计算其与理论值(名义值)之间偏差，从而完成对被测零件检验工作。质量控制和运行监控系统第12页a)b)c)d)三坐标测量机结构形式结构形式：悬臂式结构：测头易于靠近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相同龙门式结构：结构与门式起重机相同，用于大件测量质量控制和运行监控系统第13页悬臂式三坐标测量机质量控制和运行监控系统第14页操作控制：

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：离线质量控制和运行监控系统第15页可完成测量项目

三坐标测量机可完成测量项目质量控制和运行监控系统第16页测量系统三坐标测量机上测量系统主要部件是测量头和测长系统。测量头三坐标测量机测量精度和效率与测量头亲密相关。当前惯用测量头有以下几个。机械接触式测头(硬测头)，基本上已淘汰电气式测头，依据其原理和功效可分为动态式和静态式两种。是当前应用最广一个光学非接触式测头，可用于对空间曲面、软体表面、光学刻线等测量，尤其是不能用机械测头和电气测头测量工件，只能用光学非接触式测头。质量控制和运行监控系统第17页惯用测量方法点位测量惯用于测量对象是由简单几何面组成普通机械零件。点位测量时对测量头控制方式有3种。人工控制、全自动控制、半自动控制连续扫描测量惯用来测量曲面。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经过测量头轴线平面内。•扫描轮廓线组成平面与测量头垂直。•扫描轮廓线沿一个柱面。•扫描轮廓线所在平面既不经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。质量控制和运行监控系统第18页实物照片

质量控制和运行监控系统第19页2)三维测头三维测头分为导电式测头和触发式测头两种。导电式测头工作原理：在测头内部有一个未闭合有电源电路，该电路断点两端分别与测头上相互绝缘测针、测头柄相连接，所以，测头测针和柄部实际上就是测头内部电路常开开关两端；当测头经过柄部连接在机床主轴上时，因为机床和其工作台上工件(金属材质)都是导电体，所以只要测头上测针触头与工件表面接触，测头内部电路就会形成闭合回路，电路马上开始工作并在测头主体上产生声光信号，指明其工作状态。质量控制和运行监控系统第20页触发式测头工作原理：在测头内部有一个闭合有源电路，该电路与一个特殊触发机构相连接，只要触发机构产生触发动作，就会引发电路状态改变并发出声光信号，指示测头工作状态；触发机构产生触发动作唯一条件是测头测针产生微小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，使测针产生微小摆动或移动，都会马上造成测头产生声光信号，指明其工作状态。质量控制和运行监控系统第21页三维测头实物质量控制和运行监控系统第22页在数控机床上采取测头进行测量工作原理在数控机床上采取测头进行测量时，先将测头安装在机床主轴上，然后操作者手动控制机床移动，使测头测针上触头与工件表面接触，因为机床数控系统实时地统计并显示主轴位置坐标值，所以，能够结合测针触头与工件详细位置关系，利用机床主轴坐标值换算出工件被测量点相关坐标值。取得工件各个被测量点相关坐标值以后，再依据各坐标点几何位置关系进行相关计算，便能够取得最终测量结果。质量控制和运行监控系统第23页测量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效测头，只能采取手动方式。对于含有信号输出功效测头，两种方式均可采取。采取手开工作方式时，机床运动、测量点坐标值统计和测量结果计算均由操作者手动控制，适合单件、小批量或测量项目改变不定情况。优点是使用安全，操作者不需要尤其培训；缺点是不适合测量点很多，计算较复杂和大批量生产情况。采取编程工作方式时，整个测量过程中机床运动、被测点坐标值统计和测量结果计算都由操作者事先编写程序确定，它尤其适合大批量或复杂测量情况。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培训。质量控制和运行监控系统第24页

3)激光测径仪激光因为其优良特征（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。能够测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也能够测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还能够实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度当前可达0.01μm。质量控制和运行监控系统第25页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

采取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。经过激光扫描被测工件两端，依据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件尺寸。激光测径仪原理质量控制和运行监控系统第26页质量控制和运行监控系统第27页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质量控制和运行监控系统第28页氦氖激光器发出激光，在轴向强磁场作用下，产生频率f1和f2旋向相反圆偏振光，经1/4波片形成频率f1垂直线偏振光和频率f2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同时含有大测量范围、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取得了广泛应用。它采取外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移问题，含有信号噪声小、抗环境干扰能力强、允许光源多通道复用等很多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。比如，精密坐标机床标定、高精度传感器标定、半导体工业中高精度模板制造和定位、以及组成多坐标精密定位多轴运动系统等。测量精度可到达1nm。质量控制和运行监控系统第29页双频激光测量系统质量控制和运行监控系统第30页5)超声波测厚仪超声波测厚仪是依据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量，当探头发射超声波脉冲经过被测物体抵达材料分界面时，脉冲被反射回探头，经过准确测量超声波在材料中传输时间来确定被测材料厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传输各种材料均可采取此原理测量。按此原理设计测厚仪可对各种板材和各种加工零件作准确测量，也能够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。质量控制和运行监控系统第31页

TOUCHSTONE3是当前世界上唯一能够同时测量涂层厚度和基材厚度测厚仪质量控制和运行监控系统第32页6)气动测微仪气动测微仪测量原理：在经调压气压与测量喷咀之间，插入对气流起阻尼作用节流片，经过节流片出现压力改变，从压力改变中即可读出位移量；将压力改变转换成电流量，这么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微小改变，放大倍率也很高，最大可放大到40万倍。但气动测微仪不足之处是测量范围非常小。质量控制和运行监控系统第33页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。液晶数字显示数字式电动测微仪，内装专用LS1，手工操作，可取得0.001mm测量值。另外，还有一个测量装置和电动测微仪组合而成电动测微系统，使测量范围大为扩展；最近还开发出一个简易型电动测微仪，精度很高，可取得0.01μm单位测量值。电动量仪种类很多，普通可分为电感式、电容式和光电式等。因为电动量仪灵敏度和精度很高，测量装置和显示装置能够分离，所以有利于进行远距离测量和实现测量自动化。质量控制和运行监控系统第34页质量控制和运行监控系统第35页差动式电感传感器质量控制和运行监控系统第36页8)利用数控机床进行测量在数控机床上进行测量有以下特点：不需要昂贵三坐标测量机，但会损失机床切削加工时间；能够针对尺寸偏差自动进行机床及刀具赔偿，加工精度高；不需要工件往返运输和等候。9)测量机器人伴随工业机器人发展，机器人在测量中应用也越来越受到重视。机器人测量含有在线、灵活、高效等特点，能够实现对零件100％测量，所以尤其适合于自动化制造系统中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。

质量控制和运行监控系统第37页10)专用主动测量装置在大规模生产条件下，常将专用自动检测装置安装在机床上，无须停机就能够在加工过程中自动检测工件尺寸改变，并能根据测得结果发出对应信号，控制机床加工过程（如变换切削用量、刀具赔偿、停顿进给、退刀和停机等）。比如下列图所示为磨床上工件外径自动测量及反馈控制装置原理图。质量控制和运行监控系统第38页11)表面粗糙度仪测量表面粗糙度惯用方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量快速方便、测值精度较高、应用最为广泛就是采取针描法原理表面粗糙度测量仪。针描法又称触针法。当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，因为被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动，把位移经过电子装置把信号加以放大，然后经过指零表或其它输出装置将相关粗糙度数据或图形输出来。质量控制和运行监控系统第39页表面粗糙度测量基准线标准上要求与被测表面理想形状一致，但在实际测量中难以实现。比较常见是利用与传感器壳体安装成一体导头建立相对测量基准。质量控制和运行监控系统第40页质量控制和运行监控系统第41页电感传感器是轮廓仪主要部件之一。在传感器测杆一端装有金刚石触针，触针尖端曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定速度拖动传感器。因为被测表面轮廓峰谷起伏，触针在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同时地上下运动，从而使包围在磁芯外面两个差动电感线圈电感量发生改变。质量控制和运行监控系统第42页传感器线圈与测量线路是直接接入平衡电桥，线圈电感量改变使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下位移量成正比信号，经电子装置将这一微弱电量改变放大、相敏检波后，取得能表示触针位移量大小和方向信号。信号经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。该仪器适于测定0.02-10μmRa值，少数型号还可测定更小数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面以及小孔、沟槽等形状工件表面测量。质量控制和运行监控系统第43页12)其它测量设备

关节臂测量机

全自动在线测量仪质量控制和运行监控系统第44页3.机械加工过程状态识别与检测1)概述目标：感知系统工作状态，提升系统抵抗突发故障能力，优化切削过程生产率、制造成本或(金属)材料切除率等。内容：切削过程切削力及其改变、切削过程颤震、刀具与工件接触和切削时切屑状态及切削过程辨识等，而最主要传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机功率等。质量控制和运行监控系统第45页2)切削过程检测(1)切削力探测切削力是评价加工条件和切削过程最惯用技术参数，也是自适应控制系统惯用传感参数。依据切削力信号，能够间接判断加工载荷、切削过程颤震、切/磨过程刀具/砂轮失效情况(破损或磨损)等。切削力探测是实时检测切削力随时间(或切削过程)改变量。主要传感器采取动态测力仪、应变片或各种力传感器，其主要特点是：动态测力仪即使可靠而且很灵敏，但经常难于实用化而多用于试验系统中；应变片适于现场应用，但安装不够简便，即使能够经过功率和扭矩检测传感信号推算出切削力值，但这类方法有检测灵敏度低、延迟时间长缺点。惯用切削力传感方法见后表。质量控制和运行监控系统第46页切削力检测方法质量控制和运行监控系统第47页(2)颤震探测传感颤震现象与大多数切削与磨削过程系统动力学不稳定性相关，经常能够因为刀具/砂轮与工件子系统振动而引发。它出现降低了被加工件已加工表面质量，尤其是使表面粗糙度增大，限制了机床生产效率，并可能引发紧固步骤松动而酿成事故。另外，它还使刀具/砂轮失效(磨损与破损)加紧。对它传感方法可分为直接法和间接法两大类。直接法能够直接测定机床振动，也能够从颤震时切削力改变中获取；间接法是经过颤震伴随效应传感检测来间接表征颤震，见后表。质量控制和运行监控系统第48页颤震检测方法

质量控制和运行监控系统第49页振动传感器能够装于工作台或刀架上。动态测量仪则较早已用于铣床和车床加工中。利用应变片传感振动信号时，常把应变片装入机床主轴部件内。80年代后期开发热电动势颤震检测传感法是利用刀具与同机床(如车床)其它零部件绝缘工件形成闭合电路，利用刀具与工件间热电偶原理实现传感检测。当切削颤震出现时，刀具与工件间接触区域和接触压力有较大改变，引发热电动势改变。经FFT分析后可取得热电动势功率谱密度。这种方法成本低，易于操作，但其切削参数和刀／工件材料间交互作用研究仍需要深入拓展。间接法常经过对振痕、裂纹或表面局部不规则性等信息传感检测来间接地探测切削颤震出现。所以，惯用光学方法来传感，如利用激光扫描系统探测磨削表面振痕和局部不规则现象，但其实用性较差。另外，还开发了一个利用噪声振动(传声器)传感颤震方法，并建立了噪声电平峰值间隔模型，可预测颤震出现。但它还需深入验证各种切削条件下可靠性。质量控制和运行监控系统第50页(3)切屑情况检测在高速、超高速加工和自动化制造中，切屑情况监测是极为主要事。它直接影响过程进行、安全性和已加工表面质量，主要有两种传感检测方法：

A.用辐射高温计传感刀具切屑状态，利用测定平均切削温度来识别切屑状态。但因为它比较贵，尚限于试验研究领域中采取。

B.利用声发射传感器、刀具动态测量仪或刀具/工件热电偶传感法谱分析技术探测切屑状态改变。这类方法成功关键是传感灵敏度与可靠性及对信号处理、特征提取与识别规律掌握。即使在试验研究中已能够识别带状屑、卷屑和积屑瘤出现，但还要再努力才可能成为工业应用技术。质量控制和运行监控系统第51页(4)刀具-工件碰撞传感检测对于先进制造技术来讲，为提升机床加工效率，经常要求提升进给率，尤其是在空刀时应尽可能加紧进给。所以，刀具与工件碰撞成为主要监视内容。对刀具-工件碰撞传感常分为两类，即碰撞后探测法和碰撞前探测法，见后表。碰撞后探测法是利用装在机床主轴上应变片组成扭矩传感器来传感碰撞后信号，方便在发生严重碰撞故障前发觉刀具／工件间轻微碰撞，因而这种探测法一定要灵敏且可靠。现有研究表明，声发射接触传感器是灵敏而可靠，且是实时性强传感检测法，已进入工业应用阶段而广泛地用于磨削加工中。质量控制和运行监控系统第52页碰撞前探测法是在刀具与工件趋近到物理接触前进行探测传感。其中最正确传感方法是气隙-磁力传感器。把激励线圈、接收线圈分别装于主轴箱体与刀具两方，当刀具-工件间距离改变而引发磁力线改变时，对应间隙值磁感应强度变强，从而按预先设定阈值发出改变进给率控制信号。这种磁传感器受工件材料影响。质量控制和运行监控系统第53页刀具-工件碰撞传感检测质量控制和运行监控系统第54页(5)切削过程识别传感当代制造技术要求识别切削过程，方便为切削过程本质、建模和模拟仿真研究提供可靠实时信息；对切削过程和刀具几何参数控制、刀具失效和工件状态等提供信息，方便使磨削与切削过程优化。当今，以声发射传感和动态测量仪及光视法为主，亦配合电流/功率、力/力矩和切削温度等传感法。即使众多研究证实，AE法是首选，但因为切削过程识别复杂性和多目标性，经常采取多传感器单一目标融合传感法和多传感器多目标传感法，它们已经成为传感技术和监控技术最热门领域，但这方面深入研究工作既多又广。它将在制造科学发展中、在虚拟制造(VM)和虚拟现实制造(VRM)开发及过程监视与控制研究开发中快速发展。质量控制和运行监控系统第55页3)机床运行过程检测机床工作精度对其加工精度和加工质量有主要影响。力效应、热效应和机床运动系统动态误差等对机床精度和动态特征有显著影响。所以，要求监视和控制机床运行及其过程，主要有以下三类传感监测监控。A.驱动系统检测传感

为了实现对机床驱动系统位移(线位移与角位移)监视，并提供偏离目标值反馈信号，经常采取各种传感器来完成信息采集任务。激光干涉仪、旋转变压器和线纹尺等位移传感器主要特征见后表。比如：螺纹磨床自动修正系统，其传感器为由双频激光干涉仪系统组成线位移传感器和由它与光学增益编码器组成角度数字传感器。该系统分辨率能够到达0.5μm或更高。质量控制和运行监控系统第56页为了获取精密零件，要求把驱动系统终端输出与对理论目标值偏离值作为反馈信号，方便对精度进行反馈控制。在这种加工精度反馈控制(又称精度赔偿或修正)中，位置分辨率是主要传感量。激光干涉系统常被用来作为位移（置）误差反馈传感器。工业实践证实，利用这类高分辨率传感系统能够使加工误差降低9/10。但因为干扰测量对环境条件苛刻要求，其工业应用范围较小。位移(置)传感器

质量控制和运行监控系统第57页B.主轴和回转系统检测传感主轴轴承和主轴部件回转误差对工件圆度有很大影响。一个先进主轴系统采取回转码盘精密地测定主轴回转误差，能够实现纳米级分辨力传感检测，其微机赔偿系统能够把主轴偏差控制在0.05μm以下。但该系统比较贵。80年代初开始三点接触圆度与圆柱度检测传感法已在我国大型尺寸零件圆度与圆柱度加工测量中应用。它是电感传感器和三点测量法在大型精密零件加工中经典应用。CNC圆度、圆柱度测量仪视频质量控制和运行监控系统第58页因为热变形将改变主轴预紧情况。在滚柱轴承支承系统中，这一问题尤为严重。为此，采取基于应变片或声发射传感器温度赔偿系统对之进行监视与控制。在主轴和回转部件监视中，还采取以下检测传感器：探测监视轴承变形感应传感器或涡流传感器、监视卡盘夹紧情况载荷单元传感器、在线齿轮监视系统角度传感器、监视主轴回转误差示波器监视传感器系统等。质量控制和运行监控系统第59页C.机床状态监视传感基于扭矩、电流/功率机床状态监视系统采取传感主轴或进给电动机电流、电压和功率霍尔传感器，传感冷却液供给时机切削扭矩传感器，传感运动件间靠近情况涡流传感器和传感接触情况声发射传感器或光学传感器，进行扭矩自适应控制扭矩传感器等。另外，也经常采取为进行机床热变形误差赔偿温度传感器。质量控制和运行监控系统第60页D.刀具状态检测刀具损坏形式主要有磨损和破损两类。前者是连续逐步磨损；后者包含脆性破损(如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等)和塑性破损两种。刀具磨损直接影响