機(jī)械制造自動化技術(shù)（第4版）課件：檢測過程自動化

檢測過程自動化檢測的難度和要求大大提高，傳統(tǒng)的檢測方法無法滿足要求，先進(jìn)的檢測技術(shù)不斷出現(xiàn)。檢測->產(chǎn)品質(zhì)量管理：自動化加工設(shè)備的安全，產(chǎn)品的加工質(zhì)量，避免重大加工事故，提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率。第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)一、基本概念同時還需要掌握加工過程中各種有價值的信息?！C(jī)械加工系統(tǒng)--在不同的生產(chǎn)條件下，通過自身的定位裝夾、運動、控制以及能量供給等機(jī)構(gòu)，按不同的工藝要求實現(xiàn)將毛坯或原材料加工成零件或產(chǎn)品。機(jī)械加工系統(tǒng)是一個轉(zhuǎn)變系統(tǒng)?！ぶ圃爝^程的檢測技術(shù)--就是采用人工或自動的檢測手段，通過各種檢測工具或自動化檢測裝置，為控制加工過程、產(chǎn)品質(zhì)量等提供必要的參數(shù)和數(shù)據(jù)。這些參數(shù)和數(shù)據(jù)可以是幾何的、工藝的或物理的?！z測與組成加工系統(tǒng)之間的關(guān)系：--定位子系統(tǒng)：建立刀具與被加工工件的相對位置。--運動子系統(tǒng)：為加工過程提供切削速度及進(jìn)給量。--能量子系統(tǒng)：為加工過程改變工件形狀提供能量保證。--控制子系統(tǒng)：對加工系統(tǒng)的信息輸入和傳遞進(jìn)行必要控制。--檢測子系統(tǒng)：為控制加工過程，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等提供必要的數(shù)據(jù)信息。第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)·主動檢測與被動檢測被動檢測--對加工后的工件進(jìn)行檢測，僅能起到剔除廢品的作用?！z測方法1.直接測量與間接測量2.接觸測量和非接觸測量3.在線測量和離線測量主動檢測--對加工中的工件進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果通過控制系統(tǒng)對加工過程進(jìn)行控制，這種方式能防止廢品的產(chǎn)生。天體的溫度測量，山峰高度的測量，海底深度測量在線測量->工序間和最終工序檢測第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)4.全部檢測和抽樣統(tǒng)計檢測二、檢測裝置·檢測要素(機(jī)械加工系統(tǒng)）·檢測手段--產(chǎn)品的檢測要素：精度、粗糙度、形狀、缺陷等；--對加工設(shè)備的檢測要素：切削負(fù)荷、刀具磨損及破損、溫升、振動、變形等。--人工檢測：主要是人操作檢測工具，收集分析數(shù)據(jù)信息，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供依據(jù)；--自動檢測：借助于各種自動化檢測裝置和檢測技術(shù)，自動地靈敏地反映被測工件及設(shè)備的參數(shù)，為控制系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)信息。第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)·檢測工具第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)三、自動化檢測類型（3）及時獲取生產(chǎn)信息，便于控制和管理。自動化檢測的優(yōu)點：（1）檢測與加工平行操作，效率高；（2）減少人的主觀因素的影響；第一節(jié)制造過程的檢測技術(shù)1.產(chǎn)品精度檢測：在工件加工完成后，按驗收的技術(shù)條件進(jìn)行驗收和分組。2.工藝過程精度檢測：在生產(chǎn)工藝過程中，根據(jù)檢測結(jié)果比較最終工件的尺寸要求，并通過檢測裝置，自動地控制機(jī)床的加工過程。(加工前、過程中、后檢測)

一、工件尺寸的檢測方法

第二節(jié)工件尺寸的自動檢測1.離線檢測離線檢測的結(jié)果分為合格、報廢和可返修三種。經(jīng)過誤差統(tǒng)計分析可以得到零件尺寸的變化趨勢,然后通過人工干預(yù)來調(diào)整加工過程。2.在線檢測 通過對在線檢測所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,利用反饋控制來調(diào)整加工過程,以保證加工精度。在線檢測又分為工序間(循環(huán)內(nèi))檢測和最終工序檢測。在線檢測的主要手段是利用坐標(biāo)測量機(jī)對加工后機(jī)械零件的幾何尺寸與幾何精度進(jìn)行綜合檢測。工件的尺寸、形狀誤差類別--隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差兩種。系統(tǒng)誤差：刀具磨損、由切削力和工件自重引起的機(jī)床變形、加工系統(tǒng)的熱變形以及機(jī)床的導(dǎo)軌直線度誤差。隨機(jī)誤差:產(chǎn)生因素十分復(fù)雜。工件尺寸、形狀在線檢測手段CNC圓度、圓柱度測量儀第二節(jié)工件尺寸的自動檢測二、工件尺寸的自動檢測裝置目前,在線檢測、定尺寸檢測裝置多用在磨削加工設(shè)備。1.磨床的專用自動測量裝置實現(xiàn)加工過程自動檢測的過程是由自動檢測裝置完成的。機(jī)床、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與測量裝置構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。第二節(jié)工件尺寸的自動檢測實例外圓磨削中使用的壓力型單觸點式氣動測量裝置2.三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）·組成--工作臺、三維測量頭、坐標(biāo)位移測量裝置和計算機(jī)數(shù)控裝置等組成?！y量--在數(shù)控程序的控制下，測頭沿被測工件表面移動，移動過程中，測頭及光學(xué)的或感應(yīng)式的測量系統(tǒng)將工件的尺寸記錄下來，計算機(jī)根據(jù)記錄的測量結(jié)果，按給定的坐標(biāo)系統(tǒng)計算被測尺寸?！な褂?-加工前測量和加工后測量兩種。

加工前測量的主要目的是測量毛坯在托盤上的安裝位置是否正確，毛坯尺寸是否過大或過小。

加工后測量是測量加工完的零件的加工部位的尺寸和相互位置精度，再送至裝配工序或線上其它加工工序。三坐標(biāo)測量機(jī)第二節(jié)工件尺寸的自動檢測3.三維測量頭的應(yīng)用 將三維測頭安放于機(jī)床刀庫中，在需要檢測工件時由機(jī)械手取出并和刀具一樣進(jìn)行交換裝入機(jī)床的主軸孔中。測頭的測量桿接觸工件表面后，通過感應(yīng)式或紅外傳送式傳感器將信號發(fā)送到接受器，然后送給機(jī)床控制器，由控制軟件對信號進(jìn)行必要的計算和處理。加工中心三維測量頭第二節(jié)工件尺寸的自動檢測CMM的測量精度很高，但對測量環(huán)境要求高，工件需多次運送，對于精度要求不是很高的加工件,顯然是不經(jīng)濟(jì)的?？梢酝ㄟ^將三維測量頭安裝在機(jī)床主軸上的方式來解決。4.激光測徑儀 ·激光測徑儀是一種非接觸式測量裝置。常用在軋制鋼管、鋼棒等熱軋制件生產(chǎn)線上?！ぜす鉁y徑儀包括光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分?！すぷ髟淼诙?jié)工件尺寸的自動檢測·實例5.機(jī)器人輔助測量 ·直接測量·間接測量（輔助測量）CAV分析輪廓度檢測數(shù)模與實物比對絕對測量，較高的運動和定位精度，造價高。機(jī)器人的自身坐標(biāo)運動不參與測量過程，只是將測量工具送至測量位。便于使用通用機(jī)器人進(jìn)行測量。對傳感器和測量裝置要求較高。第二節(jié)工件尺寸的自動檢測三、加工過程的自動補(bǔ)償加工過程的自動補(bǔ)償(自動調(diào)整)是自動檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。全自動在線測量儀第二節(jié)工件尺寸的自動檢測加工尺寸的自動補(bǔ)償多采用尺寸控制原則,在不停機(jī)的狀態(tài)下,將檢測的工件尺寸作為信號控制自動補(bǔ)償系統(tǒng),實現(xiàn)脈動補(bǔ)償。所謂補(bǔ)償，是指在兩次換刀之間進(jìn)行的刀具多次微量調(diào)整，以補(bǔ)償?shù)度幸蚰p對工件加工尺寸帶來的影響。誤差補(bǔ)償運動實現(xiàn)的方式·硬件補(bǔ)償：是由測量系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)的誤差補(bǔ)償運動。·軟件補(bǔ)償：通過補(bǔ)償軟件實現(xiàn)對設(shè)備幾何誤差和熱變形誤差的修正控制。補(bǔ)償量愈小，獲得的補(bǔ)償精度就愈高，工件尺寸的分散范圍也愈小，對補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏度要求也愈高。第二節(jié)工件尺寸的自動檢測一、刀具的自動識別第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測1.自動識別方法分類刀具的自動識別指對刀具切削狀態(tài)的識別。主要是在加工過程中能在線識別出切削狀態(tài)（刀具磨損、破損、切屑纏繞以及切削顫振等）?！ぷR別刀具狀態(tài)的方法（1）功率檢測分析主軸電機(jī)負(fù)載功率（2）聲發(fā)射檢測分析切削過程中會發(fā)出超聲波脈沖（3）學(xué)習(xí)模式建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（4）力檢測分析進(jìn)給力和切削力的變化刀具狀態(tài)的識別、檢測與監(jiān)控是加工過程檢測與監(jiān)控中最為重要、最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測2.

刀具狀態(tài)自動識別實例以鉆頭為例,通過檢測電動機(jī)電流信號來識別刀具磨損狀態(tài)。依據(jù)對刀具磨損量的分類,建立在不同刀具磨損類別下的數(shù)學(xué)模型,用來描述電流與切削參數(shù)和刀具磨損狀態(tài)的關(guān)系。根據(jù)檢測電流值對刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行分類,從而識別刀具的磨損狀態(tài)。（1）鉆頭磨損狀態(tài)劃分根據(jù)鉆削過程的要求，把刀具磨損量分為A、B、C三類，各類的平均磨損量分別為：0.2mm、0.5mm、0.8mm。（2）電流信號模型二、刀具狀態(tài)的監(jiān)測

·刀具磨損監(jiān)測方法·刀具破損監(jiān)測方法·具有實用價值的監(jiān)測方法（1）直接測量法：直接檢測刀具的磨損量，并通過控制系統(tǒng)控制補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，保證各加工表面應(yīng)具有的尺寸精度。（2）間接測量法：根據(jù)切削加工過程中切削力、切削功率等參數(shù)的變化來判斷刀具的正常磨損與異常損壞。第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測三、刀具的自動監(jiān)控刀具的監(jiān)控主要集中在刀具壽命、刀具磨損、刀具破損以及其它形式的刀具故障等方面。1.刀具壽命自動監(jiān)控

--通過對刀具加工時間的累計，直接監(jiān)控刀具的壽命。

--通過調(diào)用統(tǒng)計的“凈功率—時間”曲線和可變時鐘頻率信號來適應(yīng)不同的刀具和切削用量，實現(xiàn)刀具壽命監(jiān)控。2.刀具磨損、破損自動監(jiān)控--利用振動信號來監(jiān)測刀具的磨損、破損，如絲錐或鉆頭的斷裂--利用監(jiān)測已加工工件表面粗糙度來判斷刀具的磨損狀態(tài)，通常采用激光檢測法。--聲發(fā)射（AE）第三節(jié)刀具的自動識別和監(jiān)測一、監(jiān)控系統(tǒng)的組成、要求和分類

第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)測1.監(jiān)控系統(tǒng)的組成自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)主要由信號檢測、特征提取、狀態(tài)識別、決策和控制等四個部分組成。（1）信號檢測：從不同角度反映加工狀態(tài)的變化。（2）特征提?。簭拇罅繖z測信號中提取出與加工狀態(tài)變化相關(guān)的特征參數(shù)。（3）狀態(tài)識別：過建立合理的識別模型，根據(jù)所獲取加工狀態(tài)的特征參數(shù)對加工過程的狀態(tài)進(jìn)行分類判斷。（4）決策與控制：根據(jù)狀態(tài)識別的結(jié)果，在決策模型指導(dǎo)下對加工狀態(tài)中出現(xiàn)的故障做出判決，并進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)整。上述四個方面的過程是一個循環(huán)2.要求 自動化加工監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)—對加工過程、機(jī)床以及刀具工況進(jìn)行監(jiān)控。必須滿足的要求：1）需要滿足對加工過程中多個狀態(tài)變量的監(jiān)控；2）必須監(jiān)測振動情況，在多軸加工的情況下，還必須選擇觀測方向；3）系統(tǒng)中必須采用相應(yīng)的識別控制程序?qū)庸み^程出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行識別；4）必須監(jiān)測加工過程的初始條件。第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)測二、加工設(shè)備的故障診斷 ·監(jiān)控的目標(biāo)—檢測并診斷故障?！ぴ\斷的定義—所謂診斷就是對設(shè)備的運行狀態(tài)做出判斷?！ぞ唧w內(nèi)容：

1.狀態(tài)量的監(jiān)測：就是用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗崟r監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)是否正常的狀態(tài)參數(shù)。

2.加工設(shè)備運行異常的判別：是將狀態(tài)量的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男畔⑻幚?，判斷是否出現(xiàn)設(shè)備異常的信號。

3.設(shè)備故障原因的識別：找出加工設(shè)備發(fā)生故障的地點及原因。

4.控制決策：就是對設(shè)備進(jìn)行檢修，排除故障，保證設(shè)備能夠正常工作。第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎(chǔ)，故障診斷是對監(jiān)測結(jié)果的進(jìn)一步分析和處理，而控制決策是在監(jiān)測和診斷基礎(chǔ)上做出的，三者之間必須緊密集成在一起。第四節(jié)加工設(shè)備的自動監(jiān)測·實例（1）振動監(jiān)測法（2）油料監(jiān)測法一、無損探傷檢測技術(shù) 第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)·什么是無損探傷檢測？就是在不破壞或損傷原材料和工件等受檢對象的前提下，測定和評價物質(zhì)內(nèi)部或外表的物理和力學(xué)性能·應(yīng)用形式1）生產(chǎn)過程質(zhì)量控制中的無損檢測，即應(yīng)用于產(chǎn)品的質(zhì)量管理。2）用于成品的質(zhì)量控制，即用于出廠前的成品檢驗和用戶驗收檢驗。3）在產(chǎn)品使用過程中的檢測，即維護(hù)檢驗。常見的幾種探傷檢測手段1.磁粉探傷檢測 磁粉探傷檢測是通過鐵磁性材料的磁性變化來探測鐵磁性材料工件表面和近表面是否有缺陷的一種無損檢測方法。特點--設(shè)備簡單、操作方便、檢驗速度快、觀察缺陷直觀和有較高的檢測靈敏度。適用場合--適用于檢測鐵磁性材料及其合金，主要是鐵、鈷、鎳及其合金。檢測設(shè)備類型--固定式、移動式和手提式三種類型。檢測原理--基于通電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場時的電磁感應(yīng)現(xiàn)象在檢測中的應(yīng)用。第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)·磁粉探傷的優(yōu)點--顯示直觀，磁痕一般比裂紋尺寸大，易于觀察；--探測靈敏度高，最小缺陷寬度可達(dá)0.1微米；--適應(yīng)性好，對于幾何形狀復(fù)雜的工件，可以采用不同的磁化方法，對工件進(jìn)行有效的全面檢查；--設(shè)備簡單，成本低，操作方便，效率高。·磁粉探傷的缺點--只限于鐵磁性材料的檢查，主要包括碳鋼、高強(qiáng)度合金鋼、電工鋼；--只能夠檢查工件的表面及近表面缺陷；--不能定量測出缺陷的深度；--必須用人眼來觀察，易造成操作人員的疲勞。第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)

2.超聲波探傷檢測 ·超聲波的特性①超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到界面會發(fā)生反射；②超聲波指向性好，頻率愈高，指向性愈好；③超聲波傳播能量大，對各種材料的穿透力強(qiáng)。·探傷檢測特性

--對裂紋、夾層、折疊、未焊透等類型的缺陷具有很高的檢測能力。

--可探測厚度較大的材料，且具有檢測速度快、費用低并能對缺陷進(jìn)行定位和定量，對人體無害及對危害較大的平面缺陷的探測靈敏度高。第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)·檢測方法（1）共振法：利用共振現(xiàn)象來檢測物體缺陷的方法。（2）穿透法又叫透射法：是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化來判斷工件內(nèi)部有無缺陷。（3）脈沖反射法：是將有一定持續(xù)時間和一定頻率間隔的超聲脈沖發(fā)射到被測工件，當(dāng)超聲波在工件內(nèi)部遇到缺陷時，就會產(chǎn)生反射，根據(jù)反射信號時差變化及在顯示器上的位置就可以判斷缺陷的大小及深度。第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)·超聲波檢測的局限性

--超聲波檢測的記錄性差，無法比較直觀地判斷缺陷的幾何形狀、尺寸和性質(zhì)；

--超聲波檢測技術(shù)難度較大，其效果和可靠程度往往受到操作人員技術(shù)水平的影響。

--對于球狀缺陷如氣孔，假如氣孔不是很大，或不太密集，就難以獲得足夠的回波。

3.射線探傷檢測

·射線--就是指X射線、α射線、β射線、γ射線、電子射線和中子射線等，其中X射線、γ射線、中子射線易于穿透物體，但在穿透物體的過程中受到吸收和散射。·探傷檢測原理--用強(qiáng)度均勻的射線照射被檢測的物體，把膠片顯影后就可得到與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對應(yīng)的黑度不同的圖像，即射線底片，通過對這種底片的觀察來檢驗缺陷的種類、大小、分布狀況等?！z測方法

--射線照相法：使透過物體的射線在照相

膠片上感光；第五節(jié)相關(guān)的檢測技術(shù)--電離探傷檢測法：

利用測定電離電流的方法來測定透過物體X射線強(qiáng)度--熒屏直接觀察法：透射在涂有熒光物質(zhì)的熒光屏傷，激發(fā)出不同強(qiáng)度的熒光