机械基础自动技术 8

第六章检测与监控过程自动化随着现代制造技术、传感器技术、信号处理技术、自动控制技术、计算机技术、人工智能技术及系统工程技术的发展,先进的自动化检测技术和监控技术应势而生。检测是企业产品质量管理的技术基础,检测装置是企业产品质量数据获取的来源。在机械加工过程中应用检测技术,可以保障自动化加工设备的安全和产品的加工质量,提高生产率和机床设备的利用率。监控可以对设备、加工过程出现的故障进行识别和诊断,通过故障分析,及时采取预防措施,避免发生重大的安全事故。本章介绍机械加工过程中检测技术的基本概念、检测方法和技术、常用的检测装置、加工设备和加工过程的监控方法。第一节制造过程的检测与监控技术一、检测方法同时还需要掌握加工过程中各种有价值的信息。机械加工系统是一个物质和能量的转变系统,其整体目标是在不同的生产条件下,通过自身的定位装夹、运动、控制及能量供给等机构,按不同的工艺要求将毛坯或原材料加工成零件或产品,如图所示。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。检测与加工系统之间的关系：

定位子系统：建立刀具与被加工工件的相对位置。

运动子系统：为加工过程提供切削速度及进给量。

能量子系统：为加工过程改变工件形状提供能量保证。

控制子系统：对加工系统的信息输入和传递进行必要控制。

检测子系统：为控制加工过程，产品质量监控等提供必要的数据信息。第一节制造过程的检测与监控技术一、检测方法1.直接测量与间接测量直接测量指直接从测量仪表的读数获取被测量值的方法。间接测量指通过测量与测量对象有一定关系的量来获得被测对象的相关参数的方法。2.接触测量和非接触测量测量器具的测量头直接与被测对象的表面接触,测量头的移动量直接反映被测参数的变化的测量方法称为接触测量。测量头不直接与工件接触,借助物理量转换来获得被测参数变化的测量方法称为非接触测量。3.在线测量和离线测量

在制造过程中对被测对象进行连续或间断检测的方法称为在线测量。在被测对象完成加工或装配并脱离制造系统后再进行检测,以确定被测对象是否合格的测量方法,称为离线测量。4.全部检测和抽样统计检测对每个被测对象进行检验或测量的检测方法称为全部检测。在一批零件(成品)中进行抽样检测和测量,对测得的数据进行统计学分析,确定整批零件的质量或加工系统的工作状态,则称为抽样统计检测。第一节制造过程的检测与监控技术一、检测方法二、检测装置检测要素(机械加工系统）1）产品的检测要素：精度、粗糙度、形状、缺陷等；2）对加工设备的检测要素：切削负荷、刀具磨损及破损、温升、振动、变形等。第一节制造过程的检测与监控技术第一节制造过程的检测与监控技术二、检测装置三、监控系统第一节制造过程的检测与监控技术1.监控系统要求对设备、加工过程及刀具工况进行监控,是自动化加工监控系统的主要任务,因此加工监控系统必须满足如下要求。1)加工过程往往需要监控多个状态变量。2)由于自动化加工系统本身的加工特性,对振动情况进行监测。3)采用相应的识别控制程序对加工过程中出现的异常状态进行识别。4)交换部件、刀具的数量大,控制程序长,必须监测加工过程的初始条件。加工监控系统应具备如下功能和特点1)可实现多传感器融合、信号处理决策和传感器集成等智能传感器功能。2)适应工况频繁变化的高鲁棒性监视功能。3)以适应加工过程中的各种变化的自组织、自学习和自适应能力。4)能对加工过程中的不同状态实行并行监控的多功能、多目标监控功能。5)高柔性化且可扩展功能。6)集成化制造过程监控功能。三、监控系统第一节制造过程的检测与监控技术2.监控系统的组成加工监控系统的组成主要由信号检测、特征提取、状态识别、决策和控制四个部分组成,如图所示。1)信号检测信号检测就是利用传感器获取加工过程的状态信号。2)特征提取特征提取是对检测信号进行加工处理,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。3)状态识别状态识别是通过建立合理的识别模型,根据所获取的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,在控制策略的指导下对加工状态中出现的故障进行判断,并做出决策与控制。一、工件尺寸的检测方法

第二节工件尺寸的自动检测1.离线检测离线检测的结果分为合格、报废和可返修三种。经过误差统计分析可以得到零件尺寸的变化趋势,然后通过人工干预来调整加工过程。2.在线检测

通过对在线检测所获得的数据进行分析处理,利用反馈控制来调整加工过程,以保证加工精度。在线检测又分为工序间(循环内)检测和最终工序检测。在线检测的主要手段是利用坐标测量机对加工后机械零件的几何尺寸与几何精度进行综合检测。CNC圆度、圆柱度测量仪二、工件尺寸的自动测量装置第二节工件尺寸的自动检测1.触点式气动测量装置触点式气动测量装置可用于外圆磨床加工的零件外圆直径尺寸的自动测量,图示为外圆磨削中使用的压力型单触点式气动测量装置。2.三坐标测量机（CMM）由工作台、三维测量头、坐标位移测量装置和计算机数控装置等组成。三坐标测量机第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动测量装置3.三维测量头

将三维测头安放于机床刀库中，在需要检测工件时由机械手取出并和刀具一样进行交换装入机床的主轴孔中。测头的测量杆接触工件表面后，通过感应式或红外传送式传感器将信号发送到接受器，然后送给机床控制器，由控制软件对信号进行必要的计算和处理。加工中心三维测量头第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动测量装置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。工作原理第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动测量装置5.机器人辅助测量同三坐标测量机相比,机器人辅助测量造价低,使用灵活而且容易入线,特别适合自动化制造系统中的工序间和过程中的测量。CAV分析轮廓度检测数模与实物比对第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动测量装置6.基于机器视觉的工件尺寸测量

基于机器视觉的工件尺寸测量常遵循以下测量流程，根据工业现场环境安装合适的光源，由移动平台或固定位置的一个或多个工业相机拍摄工件的二维或三维图像，并将图像数据传输到计算机中分析图像特征，经过多种图像预处理方法后检测出工件边缘，将边缘像素间的距离转化成物理距离，完成工件尺寸检测。第二节工件尺寸的自动检测二、工件尺寸的自动测量装置三、加工过程的自动补偿加工过程的自动补偿(自动调整)是自动检测技术的进一步发展。全自动在线测量仪1.自动补偿的基本过程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,将检测的工件尺寸作为信号控制自动补偿系统,实现脉动补偿。第二节工件尺寸的自动检测（1）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。（2）软件补偿：通过补偿软件实现对设备几何误差和热变形误差的修正控制。第二节工件尺寸的自动检测2.自动补偿方式根据误差补偿运动实现的方式,自动补偿方式可分为硬件补偿和软件补偿。三、加工过程的自动补偿一、刀具状态的自动识别第三节刀具的自动识别和监测1.自动识别方法常用的识别刀具状态的方法有如下几种。1)功率检测

在刀具切削过程中,通过测量主轴电动机负载来识别刀具的磨损状态。因为发生磨损的刀具所消耗的功率比正常的刀具要大,如果功率消耗超过预定值,则说明刀具磨损严重,需要换刀。2)声发射检测

刀具在切削过程中会发出超声波脉冲,而磨损严重的刀具所发出的声波强度比正常值高3~7倍,因此如果检测出的声波强度迅速增强,则需要停止加工,进行换刀。3)学习模式

通过建立神经网络模型,利用事先获得的数据,对神经网络进行训练,当系统通过学习具有一定的判断能力后,便能对实际加工过程中的刀具状态进行判别。4)力检测

通常检测作用在主轴或滚珠丝杠上的力的大小,来获取切削力或进给力的变化,如果该力大于设定值,则判定为刀具磨损,需要换刀。2.刀具状态自动识别实例以钻头为例,通过检测电动机电流信号来识别刀具磨损状态。依据对刀具磨损量的分类,建立在不同刀具磨损类别下的数学模型,用来描述电流与切削参数和刀具磨损状态的关系。根据检测电流值对刀具磨损状态进行分类,从而识别刀具的磨损状态。（1）钻头磨损状态划分根据钻削过程的要求，把刀具磨损量分为A、B、C三类，各类的平均磨损量分别为：0.2mm、0.5mm、0.8mm。（2）电流信号模型第三节刀具的自动识别和监测一、刀具状态的自动识别二、刀具状态的监测

第三节刀具的自动识别和监测1.刀具寿命自动监控刀具寿命自动检测的主要方法是通过对刀具加工时间的累计直接监控刀具的寿命。当累计时间达到预定的刀具寿命时,监控设备发出换刀信息,计算机控制系统将立即中断加工作业或者在加工完当前工件后停机,起动换刀机构更换上备用刀具。利用控制系统实现检测装置的定时和计数功能,便可根据预定的刀具寿命或有效刀具寿命内可加工的工件数实现刀具寿命的管理与监控。此外,还有建立在以功率监控为基础的统计数据上的刀具寿命监测方法,采用这种方法时不需要预先确定刀具寿命,而是通过调用统计的净功率-时间曲线和可变时钟频率信号来适应不同的刀具和切削用量,实现对刀具寿命的监控。它们能随时显示刀具使用寿命的百分数,示值达到100%,则表示已到临界磨损,应更换刀具。2.刀具磨损、破损自动监控利用振动信号来监测刀具的磨损、破损利用监测已加工工件表面粗糙度来判断刀具的磨损状态声发射（AE）第三节刀具的自动识别和监测二、刀具状态的监测

第四节加工设备的自动监控一、自动监控的内容

加工设备的自动监控主要包括状态量的监测、加工设备运行异常的判别、设备故障识别诊断决策四个方面的内容。1.状态量的监测状态量的监测就是用适当的传感器实时监测用来衡量设备运行状态是否正常的状态参数。例如,用加速度计、温度计监测回转机械的振动幅值及温度变化情况,就可以判别该机械的轴承是否损坏,各紧固件是否发生松动等;或采用振动传感器监测机械设备的振动情况。2.加工设备运行异常的判别

运行异常的判别是对状态量的测量数据进行适当的信号处理,判断是否出现设备异常信号。对于状态量逐渐变化造成运行异常的情况,可以根据其平均值进行判别。但是,在某些情况下,如果状态量的平均值不变化,而状态参数值的变化却在逐渐增大,仅根据运行状态量的平均值不能判别否出现异常情况,则需要根据其方差值进行判别。而由滚动轴承损伤用振动信号的方差也难以发现,这时就要找出这些数据中含有哪些频率成分,然后采用相关分析、谱分析等信号处理方法来判别。第四节加工设备的自动监控一、自动监控的内容3.设备故障识别识别故障原因是故障诊断中最难、最耗时的工作,主要是通过监测设备的主要技术指标是否正常来完成,例如,监测主轴轴承的噪声是否异常,监测主轴回转的跳动大小、主轴电动机的电流和温度是否超出正常范围等,因此需要各种传感器收集大量正常运行的数据,建立设备的监控-预测模型。4.诊断决策

设备故障识别后由监控系统的决策子系统做出决策,如发出警告信息、显示故障原因,甚至自动停机,避免事故发生。如图所示为设备自动监控过程,包括设备信号检测、特征提取和状态识别过程,并运用故障特征数据库对设备的运行状态及时做出判断,以采取相应的诊断决策。二、智能诊断

智能诊断通常包括三个环节：（1）信号获取

获取机械装备辐射出的多物理监测信号，反映装备健康状态；（2）特征提取

通过分析获取的监测数据，提取特征揭示故障信息；（3）故障识别与预测

基于提取的特征，通过人工智能模型与方法识别并预测故障。第四节加工设备的自动监控

目前智能诊断在加工设备状态监测系统中的应用，主要采用云计算集中调度和管控的方式，云端集中处理加工设备的工况数据和计算请求，分析和显示监测设备的健康状态。下图所示为面向边缘计算的机械设备状态监测系统框架，整体框架基于边云协同思想构建，主要由设备层、边缘层及云层构成。第四节加工设备的自动监控二、智能诊断

一、无损检测技术

第五节产品质量检测相关技术

无损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,它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。

主要有应用于产品的质量管理、成品的质量控制和产品使用过程中的检测。1)产品的质量管理,即生产过程质量控制中的无损检测。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,以指导和改进生产,监督产品的质量。2)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。3)产品使用过程中的检测,即维护检验。它是在使用产品或设备的过程中,经常或定期地检查是否出现危险性缺陷而采用的无损探伤检测方法,有时也称为在役检查。这种检测可以做到“防患于未然”,对消除灾害性事故起着重要的作用。1.磁粉检测

磁粉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。特点--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。适用场合--适用于检测铁磁性材料及其合金，主要是铁、钴、镍及其合金。检测设备类型--固定式、移动式和手提式三种类型。检测原理--基于通电导体周围产生磁场时的电磁感应现象在检测中的应用。第五节产品质量检测相关技术一、无损检测技术

·磁粉检测的优点--显示直观，磁痕一般比裂纹尺寸大，易于观察；--探测灵敏度高，最小缺陷宽度可达0.1微米；--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；--设备简单，成本低，操作方便，效率高。·磁粉检测的缺点--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；--只能够检查工件的表面及近表面缺陷；--不能定量测出缺陷的深度；--必须用人眼来观察，易造成操作人员的疲劳。第五节产品质量检测相关技术一、无损检测技术

1.磁粉检测

2.超声波检测

·超声波的特性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。·检测特性

--对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型的缺陷具有很高的检测能力。

--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。第五节产品质量检测相关技术一、无损检测技术

检测方法（1）共振法：利用共振现象来检测物体缺陷的方法。（2）穿透法又叫透射法：是根据超声波穿透工件后的能量变化来判断工件内部有无缺陷。（3）脉冲反射法：是将有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测工件，当超声波在工件内部遇到缺陷时，就会产生反射，根据反射信号时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大小及深度。第五节产品质量检测相关技术一、无损检测技术

2.超声波检测

超声波检测的局限性

--超声波检测的记录性差，无法比较直观地判断缺陷的几何形状、尺寸和性质；

--超声波检测技术难度较大，其效果和可靠程度往往受到操作人员技术水平的影响。

--对于球状缺陷如气孔，假如气孔不是很大，或不太密集，就难以获得足够的回波。第五节产品质量检测相关技术一、无损检测技术

2.超声波检测

3.射线检测

·射线--就是指X射线、α射线、β射线、γ射线、电子射线和中子射线等，其中X射线、γ射线、中子射线易于穿透物体，但在穿透物体的过程中受到吸收和散射。·探伤检测原理--用强度均匀的射线