智能数控机床与编程 思考题及答案 第7章

第7章思考题1.简要说明加工过程的监测内容。参考答案：根据采用的传感器、控制方法和控制目标的不同，加工过程监控主要集中在以下方面：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。2.加工过程监测的意义是什么？参考答案：加工过程并非一直处于理想状态，而是伴随着材料的去除出现多种复杂的物理现象，如加工几何误差、热变形、弹性变形及系统振动等，导致产品质量不能满足要求。因此对加工过程参数实施监测并通过主被动控制的方法对影响产品质量的因素进行干预，是智能制造的广泛做法。加工过程监测可实现加工过程的仿真与优化，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。加工过程监测还可实现过程监控与误差补偿，通过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。3.传感器的功能有哪些？参考答案：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。4.传感器按照输出电信号形式分为几类？参考答案：传感器按照输出电信号形式分为三类。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。直接数字传感器输出经过编码的数字量，例如光电编码盘；频率式传感器输出的信号反映频率变化，可以直接用数字频率计来测量；脉冲式传感器，输出信息反映在脉冲的个数或参数的变化上。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。5.智能传感器的智能作用表现在哪些方面？参考答案：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：1）提高传感器的性能智能传感器集成微机信息处理技术，可以实现自动校正和补偿。可以对集成于一片的多个传感元件零位自动补偿；自动选择合适滤波参数，消除干扰与噪声；自动计算期望值、平均值和相关值；根据传感器模型可以作动态校正，以实现高精度、高速度、高灵敏度范围的检测。2）自检与自诊断自检是通过合适的测试信号或监测程序来确定传感器是否完成自身的任务。自诊断是在传感器损坏前，在正常测量的间隔，通过检测一些特征量，判断与分析其是否接近损坏。3）多功能化智能传感器为了对工况做出优化处理，需要同时检测多个量以便做出相关分析与处理。智能传感器多功能化的一个方面是形成多元传感系统，在一块智能传感器芯片上检测多个参数。多功能化的另一方面是使智能传感器可对多个测量值作静动态处理、运算，进而实现简单的调节与控制。6.加工过程中刀具振动监测的内容有哪些？参考答案：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。监测的内容包括：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。7.简述加工过程中刀具磨损监测的基本思路。参考答案：刀具磨损监测，主要是一个模式识别过程。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。其中，传感器模块主要完成信号的预处理（放大、滤波等）和信号采集；信号处理模块通过时域、频域或者时频域信号分析技术对传感器信号进行处理，分析出与刀具磨损密切相关的特征；特征提取和选择模块包括信号特征的计算，利用合适的数学方法选择能够反映刀具状态变化的敏感特征；模式识别模块主要通过建立信号特征和刀具磨损之间的数学模型，实现对刀具状态的分类或刀具磨损量的精确计算。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。8.加工过程的热特性检测有何意义？参考答案：机床热变形是影响加工精度的重要因素。大量实践表明，加工设备内部热源和外部环境引起的热变形是精密加工设备的最大误差源，占总制造误差的40%-70%。为了减小热变形对加工精度及其稳定性的影响，需要从加工设备的设计、制造和运行等方面进行综合分析与优化。对加工设备热特性进行精确检测和准确辨识是减少加工设备热误差的前提和基础，通过热特性的检测与辨识，采用适当的手段控制温升，降低热变形，可为加工设备提供良好的热环境，使其能按设计要求可靠地工作。9.加工过程的热特性检测中，如何布置测温点？参考答案：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。如果要求布置的测点个数小于分组数目，则将每组中热敏感度最大的点按热敏感度由大到小排序，按要求布置的测点个数取靠前的测点即可。10.在机测量有何意义？参考答案：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。与普通三坐标测量不同，在机测量能够实时测量相关数据，省去了二次测量时的重复定位和装夹等工序。此外，在机测量还能把