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1、2019/4/15,1,第五章加工过程的检测自动化 第一节概述 为何要实现监测自动化? 目的:利用各种自动化的监测装置,自动地对加工对象的有关参数及工艺过程不断地进行在线检测,及时地对制造过程中被加工工件质量进行控制,确保制造系统的正常运行。 实现监测自动化的优点:实现检测自动化,消除了人为误差,使检测结果稳定可靠;由于采用了先进的在线监测仪器,实现了动态监测,提高了检测精度;加工工艺过程与自动测量过程重合,大大地降低了辅助时间,提高了劳动生产率;节约了制造成本.,2019/4/15,2,监测的内容:对被加工工件的精度监测与控制;对刀具工作状态的在线监测与控制;对加工对象的加工过程在线监测与控
2、制。 检测自动化的分类: 按装置本身的构造分为:机械式(膜片式,波纹式等)和电气式(电容式,互感式) 按测量头与工件表面的接触程度分为:接触式(三坐标测量仪等)和非接触式(激光)等,2019/4/15,3,自动化检测实现的途径 在机床上安装自动化检测装置实现加工过程中的在线检测。如在数控磨床上安装在线检测装置 在自动线中设置专门的自动检测工位,即在某道加工工序刚一完成就立即进行在线检测。如曲轴加工自动生产线上的动平衡实验装置。 设置专门的监测装置。如轴承中使用的钢珠、滚针,连杆的秤重。 在柔性系统使用的测量机器人。,2019/4/15,4,第二节工件尺寸精度的检测和控制 工件尺寸精度检测和控制
3、方法:如加工工件尺寸超差,如继续加工将导致很大的经济损失。要避免这种情况,就得边加工边检测,但一般情况,直接做非常困难,都是通过间接的方法,通过检测状态参数,如切削速度、进给量和切削深度等参数,对毛坯尺寸等间接检测工件尺寸的变化。在正常情况下影响加工精度的还有刀具磨损、切削热变形、以及工件及其刀具组成的动态系统,找出各种因素对加工精度的影响规律(一般关系都非常复杂),根据状态参数确定工件的加工状况(加工精度)。,2019/4/15,5,影响加工尺寸的因素 一般说来有以下几种原因: 1切削热引起刀具的伸长,使得加工尺寸与理论尺寸有差别; 2切削热引起工件的膨胀; 3 机床主轴、工件和刀具系统在受
4、切削力作用下的动态变形; 4 刀具磨损对加工精度的影响。,2019/4/15,6,一、长度尺寸的测量 长度尺寸测量的按仪器的原理分为:机械包括(气动、电动)和光学。 1 气动测量仪原理:将被测量尺寸的微小变化,转换成气流压力、流量和流速的变化。 优点:由于气动测量仪器容易得到较大的放大倍率,所以测量精度过高;采用非接触式测量,操作方便;使用灵活,易实现小型化。 常用的气压型仪器和流量型仪器,气动测头的原理 测量尺寸范围与喷嘴小孔直径的关系。,工件加工尺寸的测量方法与装置,2019/4/15,7,1)气压型仪器有:薄膜式气动测量仪器(具体结构见图5-1)、波纹管气动测量仪(具体结构见图5-2)、
5、水柱式气动测量仪(具体结构见图5-3),2019/4/15,8,水柱式气动测量仪器 (具体结构见图5-3),2019/4/15,9,流量型气动测量仪器 都是将工件尺寸的变化变成指针或浮标的运动来反映的。 2)气动测头:气动测头有接触式和非接触式,而在自动化生产线上常用非接触式,下面给出了部分具体结构。,流量型气动测量仪器(具体结构见图5-4),2019/4/15,10,2019/4/15,11,2电动测量仪器 一般多用电感传感器和电容传感器:图5-7给出了电感传感器原理框图;图5-8给出了常用单电感传感器装置,2019/4/15,12,单传感器测量传动装置,2019/4/15,13,形状精度测
6、量 气动测量仪:测量形状误差与测量长度的原理大致相同。 但是电动测量仪,测量形状误差与测量长度的原理不一致的,往往要测量出最大值与最小值差的一半,大部分使用双传感器通过“和差演算”法进行测量。一般通过“和差演算”法测量同轴度、平行度、垂直度等,测量同轴度,2019/4/15,14,测量粗糙度,表面粗糙度测量: 气隙法:通过电容的变化来测量表面光洁度 漫发射法:将漫反射能量与镜面反射的能量进行对比,来确定表面的光洁度。 光纤法:是将光纤的一部分作为发射光源,另一部分作为接受光束,接受到的能量就反映了被测表面的光洁度。,表面粗糙度测量,2019/4/15,15,(四)加工过程中的主动控制 在加工过
7、程中,自动测量工件的尺寸,并根 据测量的结果发出相应的控制信号,控制机床的加工。一般分为直接测量法和间接测量法. 直接测量法: 特点:由硬质合金的触头与工件表面结合。 外园磨床的自动测量装置 图5-11单触测量装置;图5-12双触测量装置; 内园磨床的自动测量装置 图5-13、5-14内园磨床的自动测量装置;图5-15是花键轴的外园磨床的自动测量装置 (2)间接测量法: 特点:不用触头与工件直接接触,而是用预先调定的装置控制机床的行程。如图5-16 就是借用测量刀具的行程或尺寸来间接的控制工件的尺寸。,2019/4/15,16,传感器,2019/4/15,17,直接测量,间接测量,2019/4
8、/15,18,主动测量装置的主要技术要求 测量装置的杠杆比不宜太大,测量的尺寸链不宜太长。保证测量精度与稳定性; 工作时,测端触头的附件力要合适,太大会划伤工件,太小测量结果不稳定; 测量触头要耐磨; 测臂和测体要不能导磁,对磁性回路有影响; 测量装置应当密封良好; 传感器的导线要屏蔽,测量装置的设计要易于调整;,2019/4/15,19,(五)测量机械人 一般情况多使用三坐标测量仪, 不灵活,成本高等.采用机器人,可以实现直接测量法和间接测量法,一般不要配专门的测量机器人,采用通用机器人即可。,2019/4/15,20,第三节 刀具工作状态的监测和控制 刀具尺寸控制系统的概念 刀具的尺寸控制
9、系统是指刀具在加工时对工件已加工面上的尺寸进行在线自动监测,刀具由于磨损等原因,会使工件的尺寸发生变化,当尺寸的变化达到设定的值时,控制装置发出指令,操纵补尝装置使刀具按指定的值进行微调来补偿工件尺寸的变化,使工件的尺寸严格的控制在公差范围之内。,2019/4/15,21,刀具补偿装置的工作原理 在金属加工过程中,刀具补偿一般采用尺寸补偿的原则,就是在工件完成加工后,自动测量其实际尺寸,当尺寸的变化达到设定的值时,控制装置发出指令,操纵补尝装置使刀具按指定的值进行微调来补偿工件尺寸的变化。 自动补偿装置的组成:测量装置、信号转换装置或控制装置、补偿装置三部分组成。(具体见图5-17;尺寸公差带
10、的补偿5-18) 为了避免偶然误差,要将连续的几个补偿信号记入,然后再进行补偿。,2019/4/15,22,用加工好的工件尺寸大小确定未加工件的刀具补偿量,加工内孔时尺寸公与补偿带差带,考虑了加工的热变形等原因后的结果,2019/4/15,23,刀具补偿装置的典型机构与应用 采用尺寸控制原则:自动补偿装置多采用下述两种情况 对于无心磨床、立式磨床和卧式双面磨床等,自动化的镗床补偿运动. 其补偿运动多由补偿装置驱动砂轮和导轨座来实现。具体见图5-19 将喷嘴的端面与砂轮的工作表面调平行 具体见图5-20 镗孔刀具的自动补偿 一般有两种形式:利用镗杆的轴线与机床主轴的偏心进行自动补偿。 利用镗杆或
11、刀架的弹性变形来实现自动补偿。 对于精加工的自动化镗床多由特殊的镗杆结构来实现,2019/4/15,24,双端面磨床的自动补偿装置,气动喷嘴测量装置,2019/4/15,25,可要,2019/4/15,26,可要,2019/4/15,27,可要,2019/4/15,28,第四节自动化加工过程的检测和监控 刀具磨损和破损的检测和监控 刀具磨损、破损检测和监控 在自动化制造系统中,必须设置刀具磨损、破损的检测与监控装置,以防止可能产生的工件成批报废和设备事故。 刀具磨损的检测与补偿 刀具磨损的直接检测与补尝;刀具磨损的间接检测与补尝 可以直接检测刀具的磨损量,并通过控制系统和补偿机构对相应的尺寸误
12、差进行补偿 。具体见图5-26,2019/4/15,29,刀具磨损的间接检测与补尝 刀具的磨损区往往很难直接测到,常常通过测量切削力切削力矩、切削温度、振动参数、噪声和加工表面的粗糙度等来判断磨损程度。 就是根据切削力的变化判别刀具的磨损程度的。测量是对车刀进行测量 对于加工中心而言测量装置是无法装在刀具上,一般情况下,就装在主轴的轴承上,这种轴承称为测力轴承。通过测量测力轴承的受力情况来确定刀具的磨损情况。具体见图5-28,2019/4/15,30,切削力检测的原理图,刀具磨损的间接检测与补尝,2019/4/15,31,2019/4/15,32,图5-29通过检测切削过程中的振动信号来确定刀
13、具的磨损和破损情况,刀具振动磨损检测系统框图,2019/4/15,33,图5-30通过激光检测工件表面的粗糙度,用发射光的强弱实施在线检测刀具的磨损和破损。,2019/4/15,34,根据经验法判断,刀具的寿命定在急剧磨损之前,通常用刀具的寿命减去使用时间,当下一道工序的使用时间大于剩余刀具寿命,就要换刀。,2019/4/15,35,刀具破损的监控方法 1 探针式监控 具体见图5-32,当有钻头折断在加工孔中,滑杆会后移,感应开关就发出信号,2019/4/15,36,2 光控式监控 具体见图5-33 通过光源与光敏元件,检测光路的断通来实现。自动化加工设备的功能监控与故障诊断,2019/4/1
14、5,37,3气动式监控 过程与光控式监控相同。图5-34,2019/4/15,38,4电磁式监控 图5-35给出了具体检验装置,2019/4/15,39,5 主电机的负荷监控 由于切削力矩的变化,会引起主电机的负荷发生变化,主电机功率的检测能判别刀具的破损情况。 6 声发射监控 在工件加工过程中,刀具的加工状态会通过切削声音随时反映出来,通过提取工件加工过程中的噪声就能判别刀具的破损。,2019/4/15,40,自动化加工设备的功能监控与故障诊断 监控系统的概念与组成 切削过程的监控就是在加工状态下对工具、工件、机床和切削过程的信息进行自动检测、处理、识别、判断及状态反馈控制。 其中监视检测系
15、统的组成:切削过程参数传感器元件、信号处理元件、接口电路和识别决策单元等组成 加工过程监控的内容:工序监控、工件监控、工件装夹监控、尺寸与形状误差监视、表面粗糙度的监视等 机床运动过程监控的内容:包括驱动系统的监控(监视机床的运动)、主轴轴承与主轴回转部件的监控(主轴回转误差)、机床状态监控(状态传感器的参数)、加工精度监控(包括机床误差、刀具误差、工件误差、夹具误差)等,2019/4/15,41,检测与控制系统,故障诊断 加工设备的故障诊断包括:识别设备的现状、预测设备未来可能会出现的故障。一般由三个过程组成:状态检测(采集机床状态信息、处理状态信息、获得状态参数)、识别诊断(根据所获得的状态参数、识别机床是否正常运行以及今后的状态趋势)、决策预防(诊断异常根据状态趋势采取预防措施)等,2019/4/15,42,监控与故障诊断传感器 按检测的物理量分:有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等;按工作原理分:应变式、电压式、 电容式等 柔性制造系统的监控与故障诊断 FMS 的监控系统: 包括:运行状态检测模块、控制信息监控模块、加工设备监控模块、加工精度检测模块和系统安全监控模块。 具体见图5-37,2019/4/15,43,FMS 检测监控系统组成,2019/4/15,44,FMS 故障诊断专家系统推测模型,
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