機(jī)電一體化技術(shù)-65-檢測與監(jiān)控系統(tǒng)課件

16.5檢測與監(jiān)控系統(tǒng)6.5.1檢測與監(jiān)控原理 在自動化制造系統(tǒng)的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要對系統(tǒng)運行狀態(tài)和加工過程進(jìn)行檢測與監(jiān)控（如圖6-23所示）。16.5檢測與監(jiān)控系統(tǒng)6.5.1檢測與監(jiān)控原理2圖6-23檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成2圖6-23檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成3 1.運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控 自動化制造系統(tǒng)中，需要檢測與監(jiān)控的運行狀態(tài)通常包括： （1）刀具信息。 （2）機(jī)床狀態(tài)信息。 （3）系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。 （4）在線尺寸測量信息。 （5）系統(tǒng)安全情況信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下內(nèi)容：零件的數(shù)控程序是否準(zhǔn)確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結(jié)果情況等。

3 1.運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控4 2.工件尺寸精度檢測方法 （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。

3.刀具磨損和破損的檢測方法 （1）刀具、工件尺寸及相對距離測定法。 （2）放射線法。 （3）電阻法。 （4）光學(xué)圖像法。4 2.工件尺寸精度檢測方法5（5）切削力法。（6）切削溫度法。（7）切削功率法。（8）振動法。（9）噪聲分析法。（11）加工表面粗糙度法。

6.5.2檢測與監(jiān)控應(yīng)用舉例 例6-1加工中心（MC）需檢測的運行狀態(tài)信息。

MC需檢測的運行狀態(tài)信息如下： （1）環(huán)境參數(shù)及安全檢測。5（5）切削力法。6

（2）刀庫狀態(tài)檢測。 （3）機(jī)床負(fù)載檢測。 （4）換刀機(jī)構(gòu)檢測。 （5）交換工作臺檢測。 （6）工作臺振動檢測。 （7）冷卻與潤滑系統(tǒng)檢測。 （8）CNC/PC系統(tǒng)檢測。6 （2）刀庫狀態(tài)檢測。7

例6-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切 削力的變化能直接反映刀具的磨損情況， 圖6-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的變化過程，曲線Ⅰ表示的是鋒利的刀具，曲線Ⅱ表示的是磨鈍了的刀具。切削力的差異ΔF是反映刀具實際磨損的標(biāo)志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能預(yù)示刀具的折斷。7 例6-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切8圖6-24切削力圖8圖6-24切削力圖9

圖6-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統(tǒng)原理圖。當(dāng)?shù)毒咴谇邢鬟^程中磨損時，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。在系統(tǒng)中，工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個切削分力FX、FY和FZ的相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后輸入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再輸入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。9 圖6-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系10圖6-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖10圖6-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖11

例6-3聲發(fā)射法檢測刀具。 固體在產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈形波形釋放出變形能的現(xiàn)象稱為聲放射。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的來源有：工件的斷裂，工件與刀具的摩擦，刀具的破損及工件的塑性變形等。聲放射在切削過程中產(chǎn)生頻率范圍很寬的聲發(fā)射信號，從幾十千赫茲至幾兆赫茲不等。聲發(fā)射信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號在表面開裂時產(chǎn)生，其信號幅度較大，各聲發(fā)射事件之間間隔時間較長；連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件的頻率較高，以致難以分為單獨事件。11 例6-3聲發(fā)射法檢測刀具。12

正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時，聲發(fā)射信號幅值遠(yuǎn)大于正常切削，它與刀具破損面積有關(guān)，增長幅度為3～7倍。因此，聲發(fā)射信號產(chǎn)生階躍突變是識別刀具破損的重要特征。圖6-26所示為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖。

6.5.3檢測設(shè)備

1.坐標(biāo)測量機(jī)（CMM） 坐標(biāo)測量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐標(biāo)測量機(jī)，是一種檢測工件尺寸誤差、形位誤差以及復(fù)雜輪廓形狀的自動化制造系統(tǒng)的基本測量設(shè)備。12 正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時13圖6-26聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖13圖6-26聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖14

（1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的特點。CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其結(jié)構(gòu)布局有立式和臥式兩類，立式CMM有時是龍門式結(jié)構(gòu)，臥式CMM有時是懸臂式結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)形式的CMM都有不同的尺寸規(guī)格，從小型臺式到大型落地式。圖6-27是一懸臂式CMM，由安放工件的工作臺、立柱、三維測量頭、位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制裝置等組成。 （2）坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理。14 （1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的特點。CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其15圖6-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)15圖6-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)16 2.利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度很高，但它對地基和工作環(huán)境的要求也很高，它的安裝必須遠(yuǎn)離機(jī)床。如果零件的檢測需要在幾個不同的階段進(jìn)行，零件就需要反復(fù)搬運幾次，這對于質(zhì)量控制要求不是特別精確的零件顯然是不經(jīng)濟(jì)的。由于數(shù)控機(jī)床和CMM在工作原理上沒有本質(zhì)區(qū)別，且三坐標(biāo)測量機(jī)上用的三維測量頭的柄部結(jié)構(gòu)與刀桿一樣，因此可將其直接安裝在機(jī)床（如加工中心）上。需要檢測工件時，將測量頭安裝在機(jī)床主軸或刀架上，測量工作原理與CMM相同；測量完成再由換刀機(jī)械手將測量頭放入刀庫。為了保證測試精度和保護(hù)測試頭，工件在數(shù)控機(jī)床上加工結(jié)束后，必須經(jīng)高壓冷卻液沖洗，并用壓縮空氣吹干后方可進(jìn)行檢驗測量。

16 2.利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量17

另外，數(shù)控機(jī)床用于測試時，必須為數(shù)控機(jī)床配置專門的外圍設(shè)備，如各種測量頭和統(tǒng)計分析處理軟件等。 在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行測量有如下特點：不需要昂貴的CMM，但會損失機(jī)床的切削加工時間；可以針對尺寸偏差自動進(jìn)行機(jī)床及刀具補(bǔ)償，加工精度高；不需要工件來回運輸和等待。17 另外，數(shù)控機(jī)床用于測試時，必須為數(shù)控機(jī)床配置專門的外18 3.測量機(jī)器人 隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人在測量中的應(yīng)用也越來越受到重視。機(jī)器人測量具有在線、靈活、高效等特點，可以實現(xiàn)對零件100％的測量,因此特別適合于自動化制造系統(tǒng)中的工序間測量和過程測量。同坐標(biāo)測量機(jī)相比，機(jī)器人測量造價低，使用靈活。

4.專用的主動測量裝置 在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，常將專用的自動檢測裝置安裝在機(jī)床上，不必停機(jī)就可以在加工過程中自動檢測工件尺寸的變化，并能根據(jù)測得的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的信號，控制機(jī)床的加工過程（如變換切削用量、刀具補(bǔ)償、停止進(jìn)給、退刀和停機(jī)等）。例如,圖6-28所示為磨床上工件外徑自動測量及反饋控制裝置的原理圖。18 3.測量機(jī)器人19圖6-28磨床上工件外徑自動測量原理19圖6-28磨床上工件外徑自動測量原理206.5檢測與監(jiān)控系統(tǒng)6.5.1檢測與監(jiān)控原理 在自動化制造系統(tǒng)的加工過程中，為了保證加工質(zhì)量和系統(tǒng)的正常運行，需要對系統(tǒng)運行狀態(tài)和加工過程進(jìn)行檢測與監(jiān)控（如圖6-23所示）。16.5檢測與監(jiān)控系統(tǒng)6.5.1檢測與監(jiān)控原理21圖6-23檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成2圖6-23檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的組成22 1.運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控 自動化制造系統(tǒng)中，需要檢測與監(jiān)控的運行狀態(tài)通常包括： （1）刀具信息。 （2）機(jī)床狀態(tài)信息。 （3）系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。 （4）在線尺寸測量信息。 （5）系統(tǒng)安全情況信息。 （6）仿真信息。仿真信息包括以下內(nèi)容：零件的數(shù)控程序是否準(zhǔn)確；有無碰撞干涉情況；仿真綜合結(jié)果情況等。

3 1.運行狀態(tài)檢測與監(jiān)控23 2.工件尺寸精度檢測方法 （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。

3.刀具磨損和破損的檢測方法 （1）刀具、工件尺寸及相對距離測定法。 （2）放射線法。 （3）電阻法。 （4）光學(xué)圖像法。4 2.工件尺寸精度檢測方法24（5）切削力法。（6）切削溫度法。（7）切削功率法。（8）振動法。（9）噪聲分析法。（11）加工表面粗糙度法。

6.5.2檢測與監(jiān)控應(yīng)用舉例 例6-1加工中心（MC）需檢測的運行狀態(tài)信息。

MC需檢測的運行狀態(tài)信息如下： （1）環(huán)境參數(shù)及安全檢測。5（5）切削力法。25

（2）刀庫狀態(tài)檢測。 （3）機(jī)床負(fù)載檢測。 （4）換刀機(jī)構(gòu)檢測。 （5）交換工作臺檢測。 （6）工作臺振動檢測。 （7）冷卻與潤滑系統(tǒng)檢測。 （8）CNC/PC系統(tǒng)檢測。6 （2）刀庫狀態(tài)檢測。26

例6-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切 削力的變化能直接反映刀具的磨損情況， 圖6-24中Ⅰ和Ⅱ所示是切削力的變化過程，曲線Ⅰ表示的是鋒利的刀具，曲線Ⅱ表示的是磨鈍了的刀具。切削力的差異ΔF是反映刀具實際磨損的標(biāo)志。如果Ⅰ切削力突然上升或突然下降，可能預(yù)示刀具的折斷。7 例6-2切削力法刀具磨損和破損的檢測與監(jiān)控。切27圖6-24切削力圖8圖6-24切削力圖28

圖6-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系統(tǒng)原理圖。當(dāng)?shù)毒咴谇邢鬟^程中磨損時，切削力會增大；如果刀具崩刃或斷裂，切削力會劇減。在系統(tǒng)中，工件加工余量的不均勻等因素也會引起切削力的變化，為了避免誤判，取切削分力的比值和比值的變化率作為判別的特征量，即在線測量三個切削分力FX、FY和FZ的相應(yīng)電信號，經(jīng)放大后輸入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再輸入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。9 圖6-25所示為根據(jù)切削力的變化判別刀具磨損和破損的系29圖6-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖10圖6-25用切削力檢測刀具狀態(tài)原理圖30

例6-3聲發(fā)射法檢測刀具。 固體在產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈形波形釋放出變形能的現(xiàn)象稱為聲放射。在金屬切削過程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的來源有：工件的斷裂，工件與刀具的摩擦，刀具的破損及工件的塑性變形等。聲放射在切削過程中產(chǎn)生頻率范圍很寬的聲發(fā)射信號，從幾十千赫茲至幾兆赫茲不等。聲發(fā)射信號可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號在表面開裂時產(chǎn)生，其信號幅度較大，各聲發(fā)射事件之間間隔時間較長；連續(xù)型聲發(fā)射信號幅值較低，事件的頻率較高，以致難以分為單獨事件。11 例6-3聲發(fā)射法檢測刀具。31

正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時，聲發(fā)射信號幅值遠(yuǎn)大于正常切削，它與刀具破損面積有關(guān)，增長幅度為3～7倍。因此，聲發(fā)射信號產(chǎn)生階躍突變是識別刀具破損的重要特征。圖6-26所示為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖。

6.5.3檢測設(shè)備

1.坐標(biāo)測量機(jī)（CMM） 坐標(biāo)測量機(jī)（CoordinateMeasuringMachine）又叫做三坐標(biāo)測量機(jī)，是一種檢測工件尺寸誤差、形位誤差以及復(fù)雜輪廓形狀的自動化制造系統(tǒng)的基本測量設(shè)備。12 正常切削時，聲發(fā)射信號是小幅值的連續(xù)信號。刀具破損時32圖6-26聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖13圖6-26聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖33

（1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的特點。CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其結(jié)構(gòu)布局有立式和臥式兩類，立式CMM有時是龍門式結(jié)構(gòu)，臥式CMM有時是懸臂式結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)形式的CMM都有不同的尺寸規(guī)格，從小型臺式到大型落地式。圖6-27是一懸臂式CMM，由安放工件的工作臺、立柱、三維測量頭、位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制裝置等組成。 （2）坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理。14 （1）坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)的特點。CMM和數(shù)控機(jī)床一樣，其34圖6-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)15圖6-27懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)35 2.利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度很高，但它對地基和工作環(huán)境的要求也很高，它的安裝必須遠(yuǎn)離機(jī)床。如果零件的檢測需要在幾個不同的階段進(jìn)行，零件就需要反復(fù)搬運幾次，這對于質(zhì)量控制要求不是特別精確的零件顯然是不經(jīng)濟(jì)的。由于數(shù)控機(jī)床和CMM在工作原理上沒有本質(zhì)區(qū)別，且三坐標(biāo)測量機(jī)上用的三維測量頭的柄部結(jié)構(gòu)與刀桿一樣，因此可將其直接安裝在機(jī)床（如加工中心）上。需要檢測工件時，將測量頭安裝在機(jī)床主軸或刀架上，測量工作原理與CMM相同；測量