第四章-加工過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)與控制

第4章加工過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)與控制本章要點(diǎn)4.1概述4.2加工過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)4.4機(jī)床加工精度的控制4.3加工過(guò)程的智能診斷概述4.1.1加工過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)與控制的目的

制造過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是為了保障自動(dòng)化加工設(shè)備的安全和加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高效低成本加工，將來(lái)自制造系統(tǒng)的多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息通過(guò)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行組合，挖掘更深層次，有效的狀態(tài)信息。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行有效的測(cè)量和評(píng)估。4.1.2智能監(jiān)測(cè)與控制的內(nèi)容圖4-1加工過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)流程（1）加工過(guò)程仿真與優(yōu)化：針對(duì)

不同零件的加工工藝、切削參數(shù)、進(jìn)給速度等加工過(guò)程中影響零件加工質(zhì)量的各種參數(shù)，通過(guò)基于加工過(guò)程模型的仿真，進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化選取，生成優(yōu)化的加工過(guò)程控制指令。（2）過(guò)程監(jiān)控與誤差補(bǔ)償：利用各種傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)，對(duì)加工過(guò)程中的振動(dòng)、切削溫度、刀具磨損、加工變形以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，并對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差

進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。（3）通訊等其他輔助智能：將實(shí)時(shí)信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，以及車(chē)間管理MES系統(tǒng)。4.1.3加工過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)與控制發(fā)展趨勢(shì)加工過(guò)程的智能監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展將主要包括：（1）加工過(guò)程監(jiān)控更適合于精密加工和自適應(yīng)控制的要求；（2）由單一信號(hào)的監(jiān)控向多傳感器、多信號(hào)監(jiān)控的發(fā)展，充分利用多傳感器的功能來(lái)消除外界干擾，避免漏報(bào)誤報(bào)情況；（3）智能技術(shù)與加工過(guò)程監(jiān)控結(jié)合更加緊密；充分利用智能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，突出監(jiān)控的智能性和柔性；提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。4.2.1加工過(guò)程中常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)4.2.2機(jī)器視覺(jué)4.2.3機(jī)械零件內(nèi)部缺陷的紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)4.2.4陣列渦流檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用4.2.5加工過(guò)程刀具振動(dòng)檢測(cè)4.2.1加工過(guò)程中常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

金屬零件缺陷的無(wú)損檢測(cè)是通過(guò)利用電、磁、聲、光、熱等作為激勵(lì)源對(duì)金屬零件進(jìn)行加熱，根據(jù)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形態(tài)以及變化所反饋的信息進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷金屬零件內(nèi)部是否存在缺陷。目前，加工過(guò)程的典型無(wú)損檢測(cè)方法主要有：渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、激光檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等。4.2.2機(jī)器視覺(jué)1.機(jī)器視覺(jué)的定義、用途及其系統(tǒng)構(gòu)成圖4-2機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的一般構(gòu)成圖4-3機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成示例2機(jī)器視覺(jué)測(cè)量原理圖4-4雙目視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量原理O1和Or是雙目系統(tǒng)的兩個(gè)攝像頭，P是待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，左右兩光軸平行，間距是T，焦距是f。對(duì)于空間任意一點(diǎn)P，通過(guò)攝像機(jī)O1觀察，看到它在攝像機(jī)O1上的成像點(diǎn)為P1，X軸上的坐標(biāo)為X1，但無(wú)法由P的位置得到P1的位置。實(shí)際上O1P連線上任意一點(diǎn)均是P1。所以如果同時(shí)用O1和Or這兩個(gè)攝像機(jī)觀察P點(diǎn)，由于空間P既在直線O1P1上，又在OrP2上，所以P點(diǎn)是兩直線O1P1和OrP2交點(diǎn)，即P點(diǎn)的三維位置是唯一確定的。圖4-5機(jī)器視覺(jué)圖像處理過(guò)程

圖像采集是圖像信息處理的第一個(gè)步驟，此步驟為圖像分割、圖像匹配和深度計(jì)算提供分析和處理的對(duì)象。

視覺(jué)圖像是模擬量，要對(duì)視覺(jué)圖像進(jìn)行數(shù)字化才能輸入計(jì)算機(jī)。視頻圖像采集卡可以將攝像頭攝取的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，使得計(jì)算機(jī)得到需要的數(shù)字圖像信號(hào)。

圖像分割的目的是將圖像劃分成若干個(gè)有意義的互補(bǔ)交互的小區(qū)域，或者是將目標(biāo)區(qū)域從背景中分離出來(lái)，小區(qū)域是具有共同屬性并且在空間上相互連接的像素的集合。

圖像匹配：圖像分割后，對(duì)多幅圖片進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，從匹配結(jié)果中可以獲得同一目標(biāo)在多幅圖片上的視差，最后計(jì)算出該目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)。3機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用舉例示例1：刀具磨損狀態(tài)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)圖4-6刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（1）刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)及檢測(cè)原理圖4-7刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)（2）檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖4-8刀具磨損檢測(cè)總體流程（3）圖像處理過(guò)程圖4-9圖像處理過(guò)程

基于機(jī)器視覺(jué)的刀具磨損檢測(cè)可以測(cè)量刀具的磨損量，其檢測(cè)精度取決于刀具磨損圖像的處理．刀具磨損檢測(cè)中的圖像處理過(guò)程主要包括圖像的灰度化、自適應(yīng)中值濾波、自適應(yīng)二值化及邊緣檢測(cè)（4）基于計(jì)算智能的刀具磨損檢測(cè)圖

4-11基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損檢測(cè)示意圖

在不同刀具材料、切削參數(shù)、冷卻方式及加工要求情況下，分別獲取加工前的刀具和加工Δｔ時(shí)段以后的刀具圖像，并提取刀具磨損區(qū)域數(shù)據(jù)特征量，如后刀面磨損量、刀具前角和后角、刀尖距離等．將不同工況、不同刀具磨損區(qū)域的數(shù)據(jù)特征向量作為樣本，輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型．基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具磨損檢測(cè)示意圖如圖4-11所示．示例2基于機(jī)器視覺(jué)的零件表面缺陷檢測(cè)圖4-13圖像采集硬件平臺(tái)圖4-14缺陷檢測(cè)系統(tǒng)GUI與缺陷檢測(cè)示例圖像讀入模塊：是將采集到的圖像讀入到該檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)刷新按鈕可以對(duì)輸入圖像進(jìn)行更換。圖像處理模塊：包括了圖像背景的分割,圖像增強(qiáng)和缺陷的提取。缺陷后處理模塊：該模塊是對(duì)提取出來(lái)的零件缺陷進(jìn)行一些必要的后處理，包括形態(tài)學(xué)處理和邊緣檢測(cè)。缺陷識(shí)別和零件質(zhì)量等級(jí)判定模塊：主要包括缺陷識(shí)別和零件質(zhì)量等級(jí)評(píng)定模塊。缺陷識(shí)別模塊是對(duì)處理后的缺陷圖像進(jìn)行特征的提取，并且建立相應(yīng)的參數(shù)庫(kù)來(lái)訓(xùn)練缺陷分類(lèi)器的一種模塊。圖4-15零件表面缺陷檢測(cè)與評(píng)定

通過(guò)質(zhì)量等級(jí)模塊處理后，得到的閾值為（180，370],質(zhì)量等級(jí)為四級(jí)零件，如圖4-15所示。4.2.3機(jī)械零件內(nèi)部缺陷的紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（1）紅外熱成像技術(shù)簡(jiǎn)介

紅外熱成像技術(shù)是一種利用紅外攝像機(jī)將物體表面不可見(jiàn)的紅外熱輻射信息轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的熱圖像的非接觸、不破壞、實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)方法。

紅外檢測(cè)技術(shù)根據(jù)是否需要外部激勵(lì)源可分為有源（主動(dòng)）檢測(cè)和無(wú)源（被動(dòng)）紅外檢測(cè)。被動(dòng)紅外熱成像技術(shù)是利用物體發(fā)射的紅外輻射載有物體的特征信息進(jìn)行智能分析判斷。主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)主動(dòng)施加特定的外部熱激勵(lì)，通過(guò)熱量在物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，根據(jù)物體內(nèi)部缺陷處的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同導(dǎo)致物體表面溫度的差異，使用紅外熱像儀采集熱像圖并加以判斷。（2）電磁激勵(lì)紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基本原理圖4-16紅外成像原理含缺陷金屬零件的檢測(cè)示例圖4-17金屬零件的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖4.2.4陣列渦流檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用（1）陣列渦流技術(shù)原理

渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近被檢導(dǎo)體時(shí)，由于線圈磁場(chǎng)的作用，試件中會(huì)感生出渦流。同時(shí)該渦流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)會(huì)影響線圈磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)線圈電壓和阻抗的變化。導(dǎo)體表面或近表面的缺陷會(huì)影響渦流的強(qiáng)度和分布，引起檢測(cè)線圈電壓和阻抗的變化，根據(jù)這一變化，可以推知導(dǎo)體中缺陷的存在。圖4-19陣列渦輪傳感器之間的切換示例：

汽輪機(jī)葉片和葉根槽陣列渦流檢測(cè)圖4-20汽輪機(jī)葉片（左圖）和樅樹(shù)型葉根槽（右圖）①儀器選用

示例中選用SMART－5097陣列渦流探傷儀，該儀器支持32通道陣列傳感器，可以滿足產(chǎn)品檢驗(yàn)的需要。②探頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)陣列渦流探頭的特點(diǎn)和汽輪機(jī)葉片、葉根槽的結(jié)構(gòu)特性可以看出，對(duì)于面積較大工件的檢測(cè)，除了需要滿足檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)速度以及缺陷定位精度等要求外，還需要考慮被檢測(cè)工件的幾何形狀、曲面變化、

測(cè)量空間等客觀條件。(a)陣列柔性探頭(b)葉片邊緣檢測(cè)探頭(c)葉根槽檢測(cè)仿形探頭圖4-21陣列渦流傳感器探頭4.2.5加工過(guò)程刀具振動(dòng)檢測(cè)圖4-24刀具振動(dòng)導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生波紋圖4-25刀具空間三維振動(dòng)特征參數(shù)示意圖（1）

銑削振動(dòng)信號(hào)測(cè)試方法現(xiàn)狀

無(wú)論采用何種檢測(cè)方法，其目的均在于通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳒?zhǔn)確獲取機(jī)床部件的振動(dòng)信號(hào)，以便于后續(xù)通過(guò)信號(hào)的處理、信號(hào)的分析，提取信號(hào)中所蘊(yùn)涵的被檢測(cè)對(duì)象的工況信息。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)流程如圖4-26所示。圖4-26刀具振動(dòng)的檢測(cè)流程示意圖（2）測(cè)振傳感器的選擇傳感器的選取主要考慮以下方面

：①檢測(cè)物理量的選擇②選擇傳感器的量程、靈敏度等動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)③考慮傳感器的使用環(huán)境、壽命、耐用程度等要求示

例4-27現(xiàn)場(chǎng)傳感器選用與布置圖示例中選用了美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的PCB356A02三向加速度傳感器兩個(gè)，頻響0.5-6khz，量程±500g，分辨率0.0005g，靈敏度分別為9.94mv/g和9.87mv/g。北京昆侖海岸傳感器公司的ST-2U-05-00-20系列電渦流傳感器兩個(gè)，工作電源電壓為±15V，變換輸出為(0~5)V測(cè)量范圍1.5mm標(biāo)定靈敏度為4.403mm/EU。

采用Kistler9257B壓電晶體力傳感器和5070A電荷放大器測(cè)量加工過(guò)程中的交變切削力，量程為±5KN，固有頻率為3khz靈敏度分別是0.5N/mv和-3.7pc/mv，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試傳感器布置如圖

4-27所示。（3）銑削振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)構(gòu)建圖4-28切削力測(cè)試系統(tǒng)示意圖目前，機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究主要集中在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)故障機(jī)理的研究(2)信號(hào)提取與多信息融合(3)信號(hào)分析與特征提取(4)智能診斷與混合診斷加工過(guò)程的智能診斷示例：顫振在線智能檢測(cè)機(jī)床加工精度的控制1．加工過(guò)程機(jī)床熱性能的設(shè)計(jì)與控制圖4-26機(jī)床熱變形的影響因素（1）機(jī)床熱態(tài)特性數(shù)值模擬法研究圖4-27軸承及其周邊的有限元熱模型(2)機(jī)床主軸熱態(tài)特性試驗(yàn)方法①熱測(cè)試平臺(tái)研究

圖4-29機(jī)床熱誤差智能補(bǔ)償系統(tǒng)框圖圖4-30機(jī)床主軸熱誤差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)②測(cè)點(diǎn)優(yōu)化研究

以溫度測(cè)點(diǎn)布置與優(yōu)化為代表的熱態(tài)特性試驗(yàn)方法，是目前數(shù)控機(jī)床熱試驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。溫度變量作為數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模型的唯一輸入變量，其測(cè)點(diǎn)布置選擇對(duì)于數(shù)控機(jī)床的熱態(tài)性能測(cè)試有著非常重要的作用，對(duì)于建立高精度、高魯

棒性熱誤差補(bǔ)償模型更起著決定性的作用。2．?dāng)?shù)控機(jī)床空間定位精度控制方法（1）幾何誤差的檢測(cè)與辨識(shí)圖4-31激光干涉儀定位誤差檢測(cè)原理平動(dòng)軸幾何誤差的直接測(cè)量②轉(zhuǎn)動(dòng)軸幾何誤差的檢測(cè)與辨識(shí)

基于加工試件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸幾何誤差的辨識(shí)是在平動(dòng)軸誤差預(yù)先補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，利用待檢測(cè)的五軸數(shù)控機(jī)床加工有特殊幾何特征的試件，然后通過(guò)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)試件特征點(diǎn)的位置，通過(guò)特征點(diǎn)理想位置和實(shí)際位置的偏差及機(jī)床的誤差模型來(lái)辨識(shí)轉(zhuǎn)軸的誤差項(xiàng)。

基于檢測(cè)儀器的擺動(dòng)軸幾何誤差辨識(shí)方法通常是以檢測(cè)儀器獲取的機(jī)床的誤差信息為基礎(chǔ)，

結(jié)合機(jī)床的誤差模型通過(guò)數(shù)學(xué)方法解算擺動(dòng)軸的各項(xiàng)幾何誤差。③動(dòng)態(tài)誤差的檢測(cè)方法圖

4-37應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的試驗(yàn)流程（2）數(shù)控機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法①幾何誤差的補(bǔ)償

五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償所采用的補(bǔ)償方法包括：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。硬件補(bǔ)償是指運(yùn)用一些補(bǔ)償裝置或者微動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行局部的修正。圖4-38基于壓電陶瓷的微動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)圖4-39基于誤差模型的NC-PLC誤差補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖

幾何誤差的軟件補(bǔ)償是在機(jī)床誤差預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新方法。該種方法通常是在幾何誤差檢測(cè)、辨識(shí)后建立機(jī)床的加工誤差