第五章 检测过程自动化课件.ppt

1、1第五章第五章 检测过程自动化检测过程自动化2l 对对加工后加工后的工件进行检测，的工件进行检测，仅能起到仅能起到剔除废品剔除废品的的作用作用，因此，因此检测过程检测过程是是被动的被动的；l 对对加工中加工中的工件进行检测，的工件进行检测，并根据检测结果通过并根据检测结果通过控制系统对加工过程进行控制，这种方式能控制系统对加工过程进行控制，这种方式能防止防止废品的产生废品的产生，检测过程是，检测过程是主动的主动的；l 如果进一步对测得的加工过程参数进行优化，并如果进一步对测得的加工过程参数进行优化，并校正机床系统，就能实现自适应控制。校正机床系统，就能实现自适应控制。3 检测方法分类检测方法分

2、类按其在制造系统中按其在制造系统中所处位置所处位置 可分为下列可分为下列几种方式：几种方式：（1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量（2 2）接触测量和非接触测量）接触测量和非接触测量 （3 3）在线测量和离线测量）在线测量和离线测量4（1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量直接测量：直接测量：测量时，直接从测量器具上读出被测几测量时，直接从测量器具上读出被测几 何量的大小值何量的大小值 间接测量间接测量：被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量无法直接测量时，首先测出与被测几何量有关的其他几何量，然后，通过一定的被测几何量有关的其他几何量，然后，通过一定的数学关系式进行

3、计算来求得被测几何量的尺寸值数学关系式进行计算来求得被测几何量的尺寸值5（2 2）接触测量和非接触测量）接触测量和非接触测量l 接触式检验。接触式检验。测量器具的测量头直接与工件被检验测量器具的测量头直接与工件被检验的表面接触，的表面接触，工件被测参数的变化，直接反映在量工件被测参数的变化，直接反映在量杆的移动量上，杆的移动量上，然后通过某种传感器转换为电量。然后通过某种传感器转换为电量。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。例如电接触式、电感式传感器都属于这一种。l 非接触式检验。非接触式检验。测量器具的测量头不与工件被测表测量器具的测量头不与工件被测表面接触面接触，而是，而是借助电磁感应

4、、气压，光束或放射性借助电磁感应、气压，光束或放射性同位素的射线等的作用同位素的射线等的作用，以，以反映被测参数的变化反映被测参数的变化。这种测量方式，没有因为测头与工件接触发生磨损这种测量方式，没有因为测头与工件接触发生磨损而产生的误差。而产生的误差。6（3 3）在线测量和离线测量）在线测量和离线测量l在线测量在线测量;在在加工过程加工过程或或加工系统运行过加工系统运行过程程中对被测对象进行检测。中对被测对象进行检测。l离线测量：离线测量：在被测对象加工后脱离加工在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。系统在进行检测。7二、检测装置二、检测装置l对对被加工工件被加工工件的的 监测与控制监测与

5、控制 包括：包括：精度、粗糙度、形状、缺陷等；精度、粗糙度、形状、缺陷等；l对对加工设备工作状态加工设备工作状态的的在线监测与控制在线监测与控制包括：包括：切削负荷、刀具磨损及破损、机床主要部件的切削负荷、刀具磨损及破损、机床主要部件的温升、振动、变形等；温升、振动、变形等；l对对加工对象加工对象的的加工过程在线监测与控制加工过程在线监测与控制。监测的内容：监测的内容：8采用的检测手段可分为：采用的检测手段可分为：人工检测和自动检测。人工检测和自动检测。人工检测：人工检测：是是人操作人操作检测工具检测工具，收集分析数据信息收集分析数据信息，为为产品质量控制提供依据产品质量控制提供依据；自动检测

6、自动检测：是借助于：是借助于各种自动化检测装置各种自动化检测装置和和检检测技术测技术，自动地灵敏地反映被测工件及设备的参，自动地灵敏地反映被测工件及设备的参数，为数，为控制系统提供必要的数据信息控制系统提供必要的数据信息。二、检测装置二、检测装置9 机械制造过程中自动化检测的范围：机械制造过程中自动化检测的范围：l 从从制品制品（零件、部件和产品）的（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺尺寸、形状、缺陷、性能陷、性能等的等的静态检测静态检测，到，到成品成品生产过程各阶段生产过程各阶段上的质量控制上的质量控制；l 从对各种从对各种工艺过程及其设备工艺过程及其设备的的调节与控制调节与控制，到实，到实

7、现现最佳条件的自动生产最佳条件的自动生产，其中每一方面都离不开，其中每一方面都离不开自动检测技术。自动检测技术。10适用于不同用途的自动检测装置：适用于不同用途的自动检测装置：l 用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：用于工件的尺寸、形状检测用的定尺寸检测装置：三坐标测量机、激光测径仪以及气动测微仪、电动三坐标测量机、激光测径仪以及气动测微仪、电动测微仪和采用电涡流方式的检测装置；测微仪和采用电涡流方式的检测装置；l 用于工件表面粗糙度检测：用于工件表面粗糙度检测：表面轮廓仪；表面轮廓仪；l 用于刀具磨损或破损监测的：用于刀具磨损或破损监测的：噪声频谱、红外发射、噪声频谱、红外发射、探针

8、测量等测量装置；探针测量等测量装置；l 利用切削力、切削力矩、切削功率对刀具磨损进行利用切削力、切削力矩、切削功率对刀具磨损进行检测的测量装置。检测的测量装置。它们的主要作用就在于全面地、快速地获得有它们的主要作用就在于全面地、快速地获得有关产品质量的信息和数据。关产品质量的信息和数据。11三、自动化检测方法三、自动化检测方法在机械加工中自动化检测方法有两种：在机械加工中自动化检测方法有两种：1产品精度检测产品精度检测 产品精度检测是在工件加工完成后，按验收的技术产品精度检测是在工件加工完成后，按验收的技术条件进行验收和分组。条件进行验收和分组。这种检验只能发现废品，不这种检验只能发现废品，不

9、能预防废品的产生能预防废品的产生。2工艺过程精度检测工艺过程精度检测目的：目的：预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。l 检验的对象是检验的对象是加工设备、工具和生产工艺加工设备、工具和生产工艺过程过程12l在在机床上安装自动化检测装置机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的实现加工过程中的在在线检测线检测。如在。如在数控磨床上安装在线检测装置数控磨床上安装在线检测装置l在自动线中在自动线中设置专门的自动检测工位设置专门的自动检测工位，即在，即在某道加某道加工工序工工序刚一完成刚一完成就立即进行就立即进行在线检测在线检测。如曲轴加工自。如曲轴加工自动生产

10、线上的动平衡实验装置。动生产线上的动平衡实验装置。l设置专门的监测装置设置专门的监测装置。如轴承中使用的钢珠、滚针，。如轴承中使用的钢珠、滚针，连杆的秤重。连杆的秤重。l在柔性系统使用的在柔性系统使用的测量机器人测量机器人。自动化检测实现的途径自动化检测实现的途径13第二节第二节 加工尺寸的自动测量加工尺寸的自动测量一、检测方法一、检测方法二、测量传感器二、测量传感器三、自动测量机构三、自动测量机构四、加工过程的在线检测和补偿四、加工过程的在线检测和补偿14工件尺寸精度是直接反映产品质量的指标工件尺寸精度是直接反映产品质量的指标，因此在许多自动化制造中都因此在许多自动化制造中都采用自动测量工件

11、的采用自动测量工件的方法来保证产品质量和系统的正常运行方法来保证产品质量和系统的正常运行。一、检测方法一、检测方法 检测方法按其在制造系统中所处的位置可以分检测方法按其在制造系统中所处的位置可以分为：为：1.离线检测离线检测 2.过程中检测过程中检测 3.在线检测在线检测第二节第二节 加工尺寸的自动测量加工尺寸的自动测量 151.离线检测离线检测 在自动化制造系统生产线以外进行检测在自动化制造系统生产线以外进行检测，其，其检测周期长，难以及时反馈质量信息。检测周期长，难以及时反馈质量信息。2.过程中检测过程中检测这种检测是在工序内部，即这种检测是在工序内部，即工步或走刀之间，工步或走刀之间，利

12、用机床上装备的测头检测工件的几何精度或标利用机床上装备的测头检测工件的几何精度或标定工件零点和刀具尺寸定工件零点和刀具尺寸。检测结果直接输入机床检测结果直接输入机床数控系统，修正机床运动参数，保证工件加工质数控系统，修正机床运动参数，保证工件加工质量。量。一、检测方法一、检测方法16检测方法：检测方法：测头安装在主轴上测头安装在主轴上（数控镗铣加工中心）（数控镗铣加工中心）或刀架上或刀架上（车削加工中心），通过（车削加工中心），通过触点测量触点测量和和数据处理数据处理检测检测加工表面的尺寸和形状误差加工表面的尺寸和形状误差或或标定标定工件在机床坐标工件在机床坐标系中的系中的坐标零点坐标零点。测

13、头安装在机床工作台测头安装在机床工作台（数控镗铣加工中心）（数控镗铣加工中心）或床或床身上身上（车削加工中心），通过（车削加工中心），通过坐标轴运动坐标轴运动使使刀具与刀具与测头接触测头接触测出刀具在各方向的偏置量测出刀具在各方向的偏置量，输入数控系，输入数控系统统进行刀具补偿进行刀具补偿；或者；或者测量刀具磨损量测量刀具磨损量。173.在线检测在线检测 利用坐标测量机利用坐标测量机综合检测综合检测经过加工后经过加工后机械零件机械零件的几何尺寸与形状位置精度的几何尺寸与形状位置精度。l 坐标测量机坐标测量机按精度按精度可分为可分为生产型生产型和和精密型精密型两大类；两大类；l 按自动化水平按自

14、动化水平可分为可分为手动、机动手动、机动和和计算机直接计算机直接控制控制三大类。三大类。在自动化制造系统中，一般选用计算机直接控在自动化制造系统中，一般选用计算机直接控制的生产型坐标测量机。制的生产型坐标测量机。18p工件尺寸、形状工件尺寸、形状的在线测量是机械加工中很重要的的在线测量是机械加工中很重要的功能。功能。工件的工件的尺寸和形状误差分为：工件的工件的尺寸和形状误差分为：随机误差和系统误差。随机误差和系统误差。自动检测中，应该检测那种误差？自动检测中，应该检测那种误差？系统误差！系统误差！系统误差包括？系统误差包括？19影响加工尺寸的因素影响加工尺寸的因素一般说来有以下几种原因：一般说

15、来有以下几种原因：1、切削热引起切削热引起刀具的伸长刀具的伸长，使得，使得加工加工尺寸与理论尺寸有差别尺寸与理论尺寸有差别；2、切、切削热引起削热引起工件的膨胀工件的膨胀；3、机床主轴、工件和刀具系统在机床主轴、工件和刀具系统在受切受切削力和切削热作用下削力和切削热作用下的的动态变形动态变形；4、刀具磨损刀具磨损对加工精度的影响对加工精度的影响。5、机床导轨的几何精度。、机床导轨的几何精度。实实时时在在线线测测量量 20工件尺寸、形状的在线测量方式：工件尺寸、形状的在线测量方式：21二、测量传感器二、测量传感器 测量装置中最主要的部分是传感器测量装置中最主要的部分是传感器，它用以将被测它用以将

16、被测零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如转换成电、零件的尺寸变化转换成其他物理量，例如转换成电、气或其他形式的信号气或其他形式的信号。然后将此信号送至放大装置然后将此信号送至放大装置放大或经其他处理后，供机床的控制系统自动控制放大或经其他处理后，供机床的控制系统自动控制机床的工作过程。机床的工作过程。常用的传感器有电气的和气动的两大类。常用的传感器有电气的和气动的两大类。22(一一)电气传感器电气传感器1电接触式传感器电接触式传感器 当被检验的零件当被检验的零件l的尺寸或几何形状变化时，与零件相接触的量杆的尺寸或几何形状变化时，与零件相接触的量杆2移动。当零件的尺寸变化移动。当零件的尺寸变化超

17、出允许的极限时，量杆使触点超出允许的极限时，量杆使触点3接通或断开，从而将工件尺寸的变化量接通或断开，从而将工件尺寸的变化量(位移位移)变换成为电信号。变换成为电信号。为单界限式的为单界限式的(图图33a），双界限式的），双界限式的(图图33b、e、d)和多界限式的和多界限式的(图图33e)。单界限式的可测知零件是否大于某一规定尺寸。单界限式的可测知零件是否大于某一规定尺寸。双界限式的可将容件分为三类，即尺寸在公差范围之内、尺寸大于规定的上限尺寸、尺寸小于双界限式的可将容件分为三类，即尺寸在公差范围之内、尺寸大于规定的上限尺寸、尺寸小于规定的下限尺寸。规定的下限尺寸。多界限式的可以将零件分成较

18、多的组数或发出多个信号，例如可以发出四个信号的电接触式传多界限式的可以将零件分成较多的组数或发出多个信号，例如可以发出四个信号的电接触式传感器，已经在生产中应用。感器，已经在生产中应用。23电接触式传感器结构示意图242、光电式传感器、光电式传感器 利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。检验成品尺寸的示意图检验成品尺寸的示意图图a是检验成品尺寸的示意图。从光源5发出的光线经小孔4射向光敏元件3。量杆2对工件l进行测量，量杆2的上端为一隔板，根据工件尺寸的大小，决定隔板遮住小孔4的面积大小，从而使光敏元件发出相应的信号。(一一)电气传感器电气

19、传感器25 利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。利用光源的光线投射到光敏元件上来发出测量信号。加工过程中测量工件尺寸的原理加工过程中测量工件尺寸的原理图b为加工过程中测量工件尺寸的原理。工件l用两个量杆测量，量杆9固定在量仪壳体上，量杆2是一个可绕支点转动的杠杆。在另一杆臂上用扭曲的片弹簧4与反射镜5相联。从光源8来的光线经透镜7、反射镜5射向光敏元件6。当工件尺寸因加工而变小时，量杆2在弹簧3的作用下顺时针方向转动，因而使反射镜5逐渐偏转，照射在光敏元件上的光束强度也发生变化，从而发出相应的控制信号。26 光电式传感器具有很高的灵敏度和测量精度，但是电气线路较复杂，且不易调整稳定。

20、由于光电信号较弱，容易受到外界干扰，所以对电源的稳压等方面要求很高。因此在尺寸测量方面没有上述几种传感器应用广泛。27(二二)气动传感器气动传感器 气动传感器一般都由气动传感器一般都由气动测量头气动测量头和和气体计量仪气体计量仪组成。组成。测量原理：测量原理：压缩空气进入计量仪的气室压缩空气进入计量仪的气室A A，其压力为，其压力为p1p1，压缩，压缩空气再经过小孔空气再经过小孔l l进入气室进入气室B B，然后经喷嘴，然后经喷嘴2 2排入大气。排入大气。l 当测量工件时，当测量工件时，工件放在喷嘴孔工件放在喷嘴孔2前面，形成一个气隙前面，形成一个气隙Z，此，此时，压缩空气必须经过此气隙排入大

21、气，所产生的节流效应时，压缩空气必须经过此气隙排入大气，所产生的节流效应与此气隙的大小有一定关系。与此气隙的大小有一定关系。l 当工件尺寸增大时，当工件尺寸增大时，气隙气隙Z减小，气室减小，气室B的压力的压力p2上升；上升；l 当工件尺寸减小时，当工件尺寸减小时，气隙气隙Z增大，气室增大，气室B的压力的压力p2下降，下降，l 显然，通过测量压力显然，通过测量压力p2，即可测知工件尺寸的变化。，即可测知工件尺寸的变化。28气室气室B的压力的压力p2与气隙与气隙Z的关系的关系29 1)1)薄膜式气动星仪薄膜式气动星仪 l 薄膜式气动量仪的结构原理：薄膜式气动量仪的结构原理：过滤以后的压缩空气经管道

22、过滤以后的压缩空气经管道1进入稳压器进入稳压器2稳压。打开开关稳压。打开开关3，压缩空气进入气动量仪的进气口，经小孔压缩空气进入气动量仪的进气口，经小孔4及及5分为两路，一分为两路，一路进入薄膜路进入薄膜6上方的气室，另一路进入下气室。上方的气室，另一路进入下气室。下气室有管道下气室有管道8通喷嘴通喷嘴9，工件，工件l0即放在喷嘴即放在喷嘴9前面而形成一个前面而形成一个气隙气隙Z，气隙，气隙Z的变化将影响下的变化将影响下气室的压力气室的压力Pl；上气室的压缩空气经测量杆上气室的压缩空气经测量杆7上端的锥面出气环而排入大气。上端的锥面出气环而排入大气。30 当测量气隙当测量气隙Z增大时增大时(相

23、当于工件外尺寸减小相当于工件外尺寸减小)，则下气室压，则下气室压力力p1下降，膜片下降，膜片6原来的平衡位置被破坏，因而使膜片下移，原来的平衡位置被破坏，因而使膜片下移，测量杆测量杆7也随之下移，从而增大了测量杆也随之下移，从而增大了测量杆7上端出气环的排气上端出气环的排气截面积，使上气室压力截面积，使上气室压力p2也下降，也下降，当测量杆当测量杆7下移至某一位下移至某一位置，置，上、下气室的压力使膜片上、下气室的压力使膜片6 6重新获得平衡的位置，重新获得平衡的位置，测量杆测量杆7即即保持不动，通过表杆保持不动，通过表杆11、指示表指示表14指示出工件指示出工件的尺寸偏差。的尺寸偏差。当测量

24、气隙当测量气隙Z减小时减小时(相当于工件尺寸增大相当于工件尺寸增大)，仪表动作过程与上述相反。仪表动作过程与上述相反。31 2)2)波纹管式传感器波纹管式传感器 它具有两个波纹状皱褶它具有两个波纹状皱褶管管1和和5，其中一边通入，其中一边通入恒定压力的压缩空气，恒定压力的压缩空气，另一边与测量头头喷嘴另一边与测量头头喷嘴相通，即通测量气压。相通，即通测量气压。321.1.专用自动测量装置专用自动测量装置 实现加工过程自动检测的过程是由自动检测实现加工过程自动检测的过程是由自动检测装置完成的。装置完成的。在大批量生产条件下，在大批量生产条件下，只要将自动测量装置只要将自动测量装置安装在机床上安装

25、在机床上，操作人员，操作人员不必停机测量工件尺寸不必停机测量工件尺寸，就可以就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加工过程工过程（如变换切削用量、停止进给、退刀和停车（如变换切削用量、停止进给、退刀和停车等）。等）。三、自动测量机构三、自动测量机构33其自动测量原理如其自动测量原理如 所示。所示。34 三坐标测量机（三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称简称CMM）是）是20世纪世纪60年代发展起来的一种新型高年代发展起来的

26、一种新型高效的精密测量仪器。效的精密测量仪器。现代现代CMM不仅能不仅能在计算机控制在计算机控制下完成各种复杂测量下完成各种复杂测量，而且可以，而且可以通过与数控机床交换通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。实现反求工程。目前，目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。2.三坐标测量机三坐标测

27、量机35 三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量三坐标测量机是现代加工自动化系统中的测量设备。设备。三坐标测量机的作用：三坐标测量机的作用：l可以可以在计算机控制的制造系统中在计算机控制的制造系统中直接利用直接利用CAD/CAM系统系统中的中的编程信息编程信息对工件进行对工件进行测量测量和和检检验验，构成设计构成设计制造制造检验集成系统，检验集成系统，l能能在工件加工、装配的前、后或过程中在工件加工、装配的前、后或过程中给出给出检测检测信息并进行信息并进行在线反馈处理在线反馈处理。2.三坐标测量机三坐标测量机36（1）CMM的组成的组成机械系统：机械系统：一般由三一般由三个正交的直线运动轴个

28、正交的直线运动轴构成。构成。l X向导轨向导轨系统装在工系统装在工作台上作台上;l Y向导轨系统向导轨系统是移动是移动桥架横梁桥架横梁;l Z向导轨系统向导轨系统装在中装在中央滑架内。央滑架内。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。三坐标测量机由机械系统和电子系统两大部分组成。37（1）CMM的组成的组成l 三个方向轴上均装三个方向轴上均装有有光栅尺用以度量光栅尺用以度量各轴位移值各轴位移值。l 人工驱动的人工驱动的手轮手轮及及机动、数控驱动的机动、数控驱动的电机电机一般都在各轴一般都在各轴附近。附近。l 用来触测被检测零用来触测被检测零件表面的件表面的测头装在测头装在Z轴端部轴端部。

29、3839436工作台工作台5X2Y（1）CMM的组成的组成电子系统：电子系统：一般由一般由光栅计数系统光栅计数系统、测头信号接口测头信号接口和和计算机等组成计算机等组成.p用于获得被测坐标点数据，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。并对数据进行处理。移动桥架移动桥架中央滑架中央滑架Z轴轴测头测头电子系统电子系统4021ZYX3OIAOI（2）CMM的工作原理的工作原理 原理：原理：l 通过探测传感器（测头）与测量通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，空间轴线运动的配合，对被测几对被测几何元素进行离散的空间点坐标的何元素进行离散的空间点坐标的获取获取；l 通过相应的数学计算定义，

30、通过相应的数学计算定义，完成完成对所测得点（点群）的拟合计算，对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素还原出被测的几何元素；l 进行其与理论值（名义值）之进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而间的偏差计算与后续评估，从而完成对被测零件的检验工作。完成对被测零件的检验工作。三坐标测量机三坐标测量机是基于是基于坐标测量坐标测量的通用化的通用化数字数字测量设备测量设备。41 几何量几何量数字测量的功能数字测量的功能42常常用用测测量量方方法法坐标方向的距离ZYXxyz空间距离(长度)圆心、直径(三点法或最小二乘法)交叉点交叉线(三点定平面)轴线空间点坐标ZXYyxz测 量

31、项 目测 量 项 目图 例图 例平 面(三点定平面)圆 度0.20.2平面度0.2平行度角 度0.2垂 直 度0.2槽宽、槽深 与厚度AWH探测头直径补偿无补偿+DD+D/2D/243（四）、工作台（四）、工作台 早期的三坐标测量机的工作台一般是由早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸铁或铸钢制成铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采的，但近年来，各生产厂家已广泛采用用花岗岩来制造工作台花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。易于加工。有些测量机装有可升降的工作台有些测量机装有

32、可升降的工作台，以扩大以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有轴的测量范围，还有些测量机备有旋旋转工作台转工作台，以扩大测量功能。，以扩大测量功能。44（五）、导轨（五）、导轨 导轨是测量机的导向装置导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，直接影响测量机的精度，因而要求其具有因而要求其具有较高的直线性精度较高的直线性精度。在三坐标测量机常用的为在三坐标测量机常用的为滑动导轨滑动导轨和和气浮导轨气浮导轨，目前，多数三坐标测量机已采用目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨空气静压导轨（又（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度

33、高、摩擦力极小、工作平稳制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。等。45123456A-AAA工作台工作台气垫气垫滚轮滚轮压缩弹簧压缩弹簧导向块导向块桥架桥架46三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统由三坐标测量机的测量系统由标尺系统标尺系统和和测头系统测头系统构成，构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着CMM测量精度的高低。测量精度的高低。标尺系统标尺系统标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的是用来度量各轴的坐标数值的。标尺系统种类按其性质可以分为：标尺系统种类按其性质可以分为：l 机械式标尺系统机械式标尺系

34、统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、条及齿轮，滚动直尺）、l 光学式标尺系统光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅光栅，激光干涉仪），激光干涉仪）l 电气式标尺系统电气式标尺系统（如（如感应同步器感应同步器，磁栅）。，磁栅）。47测头系统测头系统（1 1）测头）测头 三坐标测量机是用测头来拾取信号的，三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而因而测头的测头的性能直接影响测量精度和测量效率性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。头就无法充分发挥测量机的功能。p分

35、类：分类：l 按结构原理按结构原理：机械式机械式、光学式光学式和和电气式电气式等；等；l 按测量方法按测量方法：接触式接触式和和非接触式非接触式两类。两类。48l机械接触式测头机械接触式测头l 测头形状：测头形状：圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、头、点测头、V型块测头型块测头等。等。l 特点：特点：形状简单，形状简单，制造容易制造容易，但是测量力的大小取决于操作，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此者的经验和技能，因此测量精度差、效率低测量精度差、效率低。l 目前除目前除少数手动测量机少数手动测量机还采用此种测头外，还采

36、用此种测头外，绝大多数测量机绝大多数测量机已不再使用这类测头已不再使用这类测头。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)圆锥形测头圆锥形测头 (b)圆柱形测头圆柱形测头 (c)球形测头球形测头 (d)半圆形测头半圆形测头 (e)点测头点测头 (f)V型块测头型块测头 49 2电气接触式测头电气接触式测头12534弹簧弹簧芯体芯体测杆测杆钢球钢球触点触点测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，也称为触发式测头故称为动态测头，也称为触发式测头。动态测头结构简单、。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍

37、低，而且动态测头不能成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量逐点测量，不能作连续的扫描测量 电气接触式测头目前已为绝大电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，部分坐标测量机所采用，按其按其工作原理可分为动态测头和静工作原理可分为动态测头和静态测头态测头。（1）动态测头）动态测头 常用动态测头的结构如图所示。常用动态测头的结构如图所示。50RENISHAW电阻型触发式探头电阻型触发式探头51 三坐标测量机的测量精度很高。三坐标测量机的测量精度很

38、高。为了保证三坐标测量机的为了保证三坐标测量机的高精度测量高精度测量，避免因，避免因振振动、环境温度动、环境温度变化等造成的变化等造成的测量误差测量误差，必须将其安必须将其安装在专门的装在专门的地基上和在很好的环境条件地基上和在很好的环境条件下工作。下工作。被检零件必须从加工地输送至测量机，有的需要被检零件必须从加工地输送至测量机，有的需要反复输送几次，这对于质量控制要求不是特别精确反复输送几次，这对于质量控制要求不是特别精确可靠的零件，显然是不经济的。可靠的零件，显然是不经济的。一个解决方法一个解决方法是是将三坐标测量机上用的三维测头将三坐标测量机上用的三维测头直接安装在计算机数控机床上，直

39、接安装在计算机数控机床上，该机床就能象三坐该机床就能象三坐标测量机那样工作。标测量机那样工作。3.三维测头的应用三维测头的应用5253 激光测径仪是一种激光测径仪是一种非接触式非接触式测量装置。常用在测量装置。常用在轧制钢管、钢棒等热轧制件生产线上。轧制钢管、钢棒等热轧制件生产线上。为了提高生产效率和控制产品质量，必须随机测为了提高生产效率和控制产品质量，必须随机测量轧制中轧件外径尺寸的偏差，以便及时调整轧机，量轧制中轧件外径尺寸的偏差，以便及时调整轧机，保证轧件符合要求。这种方法适用于扎制时对温度保证轧件符合要求。这种方法适用于扎制时对温度高、振动大等恶劣条件下的尺寸检测。高、振动大等恶劣条

40、件下的尺寸检测。4.激光测径仪激光测径仪图5-6 激光测径仪原理图图 5-7 激光测径仪波形图561.自动在线检测自动在线检测 自动在线检测自动在线检测：是指是指在设备运行、生产不停顿在设备运行、生产不停顿的情况下的情况下，根据，根据信号处理的基本原理信号处理的基本原理，跟踪并掌，跟踪并掌握设备的当前运行状态，握设备的当前运行状态，预测未来的状况预测未来的状况并根据并根据出现的情况出现的情况对生产线进行必要的调整对生产线进行必要的调整。四、加工过程的在线检测和补偿四、加工过程的在线检测和补偿 在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测在机械加工的实际应用中可根据自动在线检测应用的范围和深度应用的

41、范围和深度的不同，将的不同，将自动在线检测大致分自动在线检测大致分为为：自动检测、机床监测和自适应控制。自动检测、机床监测和自适应控制。？只有在设备运行的状况下，才可能产生各只有在设备运行的状况下，才可能产生各种物理的、化学的信号以及几何参数的变化。种物理的、化学的信号以及几何参数的变化。通常这类信号和参数的变化超过一定范围时，通常这类信号和参数的变化超过一定范围时，即被认为存在着异常部位，而这些出现的信号即被认为存在着异常部位，而这些出现的信号都离不开在线检测。都离不开在线检测。57（1 1）自动检测）自动检测 指指主动自动检测主动自动检测，即加工中，即加工中测量仪测量仪与机床、刀具、工件等

42、设备组成闭环系统与机床、刀具、工件等设备组成闭环系统。通过。通过在线检测装置将测得的在线检测装置将测得的工件尺寸变化量工件尺寸变化量经经信号转信号转换和放大后送至控制器换和放大后送至控制器，控制执行机构控制执行机构对对加工过加工过程进行控制程进行控制。图所示为液压式图所示为液压式外圆磨削自动测外圆磨削自动测量装置，测量范量装置，测量范围为围为580mm。测量装置通过底测量装置通过底座座l0用螺钉压紧用螺钉压紧在机床工作台上，在机床工作台上，测臂测臂5、8的进入的进入或退出工件，是或退出工件，是靠油缸靠油缸9驱动。驱动。测量传感器测量传感器18是一个差动变压器是一个差动变压器(其结构见图其结构见

43、图314)。传感器固定。传感器固定在测量架在测量架1上，下测臂上，下测臂8用片弹簧用片弹簧7支承在测量架支承在测量架1上，其左端与传感器上，其左端与传感器18的测头接触。整个测量架的测头接触。整个测量架l用两个锥形支钉用两个锥形支钉17支承着，使测量架可以绕支支承着，使测量架可以绕支钉钉17的轴心摆动，弹性支钉的轴心摆动，弹性支钉20顶在滑块顶在滑块12的平面上，以的平面上，以承受测量架承受测量架1的重量。上、下测臂的重量。上、下测臂5、8的距离，可根据工件尺寸的的距离，可根据工件尺寸的大小，旋松紧固螺钉大小，旋松紧固螺钉4，并旋动带，并旋动带齿轮的小轴齿轮的小轴3使上测臂使上测臂5在齿条在齿

44、条2上移动来进行调整。至于上、下上移动来进行调整。至于上、下测臂相对于工件的中心高位置，测臂相对于工件的中心高位置，可以靠松开紧固螺钉可以靠松开紧固螺钉l6，旋动齿，旋动齿轮轮14，移动滑块，移动滑块12来进行调整。来进行调整。滑块滑块12及其刻度板又用板弹簧与及其刻度板又用板弹簧与支座支座10相联，通过调节螺钉相联，通过调节螺钉l 5，可以对上、下测臂的中心高位置可以对上、下测臂的中心高位置进行微调。进行微调。上、下测臂的调整上、下测臂的调整系用标准工件进行。系用标准工件进行。首先使下测臂首先使下测臂8与与标准工件轻轻接触，标准工件轻轻接触，然后调整上测臂然后调整上测臂5使之与标准件接触，使

45、之与标准件接触，当指针当指针13落在中间落在中间刻线上时，表示上刻线上时，表示上测臂测臂5作用在标准作用在标准工件上的接触力正工件上的接触力正合适合适(约约0.2-0.25公公斤力斤力)。下测臂的。下测臂的测量力，由传感器测量力，由传感器中的弹簧决定，约中的弹簧决定，约为为02025公公斤力。斤力。6162（2）机床监测）机床监测 机床监测的基本方法是检测系统机床监测的基本方法是检测系统从从机床上安装的传感元件获得有关机床、产品以机床上安装的传感元件获得有关机床、产品以及加工过程的及加工过程的数据，数据，将机床上反馈来的监测数据将机床上反馈来的监测数据与机床输入的技术数据相比较与机床输入的技术

46、数据相比较，并利用比较的差，并利用比较的差值对值对机床进行优化控制机床进行优化控制。监测数据监测数据一般为一般为实时输入和连续传输的信息流实时输入和连续传输的信息流。（3）自适应控制）自适应控制 指加工系统能自动适应客观条指加工系统能自动适应客观条件的变化而进行相应的自我调节。件的变化而进行相应的自我调节。63对一些采用调整法进行加工的机床，工件的尺寸对一些采用调整法进行加工的机床，工件的尺寸精度主要取决于精度主要取决于机床本身的精度机床本身的精度和和调整精度调整精度。当工件的精度要求较高，而切削工具磨损较快时，当工件的精度要求较高，而切削工具磨损较快时，则机床工作时间不长，工件的尺寸精度就会

47、显著下则机床工作时间不长，工件的尺寸精度就会显著下降。降。p刀具磨损是直接影响被加工工件刀具磨损是直接影响被加工工件尺寸精度尺寸精度的因素。的因素。如要保持工件的加工精度就必须经常停机调刀，又如要保持工件的加工精度就必须经常停机调刀，又会影响加工效率。会影响加工效率。p必须采取措施来解决加工中工件的自动测量和刀必须采取措施来解决加工中工件的自动测量和刀具的自动补偿问题。具的自动补偿问题。2.自动补偿自动补偿64加工尺寸的自动补偿多采用尺寸控制原则，在不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，以检测的工件尺寸作为信号，控停机的状态下，以检测的工件尺寸作为信号，控制补偿装置，实现脉

48、动补偿。制补偿装置，实现脉动补偿。6566 在机械加工过程中最为常见的故障在机械加工过程中最为常见的故障便是便是刀具状态刀具状态的变化。的变化。p刀具状态识别、检测与监控刀具状态识别、检测与监控是是加工过程检测与监加工过程检测与监控控最为重要最为关键的技术之一最为重要最为关键的技术之一。刀具状态的识别、检测乃至监控刀具状态的识别、检测乃至监控对对降低制造成本、降低制造成本、减少制造环境的危害，保证产品质量减少制造环境的危害，保证产品质量，具有十分，具有十分重要的意义。重要的意义。第三节第三节 刀具的自动识别和监测刀具的自动识别和监测67一、刀具的自动识别一、刀具的自动识别刀具的自动识别刀具的自

49、动识别主要是主要是在加工过程中能在加工过程中能在线识别出在线识别出切削状态切削状态（刀具磨损、破损、切屑缠绕以及切削颤（刀具磨损、破损、切屑缠绕以及切削颤振等）。振等）。刀具状态识别的方法：刀具状态识别的方法：l 基于时序分析刀具破损状态识别、基于时序分析刀具破损状态识别、l 基于小波分析刀具破损状态识别、基于小波分析刀具破损状态识别、l 基于电流信号刀具磨损状态识别基于电流信号刀具磨损状态识别l 基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。68 在自动化的制造系统中，必须在自动化的制造系统中，必须设置刀具磨损、设置刀具磨损、破损的检测与监控装置破损的检测与

50、监控装置，以防止发生工件成批报废，以防止发生工件成批报废和设备损坏事故。和设备损坏事故。（1）直接测量法）直接测量法 直接测量法就是直接检测刀具的直接测量法就是直接检测刀具的磨损量，并通过控制系统控制补偿机构进行相应的磨损量，并通过控制系统控制补偿机构进行相应的补偿，保证各加工表面应具有的尺寸精度。补偿，保证各加工表面应具有的尺寸精度。二、刀具尺寸测量控制系统二、刀具尺寸测量控制系统1-1-刀柄参考表面刀柄参考表面2-2-磨损测量传感器磨损测量传感器3-3-测量装置测量装置4-4-刀具触头刀具触头69（2）间接测量法）间接测量法p刀具的磨损区往往很难直接测到，常常刀具的磨损区往往很难直接测到，