1、第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计16.5 检测与监控系统检测与监控系统6.5.1检测与监控原理在自动化制造系统的加工过程中，为了保证加工质量和系统的正常运行，需要对系统运行状态和加工过程进行检测与监控（如图6-23所示）。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计2图6-23 检测与监控系统的组成检测与监控系统运行状态检测与监控加工过程检测与监控物流监控控制信息监控系统安全监视加工设备监控刀具的检测与监控工件精度检测刀具流夹具流工件流信息流测量机机床机器人测
2、量机循环内检测第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计31.运行状态检测与监控自动化制造系统中，需要检测与监控的运行状态通常包括：（1）刀具信息。（2）机床状态信息。（3）系统运行状态信息。（4）在线尺寸测量信息。（5）系统安全情况信息。（6）仿真信息。仿真信息包括以下内容：零件的数控程序是否准确；有无碰撞干涉情况；仿真综合结果情况等。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计42.工件尺寸精度检测方法（1）直接测量与间接测量。（2）接触测量和非接触测量。（3）在线
3、测量和离线测量。3.刀具磨损和破损的检测方法（1）刀具、工件尺寸及相对距离测定法。（2）放射线法。（3）电阻法。（4）光学图像法。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计5（5）切削力法。（6）切削温度法。（7）切削功率法。（8）振动法。（9）噪声分析法。（11）加工表面粗糙度法。6.5.2 检测与监控应用举例例6-1加工中心（MC）需检测的运行状态信息。MC需检测的运行状态信息如下：（1）环境参数及安全检测。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计6（2）刀库状
4、态检测。（3）机床负载检测。（4）换刀机构检测。（5）交换工作台检测。（6）工作台振动检测。（7）冷却与润滑系统检测。（8）CNC/PC系统检测。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计7例6-2切削力法刀具磨损和破损的检测与监控。切削力的变化能直接反映刀具的磨损情况，图6-24中和所示是切削力的变化过程，曲线表示的是锋利的刀具，曲线表示的是磨钝了的刀具。切削力的差异F是反映刀具实际磨损的标志。如果切削力突然上升或突然下降，可能预示刀具的折断。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设
5、计机电一体化系统设计8图6-24 切削力图第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计9图6-25所示为根据切削力的变化判别刀具磨损和破损的系统原理图。当刀具在切削过程中磨损时，切削力会增大；如果刀具崩刃或断裂，切削力会剧减。在系统中，工件加工余量的不均匀等因素也会引起切削力的变化，为了避免误判，取切削分力的比值和比值的变化率作为判别的特征量，即在线测量三个切削分力FX、FY和FZ的相应电信号，经放大后输入除法器，得到分力比FX/FZ和FY/FZ，再输入微分器得到d（FX/FZ）/dt和d（FY/FZ）/dt。第第6 6章机电一体化
6、系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计10图6-25 用切削力检测刀具状态原理图放大器除法器比较器比较器比较器微分器磨损判别器破损判别器机 床 控 制 器工件测力仪FZFXFYFX/FZFY/FZ第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计11例6-3声发射法检测刀具。固体在产生变形或断裂时，以弹形波形释放出变形能的现象称为声放射。在金属切削过程中产生声发射信号的来源有：工件的断裂，工件与刀具的摩擦，刀具的破损及工件的塑性变形等。声放射在切削过程中产生频率范围很宽的声发射信号，从几十千赫
7、兹至几兆赫兹不等。声发射信号可分为突发型和连续型两种。突发型声发射信号在表面开裂时产生，其信号幅度较大，各声发射事件之间间隔时间较长；连续型声发射信号幅值较低，事件的频率较高，以致难以分为单独事件。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计12正常切削时，声发射信号是小幅值的连续信号。刀具破损时，声发射信号幅值远大于正常切削，它与刀具破损面积有关，增长幅度为37倍。因此，声发射信号产生阶跃突变是识别刀具破损的重要特征。图6-26所示为声发射钻头破损检测装置系统图。6.5.3检测设备1.坐标测量机（CMM）坐标测量机（Coordin
8、ateMeasuringMachine）又叫做三坐标测量机，是一种检测工件尺寸误差、形位误差以及复杂轮廓形状的自动化制造系统的基本测量设备。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计13图6-26 声发射钻头破损检测装置系统图钻头破损检测器机床控制器主轴头声发射传感器破损信号换刀信号工作台折断工件交换第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计14（1）坐标测量机结构的特点。CMM和数控机床一样，其结构布局有立式和卧式两类，立式CMM有时是龙门式结构，卧式CMM有时是悬
9、臂式结构。两种结构形式的CMM都有不同的尺寸规格，从小型台式到大型落地式。图6-27是一悬臂式CMM，由安放工件的工作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算机控制装置等组成。（2）坐标测量机的工作原理。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计15图6-27 悬臂式坐标测量机计数器412.2055放大器开关被测工件三维测量头刻线尺刻线尺ZYX第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计162.利用数控机床进行测量三坐标测量机的测量精度很高，但它对地基和工作环境的要
10、求也很高，它的安装必须远离机床。如果零件的检测需要在几个不同的阶段进行，零件就需要反复搬运几次，这对于质量控制要求不是特别精确的零件显然是不经济的。由于数控机床和CMM在工作原理上没有本质区别，且三坐标测量机上用的三维测量头的柄部结构与刀杆一样，因此可将其直接安装在机床（如加工中心）上。需要检测工件时，将测量头安装在机床主轴或刀架上，测量工作原理与CMM相同；测量完成再由换刀机械手将测量头放入刀库。为了保证测试精度和保护测试头，工件在数控机床上加工结束后，必须经高压冷却液冲洗，并用压缩空气吹干后方可进行检验测量。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系
11、统设计机电一体化系统设计17另外，数控机床用于测试时，必须为数控机床配置专门的外围设备，如各种测量头和统计分析处理软件等。在数控机床上进行测量有如下特点：不需要昂贵的CMM，但会损失机床的切削加工时间；可以针对尺寸偏差自动进行机床及刀具补偿，加工精度高；不需要工件来回运输和等待。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计183.测量机器人随着工业机器人的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100的测量,因此特别适合于自动化制造系统中的工序间测量和过程测量。同坐标测量机相比，机器人测量造价低，使用灵活。4.专用的主动测量装置在大规模生产条件下，常将专用的自动检测装置安装在机床上，不必停机就可以在加工过程中自动检测工件尺寸的变化，并能根据测得的结果发出相应的信号，控制机床的加工过程（如变换切削用量、刀具补偿、停止进给、退刀和停机等）。例如,图6-28所示为磨床上工件外径自动测量及反馈控制装置的原理图。第第6 6章机电一体化系统设计及应用实例章机电一体化系统设计及应用实例机电一体化系统设计机电一体化系统设计19图6-28 磨床上工件外径自动测量原理自动测量头信号转换放大器控制部分执行机构尺寸变化位移信号电信号
