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1、第七章檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用學(xué)習(xí)目的:熟悉數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè)方法;掌握數(shù)控機(jī)床的幾何精度、定位精度、切削加工精度的檢測(cè);熟悉切削過程刀具磨損與破損的在線檢測(cè)及在線檢測(cè)與計(jì)算機(jī)質(zhì)量控制;并掌握工件尺寸精度的自動(dòng)檢測(cè)。學(xué)習(xí)重點(diǎn):掌握數(shù)控機(jī)床的幾何精度、定位精度、切削加工精度的檢測(cè)及切削過程刀具磨損與破損的在線檢測(cè)和工件尺寸精度的自動(dòng)檢測(cè)。第七章檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用學(xué)習(xí)目的:熟悉數(shù)控機(jī)床的精度第一節(jié)數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè) 數(shù)控機(jī)床加工精度的高低最終是要靠機(jī)床本身的精度來保證,數(shù)控機(jī)床精度包括幾何精度和切削精度。另一方面,數(shù)控機(jī)床各項(xiàng)性能指標(biāo)的好壞及數(shù)控功能能否正常發(fā)揮將直接影響到機(jī)床的正常使用
2、。 一、數(shù)控機(jī)床精度分類 數(shù)控機(jī)床的加工精度主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:工件精度:表現(xiàn)在前一工序留下的誤差,還有工件的結(jié)構(gòu)工藝性及剛性不足等條件下產(chǎn)生的誤差;夾具精度:主要是夾具的定位精度及夾具結(jié)構(gòu)的合理性與剛性等因素;刀具精度:刀具本身的尺寸精度、幾何形狀精度及其磨損等;量具精度:取決于量具等級(jí)。數(shù)控機(jī)床的加工精度包括:靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度。數(shù)控機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度主要包括三個(gè)方面:幾何精度、定位精度、隨動(dòng)(跟隨或伺服)精度。 幾何精度 指機(jī)床基準(zhǔn)部件的幾何形狀精度、尺寸精度及空間位置精度等所組成的精度,即在機(jī)床不切削情況下的靜態(tài)精度。常用千分表、平尺、檢驗(yàn)棒、精度天平儀、自準(zhǔn)直尺、激光干涉儀及電
3、子水平儀等檢查。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床的精度檢測(cè) 幾何精度包括以下三種:基準(zhǔn)面精度:指工作臺(tái)表面的平面度、導(dǎo)軌的直線度等。主軸回轉(zhuǎn)精度:主軸的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)等。直線運(yùn)動(dòng)精度:平行度、垂直度、同軸度、不相交度等(主要是空間精度方面)。定位精度 指機(jī)床運(yùn)動(dòng)件達(dá)到某種要求位置的精度。它是數(shù)控機(jī)床的重要指標(biāo)之一。在一般機(jī)床中僅臥式鏜床及坐標(biāo)鏜床才有此精度要求。為避免工件、刀具、夾具系統(tǒng)的影響,通常定位精度也是在不切削條件下進(jìn)行測(cè)量的。它也屬于靜態(tài)精度的一種。定位精度主要有直線定位精度、分度精度、重復(fù)定位精度、失動(dòng)(或叫空程)四項(xiàng)。隨動(dòng)(跟隨或伺服)精度 在連續(xù)輪廓控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床中,隨動(dòng)精度是指指令位置
4、與機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡之間的相近程度,跟隨精度取決于跟隨誤差(或速度誤差)與動(dòng)態(tài)誤差(或加速度誤差)的大小。 二、 幾何精度檢測(cè)(一) 數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)方法數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精度檢驗(yàn)時(shí),經(jīng)常要通過如空載檢驗(yàn)、負(fù)載檢驗(yàn)、主軸檢驗(yàn)及進(jìn)給檢驗(yàn)等多面的試驗(yàn),具體如下: 空載試驗(yàn) 數(shù)控系統(tǒng)裝置的試驗(yàn) (3) 主軸系統(tǒng)的試驗(yàn) 幾何精度包括以下三種:(4) 進(jìn)給系統(tǒng)的試驗(yàn) (5) 負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn) 數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)常用的方法 直接法、樣件法和間接法都是數(shù)控機(jī)床做精度檢驗(yàn)時(shí)常用的方法,如下: (1)直接法:以測(cè)量被加工工件的精度來評(píng)價(jià)機(jī)床的精度。這種方法是綜合性質(zhì)的,不大容易區(qū)分出誤差存在的實(shí)際環(huán)節(jié),因
5、此多用在數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)工廠的產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)。(2)樣件法(或稱為跟蹤法):本方法實(shí)質(zhì)上是先設(shè)計(jì)并精確制造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣件,安裝在被測(cè)的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上代替被加工的工件。在機(jī)床刀具所裝的主軸或刀夾上改裝一個(gè)位移測(cè)頭,用預(yù)先編好的樣件加工程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床,使測(cè)頭所走的軌跡,理論上應(yīng)與樣件加工表面輪廓相一致。試件跟蹤法是一種靜態(tài)精度的綜合檢驗(yàn),它易于實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)的自動(dòng)化。 (4) 進(jìn)給系統(tǒng)的試驗(yàn) (3) 間接法 測(cè)量機(jī)床本身的精度來評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床的精度是最常用的一種方法,但考慮到機(jī)床本身而沒有考慮到加工時(shí)的一些影響,故稱為間接法。間接法主要用于數(shù)控機(jī)床的幾何精度、定位精度檢驗(yàn)。隨動(dòng)精度和加工精度大多采用直接法進(jìn)行檢查
6、。(二)影響數(shù)控機(jī)床的幾何精度的因素 數(shù)控機(jī)床在切削加工過程中,由于受力、熱等外界因素的影響使機(jī)床零部件產(chǎn)生一定程度的變形,從而影響到機(jī)床的幾何精度。表7-1列出了數(shù)控機(jī)床切削加工過程中各種外界因素影響到幾何精度的內(nèi)容。表7-1 影響幾何精度表(3) 間接法 測(cè)量機(jī)床本身的精度來評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床的精度是最(三)數(shù)控車床的幾何精度檢驗(yàn)項(xiàng)目及方法。 根據(jù)數(shù)控車床加工的特點(diǎn)和使用范圍,要求其加工的零件外圓圓度和圓柱度、加工平面的平面度在要求的公差范圍內(nèi);對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度也要達(dá)到一定的精度等級(jí),以保證被加工零件的尺寸精度和形狀公差。詳見課本表7-2。(四)數(shù)控銑床的幾何精度檢驗(yàn)項(xiàng)目及方法 數(shù)控銑床
7、的三個(gè)基本直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成了空間直角坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸,因此三個(gè)坐標(biāo)應(yīng)相互垂直。銑床的幾何精度均圍繞著“垂直”和“平行” 展開,其精度要求詳見課本表7-3。 三、定位精度檢測(cè) 數(shù)控機(jī)床定位精度是指機(jī)床各坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度。精度的大小取決于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合誤差,它將直接反映加工工件所能達(dá)到的精度。 (一)數(shù)控機(jī)床定位誤差測(cè)量應(yīng)注意的問題 由于數(shù)控機(jī)床的定位誤差產(chǎn)生原因是多方面因素造成的,如有時(shí)是因滾珠絲杠和齒輪傳動(dòng)會(huì)造成周期性誤差。但有時(shí)卻是別的因素造成定位誤差,因此進(jìn)行定位精度測(cè)量時(shí),若選擇的測(cè)量點(diǎn)正好與誤差的周期一致,則周期誤差有可能測(cè)量不出來,這時(shí)所測(cè)得
8、的定位精度就不(三)數(shù)控車床的幾何精度檢驗(yàn)項(xiàng)目及方法。對(duì)了。故在全行程上選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí),最好不用等距的,而是變距的,甚至是隨機(jī)的,這是值得注意的。(二)影響數(shù)控機(jī)床定位精度檢驗(yàn)的主要因素 定位精度檢驗(yàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床十分重要。因?yàn)閺慕Y(jié)構(gòu)角度可以看出,數(shù)控機(jī)床的許多加工誤差,大多皆由定位精度所引起。而影響定位精度的主要環(huán)節(jié)是機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。其中包括機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制電路系統(tǒng)兩部分。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度的影響與設(shè)計(jì)中采用的隨動(dòng)裝置的類型有關(guān),如表7-4所示,開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)的影響因素各不相同。此外,如表7-5,影響數(shù)控機(jī)床隨動(dòng)精度的因素很多,情況比較復(fù)雜。但總體分析可以分成兩大部
9、分,即進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分及控制電路系統(tǒng)部分。數(shù)控機(jī)床的幾何精度、定位精度、隨動(dòng)精度以及加工精度均應(yīng)該在依據(jù)工作區(qū)而確定的檢驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)了。故在全行程上選擇測(cè)量點(diǎn)時(shí),最好不用等距的,而是變距的,表7-4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 表7-5 影響數(shù)控機(jī)床隨動(dòng)精度的兩大類因素明細(xì)表對(duì)定位精度的影響結(jié)構(gòu)表7-4 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (三)數(shù)控機(jī)床定位精度檢驗(yàn)項(xiàng)目 主要有:直線定位精度、分度定位精度、失動(dòng)、重復(fù)定位精度、零點(diǎn)定位精度和脈沖步距精度等。對(duì)數(shù)控機(jī)床的直線定位精度檢驗(yàn)方法和步驟:直線運(yùn)動(dòng)定位精度 直線運(yùn)動(dòng)定位精度是在空載條件下測(cè)量的。測(cè)量?jī)x器為激光干涉儀,對(duì)于一般用戶也可采用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺,配以光
10、學(xué)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行比較測(cè)量。兩種測(cè)量方法,如圖7-4所示。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:任意300mm測(cè)量長(zhǎng)度上的定位精度,普通級(jí)是0.02mm,精密級(jí)是0.0lmm。 (a) (b) 圖7-4機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè) (a) 激光測(cè)量 (b)標(biāo)準(zhǔn)尺比較測(cè)量(三)數(shù)控機(jī)床定位精度檢驗(yàn)項(xiàng)目直線運(yùn)動(dòng)重復(fù)定位精度 重復(fù)定位精度是反映軸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一個(gè)基本指標(biāo),決定加工工件質(zhì)量的穩(wěn)定性和誤差的一致性。重復(fù)定位精度普通級(jí)為0.016mm,精密級(jí)為0.010mm。具體步驟:1) 在行程全長(zhǎng)上選若干測(cè)量點(diǎn),一般行程在500mm以下的,每50mm為一測(cè)量點(diǎn)。行程在500mm以上者,每l00mm為一測(cè)量點(diǎn)。若行程很長(zhǎng),則測(cè)量點(diǎn)的間隔
11、可以取的更大一些。因此間隔范圍可在50200mm之間選取。 2) 以不同的進(jìn)給速度移動(dòng)工作臺(tái),測(cè)量各測(cè)量點(diǎn)的精度,而后綜合。各測(cè)量點(diǎn)的誤差范圍即可評(píng)價(jià)該機(jī)床的直線定位精度。 3) 測(cè)量時(shí)有兩種移動(dòng)方式:?jiǎn)蜗蛞苿?dòng)式 這種方式在測(cè)量中不包括“失動(dòng)” 項(xiàng)目。 雙向移動(dòng)式 這種方式在測(cè)量中包括了“失動(dòng)”產(chǎn)生的影響。4) 測(cè)量中重復(fù)次數(shù)愈多時(shí),則測(cè)量精度愈高(比較準(zhǔn)確)。但通常最多次數(shù)不超過7次 (按美國機(jī)床制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為7次)。因?yàn)榇螖?shù)過多,工作量太大。5) 一般數(shù)控機(jī)床的直線定位精度在0.0150.02mm范圍內(nèi)。 直線運(yùn)動(dòng)重復(fù)定位精度 重復(fù)定位精度是反映軸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一 2. 數(shù)控機(jī)床分度精
12、度測(cè)量分度精度就是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定位精度,其檢驗(yàn)方法與直線定位精度的檢驗(yàn)方法相同。一般數(shù)控機(jī)床的分度精度為20“,對(duì)于特殊固定角度的轉(zhuǎn)臺(tái)為5”。測(cè)量點(diǎn)的選擇可以選530,也可以選取特殊角15,30,45,60,75,90360,視機(jī)床實(shí)際工作情況的要求而定。數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度的測(cè)量重復(fù)定位精度是指對(duì)某一測(cè)量點(diǎn)的多次重復(fù)測(cè)量的結(jié)果,如圖7-6所示。 圖7-6重復(fù)定位精度測(cè)量方法圖 2. 數(shù)控機(jī)床分度精度測(cè)量圖7-6重復(fù)定位精度測(cè)量方法圖 數(shù)控機(jī)床失動(dòng)誤差的測(cè)量 失動(dòng)誤差是在工作臺(tái)進(jìn)行反向移動(dòng)時(shí)測(cè)量的,如圖7-7所示,先將工作臺(tái)向右移動(dòng),用單個(gè)脈沖(點(diǎn)動(dòng))控制,可用千分表指出其移動(dòng)量,之后將運(yùn)動(dòng)反向
13、,如果系統(tǒng)有失動(dòng)誤差,則此時(shí)雖然已發(fā)出單個(gè)脈沖指令,而工作臺(tái)并不產(chǎn)生反向移動(dòng)的反應(yīng),只是到某一個(gè)脈沖時(shí),工作臺(tái)才有開始移動(dòng)的反應(yīng)。圖7-7 失動(dòng)測(cè)量方法圖 失動(dòng)量的測(cè)定實(shí)際上在測(cè)量定位精度時(shí),若采用往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)(或回轉(zhuǎn)工作臺(tái))來測(cè)量時(shí),由于這種情況下有反向運(yùn)動(dòng),故給定值與實(shí)際值之間的差值就包含了失動(dòng)量誤差。 數(shù)控機(jī)床失動(dòng)誤差的測(cè)量 圖7-7 失動(dòng)測(cè)量方法圖 失動(dòng)量的測(cè)定實(shí)際上在測(cè)量定位精度時(shí),若采用往復(fù)移動(dòng)工作臺(tái)(或回轉(zhuǎn)工作臺(tái))來測(cè)量時(shí),由于這種情況下有反向運(yùn)動(dòng),故給定值與實(shí)際值之間的差值就包含了失動(dòng)量誤差。 數(shù)控機(jī)床的零點(diǎn)復(fù)原精度的測(cè)量方法 由于數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)(通常也稱為原點(diǎn))即為零點(diǎn)
14、。每次加工完畢后,機(jī)床各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)都?xì)w回零點(diǎn)。因此下一次加工時(shí),也總是由零點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)的。這樣,對(duì)編程來說就有了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。而當(dāng)批量生產(chǎn)時(shí),零點(diǎn)的復(fù)原精度將會(huì)影響刀具與工件的相對(duì)位置。零點(diǎn)復(fù)原精度測(cè)定是由57個(gè)不同位置,以快速進(jìn)給進(jìn)行試驗(yàn),檢測(cè)和記錄下其定位精度,并對(duì)記錄下的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 數(shù)控機(jī)床的脈沖步距精度的測(cè)量 數(shù)控機(jī)床在早期產(chǎn)品中,以及在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床中都存在著步進(jìn)系統(tǒng)。對(duì)這種伺服系統(tǒng)中的步距精度測(cè)量就是測(cè)量脈沖步距誤差的大小。所以脈沖步距精度是測(cè)量進(jìn)給系統(tǒng)作少量移動(dòng)的精度。為了能測(cè)定全行程的脈沖步距精度,故應(yīng)在行程兩端及中央等處進(jìn)行測(cè)量。 失動(dòng)量的測(cè)定實(shí)際上在測(cè)量定位精度時(shí),若采用往復(fù)
15、移動(dòng)工作臺(tái)( 四、切削加工精度檢測(cè) 數(shù)控機(jī)床切削加工精度檢驗(yàn),又稱動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn),是在切削加工條件下,對(duì)機(jī)床幾何精度和定位精度的一項(xiàng)綜合考核。切削精度檢驗(yàn)可分單項(xiàng)加工精度檢驗(yàn)和加工一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的綜合性試件精度檢驗(yàn)兩種。 (一)切削加工精度的檢驗(yàn)方法 加工精度檢驗(yàn)項(xiàng)目是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品出廠時(shí),必須進(jìn)行的項(xiàng)目之一。檢驗(yàn)方法通常是通過切削特殊試件來進(jìn)行的。加工精度可以反映機(jī)床的定位精度、隨機(jī)精度和幾何精度等的綜合精度。 在設(shè)計(jì)試件時(shí),應(yīng)能分別反映出誤差則更佳,這樣便于分析誤差因素。 四、切削加工精度檢測(cè)第二節(jié) 在線檢測(cè)與計(jì)算機(jī)質(zhì)量控制 近年來,由于柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的不斷開
16、發(fā)和應(yīng)用,計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制也有了相應(yīng)的發(fā)展,其主要組成部分為計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)(CAI)和計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)(CAT)。這是計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合的產(chǎn)物,使在線檢測(cè)和控制的應(yīng)用日益普及。 在線質(zhì)量控制系統(tǒng),可以采用具有實(shí)時(shí)能力的小型或微型計(jì)算機(jī)作為控制用計(jì)算機(jī),如圖7-14所示。系統(tǒng)將產(chǎn)品或加工過程的特征值或尺寸參數(shù)送到計(jì)算機(jī)與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,如需要就發(fā)出-個(gè)新的調(diào)整信息給加工過程,以滿足質(zhì)量控制要求。圖7-14 計(jì)算機(jī)在線質(zhì)量控制系統(tǒng)第二節(jié) 在線檢測(cè)與計(jì)算機(jī)質(zhì)量控制圖7-14 計(jì)算機(jī)在線質(zhì) 為了進(jìn)行質(zhì)量控制預(yù)測(cè),必須選擇適當(dāng)和可靠的判據(jù)作為評(píng)定系統(tǒng)是否正常的依據(jù)。在大批量生產(chǎn)中,可采用工件的幾何尺
17、寸為判據(jù),而在CNC或FMS中,由于工件多變,批量不大,一般以刀具耐用度為判據(jù)。一、以工件的幾何尺寸為依據(jù) 通常在自動(dòng)化機(jī)床上用三維測(cè)頭,在FMS柔性加工系統(tǒng)中配置坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或?qū)iT的檢測(cè)工作站進(jìn)行在線尺寸自動(dòng)測(cè)量等。均以尺寸為判據(jù),同時(shí)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以完成質(zhì)量控制預(yù)測(cè)工作。如圖7-17所示,在CNC車床上用三維測(cè)頭對(duì)工件孔尺寸進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量示意圖。測(cè)頭在計(jì)算機(jī)控制下,由參考位置進(jìn)入測(cè)量點(diǎn)。計(jì)算機(jī)記錄測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行處理,測(cè)頭自動(dòng)復(fù)位。圖中的箭頭為測(cè)頭中心移動(dòng)方向。圖7-15 在CNC車床上用測(cè)頭自動(dòng)測(cè)量工件尺寸 為了進(jìn)行質(zhì)量控制預(yù)測(cè),必須選擇適當(dāng)和可靠的判據(jù)作為評(píng)定系統(tǒng)二、以刀具磨損為判據(jù)
18、在CNC或FMS中,加工零件的批量較小,故采用直接測(cè)量工件尺寸為質(zhì)量預(yù)測(cè)判據(jù)來調(diào)整機(jī)床較困難。較好的辦法是以刀具磨損為預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的評(píng)定依據(jù)。如圖7-16所示,鏜刀磨損直接測(cè)量示意圖。刀具首先被停在測(cè)量位置,然后將測(cè)量裝置移近刀具,并將與刀具接觸,磨損傳感器從刀柄的參考表面上測(cè)取讀數(shù),刀刃與參考表面間兩次相鄰的讀數(shù)變化即表示刀具磨損值。測(cè)量過程和測(cè)量值的計(jì)算過程均由計(jì)算機(jī)控制完成。圖7-16 鏜刀磨損測(cè)量l-參考表面;2-磨損傳感器; 3-測(cè)量裝置; 4-刀具觸頭二、以刀具磨損為判據(jù)圖7-16 鏜刀磨損測(cè)量第三節(jié) 切削過程刀具磨損與破損的在線檢測(cè) 在目前自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境中,生產(chǎn)過程主要是靠計(jì)算機(jī)
19、來控制的,所以 產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和過程穩(wěn)定性監(jiān)控都是十分突出的問題。具體監(jiān)控包括加工過程狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和環(huán)境參數(shù)及安全監(jiān)控等三大部分的監(jiān)控。在眾多的監(jiān)測(cè)對(duì)象中,一般把自動(dòng)換刀裝置、刀具的磨損及破損、工件加工尺寸精度的超差等作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。 一、刀具磨損與破損在線自動(dòng)檢測(cè)的方法 因數(shù)控機(jī)床的切削加工具有功率大、切削用量大、速切削高、刀具材料新,工件多為難加工材料等特點(diǎn),使得加工過程中的危險(xiǎn)性比普通機(jī)床大得多。而其中因刀具失效而造成的故障停機(jī)率約占總故障率22.4%,所以刀具狀態(tài)(如磨損、破損、刀具與工件的接觸狀態(tài))的實(shí)時(shí)監(jiān)控便成了重大技術(shù)關(guān)鍵。(一)切削過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象及刀具監(jiān)控原理 在切
20、削過程中,工件在切削力的作用下,產(chǎn)生剪切斷面,在刀具的前面和后面產(chǎn)生摩擦磨損,于是就產(chǎn)生切削阻力,產(chǎn)生振動(dòng)噪聲,在剪切斷面與刀具前面產(chǎn)生聲發(fā)射(AE)波。 第三節(jié) 切削過程刀具磨損與破損的在線檢測(cè) 刀具磨損量,可以通過適當(dāng)傳感方式進(jìn)行測(cè)量,例如測(cè)量刀具與切屑接觸長(zhǎng)度的變化及刀具和被切削材料接觸長(zhǎng)度的變化而直接測(cè)量出來。 刀具的破裂可以通過傳感器來測(cè)量,因?yàn)榈毒咴谄屏褧r(shí)會(huì)產(chǎn)生一種彈性波,這種彈性波是固體在產(chǎn)生塑性變形和破裂時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)換成聲波的形式傳播出來的。這種聲物理現(xiàn)象稱作聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象,如果在刀具主軸內(nèi)部裝AE傳感器,就可將刀具破損時(shí)產(chǎn)生的特有聲波電壓信號(hào)拾取下來,作為刀具破裂的檢
21、測(cè)信號(hào)。 此外,如反映刀具狀態(tài)的切削力(扭矩),主電機(jī)功率、電流,切削振動(dòng)噪聲等參數(shù)都可以通過安裝在機(jī)床上的相應(yīng)傳感器,將這種傳感信號(hào)采集下來,作為刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。(二)刀具磨損、破損在線自動(dòng)檢測(cè)的方法 因?yàn)榈毒叩哪p監(jiān)測(cè)是無人化加工、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及其它金屬切削自動(dòng)化中的關(guān)鍵技術(shù)難題之一,國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了許多監(jiān)控刀具磨損和破損的方法,有探針法、光學(xué)法、放射性處理法、氣動(dòng)測(cè)量法、電阻法、圖像法、電機(jī)功率電流法、切削力(扭矩)法、聲發(fā)射法、振聲法、切削溫度法、表面粗糙度法及工件尺寸法等等。 刀具磨損量,可以通過適當(dāng)傳感方式進(jìn)行測(cè)量,例如測(cè)量刀具與切 1.電動(dòng)機(jī)功率與電流
22、法 這種方法通過檢測(cè)機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率或電流的變化來 監(jiān)測(cè)刀具的工作狀態(tài),其主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器的安裝簡(jiǎn)單易行,尤其電流法,電流易獲取,可靠性高等。 2.聲發(fā)射法 這種方法是利用AE傳感器檢測(cè)刀具破損時(shí)釋放出的彈性波來監(jiān)測(cè)刀具的工作狀態(tài),其最大的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng),受切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)的影響較小,對(duì)刀具破損非常敏感。其應(yīng)用難點(diǎn)在于信息處理方法和傳感器的安裝。 3.切削力法 切削力信號(hào)是切削過程最直接的反映,對(duì)刀具的磨損、破損非常敏感,其應(yīng)用的最大障礙是傳感器的安裝問題。 4.光學(xué)法 這種方法包括光導(dǎo)纖維法等,是借助于刀具磨損后刀面反光條件的變化來識(shí)別刀具的磨損程度;也可以用光電開關(guān)來檢測(cè)刀具尺寸判
23、斷刀具是否發(fā)生折斷或破損。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高,且可以檢測(cè)磨損量,缺點(diǎn)是難以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)刀頭的清潔狀態(tài)要求較高,傳感器安裝困難。 5.圖像法 采用工業(yè)電視機(jī)監(jiān)視,用電視攝像機(jī)攝取刀刃部分的圖像,并存儲(chǔ),然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理,可以在屏幕上直接顯示出刀具磨損后的形狀和尺寸。(三)刀具壽命管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 刀具壽命時(shí)間即刀具耐用度,通過累計(jì)刀具加工時(shí)間,可間接了解刀具的狀態(tài)。刀具壽命管理是刀具磨損監(jiān)控中最基本、最普遍的一種方法,其監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要有以下幾種: 1.電動(dòng)機(jī)功率與電流法 這種方法通過檢測(cè)機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率累計(jì)刀具切削時(shí)間;在刀具設(shè)定壽命期間內(nèi),累計(jì)加工工件數(shù);加工后測(cè)量工件尺寸;每次加工后用專
24、用傳感器測(cè)量工件尺寸。 當(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的刀具壽命時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào),同時(shí),機(jī)床做出如下反應(yīng):中斷加工作業(yè);或完成正在加工的工件后停機(jī);或自動(dòng)更換刀具;或報(bào)警。 通過這種壽命監(jiān)控,可以避免因刀具過度損傷而帶來的不良后果。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要儀器有兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。(四)切削過程刀具磨損與破損的監(jiān)測(cè)信號(hào)選擇與實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng) 振動(dòng)信號(hào)是一種信息載體,其突出優(yōu)點(diǎn)是頻響范圍寬,對(duì)切削過程中的異?,F(xiàn)象反映敏感,受環(huán)境條件限制較少,檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單,安裝靈活,調(diào)整方便,在生產(chǎn)條件下容易實(shí)現(xiàn)。選擇刀桿垂直方向振動(dòng)加速度作為原始特征信號(hào),用加速度傳感器拾取。檢測(cè)和分析系統(tǒng),如圖7-17所示。累
25、計(jì)刀具切削時(shí)間;在刀具設(shè)定壽命期間內(nèi),累計(jì)加工工件數(shù);圖7-17刀具磨損測(cè)試示意圖 (五)刀具磨損破損的聲發(fā)射監(jiān)控法 1. 聲發(fā)射(AE)信號(hào)的產(chǎn)生 在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的信號(hào)源有:工件的斷裂,工件與刀具的磨擦,切屑的變形,刀具的破損及工件的塑性變形等,因此,在切削過程中產(chǎn)生非常豐富的聲發(fā)射信號(hào),它的頻率范圍在幾十千赫至幾兆赫。AE信號(hào)可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。 2. AE信號(hào)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn) (l)AE信號(hào)是反映構(gòu)件缺陷的動(dòng)態(tài)信息,而超聲波、紅外探傷等得到的只是靜態(tài)信息; (2)AE信號(hào)不受物體位置的限制,所以,對(duì)傳感器安裝位置限制較少; 圖7-17刀具磨損測(cè)試示意圖 (3)AE信號(hào)只接
26、收由材料本身研發(fā)射的超聲波; (4)靈敏度高,故障在萌芽時(shí)期就有AE信號(hào)發(fā)射出來; (5)不受材料的限制。 3. AE信號(hào)的基本特征和分析方法(1)AE信號(hào)的基本特征表現(xiàn)在: 1)AE信號(hào)上升時(shí)間很短,約10-410-8s,信號(hào)的重復(fù)性很高。 2)AE信號(hào)有很寬的頻率范圍,從次聲到超聲(30MHz)。 3)AE信號(hào)一般是不可逆的,即具有不復(fù)現(xiàn)性。同一試件在同一條件下產(chǎn)生AE信號(hào)只有一次。 4)AE信號(hào)的產(chǎn)生不僅與宏觀因素有關(guān),而且與微觀因素有關(guān),所以,具有隨機(jī)性。 5)AE信號(hào)的機(jī)理各式各樣,且頻率范圍又寬,所以,AE信號(hào)具有一定的模糊性。 6)抗干擾能力強(qiáng),AE信號(hào)受切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)的
27、影響較小。(2)AE信號(hào)一般是用壓電式傳感器拾取,經(jīng)放大、濾波后,由計(jì)算機(jī)或波形分析儀進(jìn)行分析,常用的分析方法有: 計(jì)算法:包括振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù),脈寬計(jì)數(shù)等。 幅值分析。 (3)AE信號(hào)只接收由材料本身研發(fā)射的超聲波;頻譜分析:分析各頻率分量的組成。能量分析:對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的均方根值、總能量等進(jìn)行分析。 4.AE二信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)刀具磨破損的AE信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),如圖7-18所示。圖7-18 AE信號(hào)刀具破損檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖 5. 刀具破損監(jiān)控過程及結(jié)果 在刀具監(jiān)控儀工作時(shí),首先檢測(cè)儀器本身是否工作正常,若各模塊工作正常,進(jìn)入與數(shù)控機(jī)床通訊階段,若工作不正常,則調(diào)用自診斷程序檢測(cè)儀器錯(cuò)誤位置并顯示錯(cuò)誤
28、信息代碼。與數(shù)控機(jī)床通訊后,將刀具參數(shù)存入刀具數(shù)據(jù)庫(非數(shù)控機(jī)床應(yīng)由人來輸入機(jī)床上的刀具信息),將加工用量及其它相應(yīng)信息存入加工過程隨機(jī)數(shù)據(jù)庫,監(jiān)控儀根據(jù)該信息選擇放大倍數(shù)及閾值。頻譜分析:分析各頻率分量的組成。圖7-18 AE信號(hào)刀具 在監(jiān)控工作階段,系統(tǒng)根據(jù)上述選擇的放大倍數(shù)和閾值,控制并調(diào)節(jié)AE信號(hào)的大小,將閾值與計(jì)算機(jī)采樣值進(jìn)行比較并判斷刀具狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具異常時(shí),將記錄下來的AE信號(hào)波形及刀具數(shù)據(jù)等顯示在顯示器上,并輸出報(bào)警信號(hào)及控制信號(hào)。 6.刀具磨損、破損檢測(cè)技術(shù)在切削過程中的應(yīng)用 AE信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已逐步走向?qū)嵱没8鞲叩仍盒<把芯克懤m(xù)推出研制成功且用于生產(chǎn)
29、實(shí)踐的AE信號(hào)監(jiān)測(cè)儀器,有車削監(jiān)測(cè)儀、AE數(shù)控磨削監(jiān)測(cè)儀、AE刀具綜合監(jiān)測(cè)儀等。二、刀具磨損與破損檢測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用在實(shí)際加工設(shè)備上刀具的破損檢測(cè)方法往往不止采用一種技術(shù),而是綜合采用幾種技術(shù),以實(shí)現(xiàn)高的刀具破損檢出率。 在監(jiān)控工作階段,系統(tǒng)根據(jù)上述選擇的放大倍數(shù)和閾值,控制并調(diào)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的幾何精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求(1)了解數(shù)控機(jī)床幾何精度、工作精度的檢測(cè)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)要求。(2)了解數(shù)控機(jī)床幾何精度、工作精度的檢測(cè)方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 (l)CJK6032-1型數(shù)控車床一臺(tái)。 (2)ZJK7532A-Z型數(shù)控鉆銑床一臺(tái)。 (3)平尺(400mm,1000mm,0級(jí))各一只。 (4)方尺(400mm400mm40mm,0級(jí))一只。 (5)直檢棒(80mm 500mm)一只。 (6)莫氏錐度檢棒(No.5300mm,No.3300mm)兩只。 (7)頂尖兩個(gè)(莫氏5號(hào),莫氏3號(hào))。 (8)百分表兩只。 (9)磁力表座兩只。 (10)水平儀(200mm,0.02/1000)一只。 (11)等高塊三只。 (12)可調(diào)量塊兩只。 (13)指示器第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的幾何精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)三、相關(guān)知識(shí)概述位置公差的檢
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