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第五章 检测过程自动化,检测是企业产品质量管理的技术基础，也是制造系统不可缺少的一个重要组成部分。在机械加工过程中应用检测技术，可以保障高投资自动化加工设备的安全和产品的加工质量，避免重大的加工事故，提高生产率和机床设备的利用率。随着现代制造技术、自动控制技术、计算机技术、人工智能技术以及系统工程技术的发展，各种新型刀具、材料及昂贵的加工设备的使用更加大了检测的难度，传统的人工检测技术已远远不能满足生产加工的要求。因此，各种先进的自动化检测技术和识别技术应运而生。,第一节 制造过程的检测技术,一、基本概念检测技术是机械制造系统不可缺少的部分，它在机械制造领域中占有十分重要的地位。制造过程的检测技术就是采用人工或自动的检测手段，通过各种检测工具或自动化检测装置，为控制加工过程、产品质量等提供必要的参数和数据。这些参数和数据可以是几何的、工艺的或物理的。,检测与组成加工系统之间的关系，如图5-2所示。1）定位子系统：建立刀具与被加工工件的相对位置。2）运动子系统：为加工提供切削速度及进给量。3）能量子系统：为加工过程改变工件形状提供能量保证。4）检测子系统：为控制加工过程、产品质量等提供必要的 数据信息。5）控制子系统：对加工系统的信息输入和传递进行必要的 控制，以保证产品质量，提高加工效率，降低成本。它可以是人工控制，也可以是 自动控制。,对加工后的工件进行检测，仅能起到剔除废品的作用，因此检测过程是被动的；对加工中的工件进行检测，并根据检测结果通过控制系统对加工过程进行控制，这种方式能防止废品的产生，检测过程是主动的；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。检测方法按其在制造系统中所处位置可分为下列几种方式：（1）直接测量与间接测量（2）接触测量和非接触测量（3）在线测量和离线测量,二、检测装置 要实现加工过程中的各种检测都要借助于一定的检测装置。如在机械加工系统中，所需的检测要素大致可分为对产品的检测要素和对加工设备的检测要素。其中，产品所需检测要素包括精度、粗糙度、形状、缺陷等；而对加工设备所需检测要素则包括切削负荷、刀具磨损及破损、温升、振动、变形等。对于上述众多的检测项目，采用的检测手段一般可分为人工检测和自动检测两种。其中，人工检测主要是人操作检测工具，收集分析数据信息，为产品质量控制提供依据；而自动检测则是借助于各种自动化检测装置和检测技术，自动地灵敏地反映被测工件及设备的参数，为控制系统提供必要的数据信息。,随着自动化检测技术的发展，各种各样的自动化检测装置也应运而生。机械制造过程所使用的自动化检测装置的范围是极其广泛的。从制品（零件、部件和产品）的尺寸、形状、缺陷、性能等的自动测量，到成品生产过程各阶段上的质量控制；从对各种工艺过程及其设备的调节与控制，到实现最佳条件的自动生产，其中每一方面都离不开自动检测技术。根据不同需要制造的各种自动检测装置，如用于工件的尺寸、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、电动测微仪和采用电涡流方式的检测装置；用于工件表面粗糙度检测用的表面轮廓仪；用于刀具磨损或破损的监测用的噪声频谱、红外发射、探针测量等测量装置；也有利用切削力、切削力矩、切削功率对刀具磨损进行检测的测量装置。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。,三、自动化检测方法 自动化检测有如下优点：检测时间短并可与加工时间重合，使生产率进一步提高；排除检测中人为的观测误差和操作水平的影响；迅速及时地提供产品质量信息和有价值的数据，以便对加工系统中工艺参数及时进行调整，为加工过程的实时控制提供了条件，这是人工检测所不能胜任的。在机械加工中自动化检测方法有两种：,1产品精度检测 产品精度检测是在工件加工完成后，按验收的技术条件进行验收和分组。2工艺过程精度检测 工艺过程精度检测能预防废品的产生，从工艺上保证所需的精度。,计算机技术和电子技术的发展应用对自动检测领域的影响是很大的，它使自动检测的范畴，从被加工工件尺寸和几何参数的静态检测，扩展到对加工过程各个阶段的质量控制；从对工艺过程的监测扩展到实现最佳条件的自适应控制检测。自动化检测技术不仅是现代制造系统中质量管理分系统的技术基础，而且已成为现代制造加工系统不可缺少的一个重要组成部分。,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。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为：1.离线检测 在自动化制造系统生产线以外进行检测，其检测周期长，难以及时反馈质量信息。,第二节 加工尺寸的自动测量,2.过程中检测这种检测是在工序内部，即工步或走刀之间，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。检测结果直接输入机床数控系统，修正机床运动参数，保证工件加工质量。3.在线检测在线检测的主要手段是利用坐标测量机综合检测经过加工后机械零件的几何尺寸与形状位置精度。坐标测量机按精度可分为生产型和精密型两大类；按自动化水平可分为手动、机动和计算机直接控制三大类。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。,二、自动测量机构 1.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装置完成的。在大批量生产条件下，只要将自动测量装置安装在机床上，操作人员不必停机测量工件尺寸，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、停止进给、退刀和停车等）。其自动测量原理如图5-4所示。,2.三坐标测量机 三坐标测量机又称计算机数控三坐标测量机，它是现代加工自动化系统中的测量设备。三坐标测量机不仅可以在计算机控制的制造系统中直接利用计算机辅助设计和制造系统中的编程信息对工件进行测量和检验，构成设计制造检验集成系统，而且能在工件加工、装配的前、后或过程中给出检测信息并进行在线反馈处理。,3.三维测头的应用 三坐标测量机的测量精度很高。为了保证它的高精度测量，避免因振动、环境温度变化等造成的测量误差，必须将其安装在专门的地基上和在很好的环境条件下工作。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可靠的零件，显然是不经济的。一个解决方法是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，该机床就能象三坐标测量机那样工作。,4.激光测径仪 激光测径仪是一种非接触式测量装置。常用在轧制钢管、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高、振动大等恶劣条件下的尺寸检测。激光测径仪包括光学机械系统和电路系统两部分。其中光学机械系统由激光电源、氦氖激光器、同步电动机、多面棱镜及多种形式的透镜和光电转换器件组成。而电路系统主要由整形放大、脉冲合成、填充计数、微型计算机、显示器和电源等组成。,三、加工过程的在线检测和补偿 1.自动在线检测 自动在线检测，一般是指在设备运行、生产不停顿的情况下，根据信号处理的基本原理，跟踪并掌握设备的当前运行状态，预测未来的状况并根据出现的情况对生产线进行必要的调整。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。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，而这些出现的信号都离不开在线检测。,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的不同，将自动在线检测大致分为：自动检测、机床监测和自适应控制。,（1）自动检测 指主动自动检测，即加工中测量仪与机床、刀具、工件等设备组成闭环系统。通过在线检测装置将测得的工件尺寸变化量经信号转换和放大后送至控制器，控制执行机构对加工过程进行控制。（2）机床监测 检测系统从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信息。这类信息一般为实时输入和连续传输的信息流。机床监测的基本方法是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，并利用比较的差值对机床进行优化控制。（3）自适应控制 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。,2.自动补偿 加工过程的自动调整（自动补偿）是上述自动检测技术的进一步发展。在机械加工系统中，刀具磨损是直接影响被加工工件尺寸精度的因素。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机床本身的精度和调整精度。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。尤其是对自动化生产线，不仅影响全线的生产效率，而且产品的质量也不能保证。因此，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。目前，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，控制补偿装置，实现脉动补偿，其工作原理如图5-8所示。,所谓补偿，是指在两次换刀之间进行的刀具多次微量调整，以补偿刀刃因磨损对工件加工尺寸带来的影响。每次补偿量的大小取决于工件的精度要求，即尺寸公差带的大小和刀具的磨损情况。每次的补偿量愈小，获得的补偿精度就愈高，工件尺寸的分散范围也愈小，对补偿执行机构的灵敏度要求也愈高。,根据误差补偿运动实现的方式，可分为硬件补偿和软件补偿。硬件补偿是由测量系统和伺服驱动系统实现的误差补偿运动。目前多数机床的误差补偿都采用这种方法。而软件补偿主要是针对象三坐标测量机和数控加工中心这样结构复杂的设备。,一、刀具的自动识别 在机械加工过程中最为常见的故障便是刀具状态的变化。刀具状态识别、检测与监控是加工过程检测与监控最为重要最为关键的技术之一。刀具状态的识别、检测乃至监控对降低制造成本、减少制造环境的危害，保证产品质量，具有十分重要的意义。刀具的自动识别主要是在加工过程中能在线识别出切削状态（刀具磨损、破损、切屑缠绕以及切削颤振等）。关于刀具状态识别的方法较多，目前主要有基于时序分析刀具破损状态识别、基于小波分析刀具破损状态识别、基于电流信号刀具磨损状态识别以及基于人工神经网络刀具磨损状态识别等方法。,第三节 刀具的自动识别和监测,二、刀具尺寸测量控制系统 刀具检测技术与刀具识别技术往往是紧密联系在一起的，刀具的检测是建立在刀具识别的基础上的。在自动化的制造系统中，必须设置刀具磨损、破损的检测与监控装置，以防止发生工件成批报废和设备损坏事故。（1）直接测量法 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补偿，保证各加工表面应具有的尺寸精度。（2）间接测量法 在大多数切削加工过程中，刀具的磨损量往往因为被工件、切屑等所遮盖而很难直接测量。因此，目前对刀具磨损的测量，更多的是采用间接测量方式。,三、刀具的自动监控 随着柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）等自动化加工系统的发展，对加工过程刀具切削状态的实时在线监测技术的要求越来越迫切。原来由人观察切削状态，判别刀具是否磨、破损的任务改由自动监控系统来承担。因此该系统的好坏，直接影响加工自动化系统的产品质量和生产效率，严重时还会造成重大事故。据统计，采用监控技术后，可减少人和技术因素引起故障停机时间75%。目前，刀具的监控主要集中在刀具寿命、刀具磨损、刀具破损以及其它形式的刀具故障等方面。,（1）刀具寿命自动监控 刀具寿命检测原理是通过 对刀具加工时间的累计，直接监控刀具的寿命。（2）刀具磨损、破损的自动监控,一、监控系统的组成、要求和分类 对加工过程的监控是机械制造自动化的基本要求之一。加工过程的在线监控涉及很多相关技术，如传感器技术、信号处理技术、计算机技术、自动控制技术、人工智能技术以及切削机理等。,第四节 加工设备的自动监测,1.组成 自动化加工监控系统主要由信号监测、特征提取、状态识别、决策和控制四个部分组成，如图5-15所示。（1）信号检测 信号检测是监控系统的首要一步，加工过程的许多状态信号从不同角度反映加工状态的变化。,（2）特征提取 特征提取是对检测信号的进一步加工处理，从大量检测信号中提取出与加工状态变化相关的特征参数，目的在于提高信号的信噪比，增加系统的抗干扰能力。（3）状态识别 状态识别实质上是通过建立合理的识别模型，根据所获取加工状态的特征参数对加工过程的状态进行分类判断。（4）决策与控制 根据状态识别的结果，在决策模型指导下对加工状态中出现的故障做出判决，并进行相应的控制和调整，例如改变切削参数、更换刀具、改变工艺等。要求决策系统实时、快速、准确、适应性强。,2.要求 加工过程、机床以及刀具工况监控是自动化加工监控系统具有的三个主要任务。各个任务除了选好状态变量之外，还必须满足如下的一些要求：（1）同加工过程往往需要监控多个状态变量，仅监控一个状态变量是不够的；（2）由于自动化加工系统本身的加工特性，必须监测振动情况，在多轴加工的情况下，还必须选择观测方向；（3）系统中必须采用相应的识别控制程序对加工过程出现的异常状态进行识别；（4）由于交换部件、刀具的数量大、控制程序长，因此，必须监测加工过程的初始条件。,二、加工设备的故障诊断所谓诊断就是对设备的运行状态做出判断。设备在运行过程中，内部零部件和元器件因为受到力、热、摩擦、磨损等多种作用，其运行状态不断变化，一旦发生故障，往往会导致严重后果。因此必须在设备运行过程中对设备的运行状态及时做出判断，采取相应的决策，在事故发生以前就发现并加以消除。,加工设备的自动监控与故障诊断主要有四个方面的内容：（1）状态量的监测 状态量监测就是用适当的传感器实时监测设备运行状态是否正常的状态参数。,（2）加工设备运行异常的判别 运行异常的判别是将状态量的测量数据进行适当的信息处理，判断是否出现设备异常的信号。（3）设备故障原因的识别 识别故障原因是故障诊断中最难、最耗时的工作。（4）控制决策 找出故障发生的地点及原因后，就要对设备进行检修，排除故障，保证设备能够正常工作。,状态监测是故障诊断的基础，故障诊断是对监测结果的进一步分析和处理，而控制决策是在监测和诊断基础上做出的。因此，三者之间必须紧密集成在一起。,一、无损探伤检测技术 无损探伤检测是在不破坏或损伤原材料和工件等受检对象的前提下，测定和评价物质内部或外表的物理和力学性能，包括各类缺陷和其他技术参数的综合性应用技术，对于控制和改进生产过程和产品质量，保证材料、零件和产品的可靠性及提高生产率起着关键的作用，是发展现代工业必不可少的重要技术措施之一。无损探伤检测技术在材料加工、零件制造、产品组装直至产品使用的整个过程中，不仅起到保证质量、保障安全的监督作用，还在节约能源及资源、降低成本、提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用。,第五节 相关的检测技术,无损探伤检测作为一项工业技术，从应用角度来说，主要有三种形式：一是在生产过程质量控制中的无损检测，即应用于产品的质量管理。它可以剔除每道生产工序中的不合格产品，并把检测结果反馈到生产工艺中去，指导和改进生产，监督产品的质量。二是用于成品的质量控制，即用于出厂前的成品检验和用户验收检验。它主要是检验产品是否达到设计性能，能否安全使用。三是在产品使用过程中的检测，即维护检验。它是用户在使用产品或设备的过程中，经常地或定期地检查是否出现危险性缺陷而采用无损检测方法。,1.磁粉探伤检测磁粉探伤检测是通过铁磁性材料的磁性变化来探测铁磁性材料工件表面和近表面是否有缺陷的一种无损检测方法。它具有设备简单、操作方便、检验速度快、观察缺陷直观和有较高的检测灵敏度等优点。因此，在工业生产中得到了广泛的应用。,磁粉探伤检测可以检测铁磁性材料和构件的表面或近表面的缺陷，对裂纹、发纹、折叠、夹层和未焊透等缺陷较为灵敏，通常采用交流电磁化可以检测表面下2mm以内的缺陷，采用直流电磁化可以检测表面下6mm以内的缺陷。,磁粉检测设备有固定式、移动式和手提式三种类型，对各种大小不同的零部件、结构件、装置和设备都可以进行检查。建立磁场的方式有恒磁法和电磁法，前者使用永久磁铁，后者利用电流的磁场，显示介质主要是磁粉和磁悬液。,磁粉探伤的优点主要有：（1）显示直观，磁痕一般比裂纹尺寸大，易于观察。（2）探测灵敏度高，最小缺陷宽度可达0.1微米。（3）适应性好，对于几何形状复杂的工件，可以采用不同的磁化方法，对工件进行有效的全面检查。（4）设备简单，成本低，操作方便，效率高。,其缺点是：（1）只限于铁磁性材料的检查，主要包括碳钢、高强度合金钢、电工钢。（2）只能够检查工件的表面及近表面缺陷。（3）不能定量测出缺陷的深度。（4）必须用人眼来观察，易造成操作人员的疲劳。,2.超声波探伤检测超声波探伤检测可探测厚度较大的材料，且具有检测速度快、费用低并能对缺陷进行定位和定量，对人体无害及对危害较大的平面缺陷的探测灵敏度高等优点，在生产实践中已获得了广泛的应用。,超声波用于无损探伤检测，主要是因为具有以下特性：（1）超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射；（2）超声波指向性好，频率愈高，指向性愈好；（3）超声波传播能量大，对各种材料的穿透力强。而 且超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性为超 声波的应用提供了丰富的信息。,超声波检测的最大优点就是对裂纹、夹层、折叠、未焊透等类型的缺陷具有很高的检测能力。超声波检测也有一定的局限性，主要表现为：超声波检测的记录性差，无法比较直观地判断缺陷的几何形状、尺寸和性质；超声波检测技术难度较大，其效果和可靠程度往往受到操作人员技术水平的影响。,超声波检测对于平面状的缺陷如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波。但是对于球状缺陷如气孔，假如气孔不是很大，或不太密集，就难以获得足够的回波。,3.射线探伤检测射线就是指X射线、射线、射线、射线、电子射线和中子射线等，其中X射线、射线、中子射线易于穿透物体，但在穿透物体的过程中受到吸收和散射。因此，其穿透物体后的强度就小于穿透前的强度。衰减的程度由物体的厚度、材质以及射线的种类而定。当厚度相同的板材含有气孔时，有气孔的部分不吸收射线，容易通过。相反如果混进容易吸收射线的异物时，这些地方的射线难于通过。因此，用强度均匀的射线照射被检测的物体，使透过的射线在照相胶片上感光，把胶片显影后就可得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片，通过对这种底片的观察来检验缺陷的种类、大小、分布状况等，这种检验就称为射线照相法探伤检测。此外还有电离检测法和荧光屏直接观察法。,射线探伤检测的优点：（1）对缺陷形象检测直观，对缺陷的尺寸和性质判断比较容易，便于分析处理。（2）射线照相底片可作为原始的资料长期保存。（3）利用图像处理技术可以实现缺陷评定分析自动化。射线探伤检测的缺点：（1）对人体有害，在检测中必须注意防护。（2）相对于其它的检测方法而言，射线探伤检测的 成本较高。,4.涡流探伤检测涡流探伤是广泛应用于导电材料检测的一种常规方法。它的原理与超声、磁粉、射线等检测方法都不同。涡流检测只适用于导电材料，因为只有导电材料才能产生涡流。所谓涡流，就是指能导电的试件，在周围交变磁场的作用下，在导电试件中感应出漩涡状的电流，简称涡流。,涡流探伤检测是以电磁感应理论作为基础的。一个简单的涡流检测系统包括一个高频的交变电压发生器、一个检测线圈和一个指示器。高频的交变电压发生器（振荡器）供给检测线圈以激励电流，从而在试件周围形成一个激励磁场，这个磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化。而涡流磁场中就包含了试件好坏的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化，便可以分析判断试件中是否存在缺陷。,对于相同的试件，化学成分、电导率等都是固定的，因而在一般情况下，涡流按小圆环流动，但如果在涡流流动的路径上有一条裂纹或一个凹坑等缺陷，涡流的流动就会受到影响，涡流在缺陷附近将发生畸变。这畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，而被检测线圈接收到，所以可以用涡流来检测试件中的缺陷。,二、气密性检测技术气密性检测是电子、机械、化工及其他科研产品中常用的质检项目。气密性通常是指具有一定几何空间容器的密闭程度，对于大部分有气密性要求的检测件，气体的泄漏量是一个小量。针对产品的不同气密性要求有不同的检测方法。,1.干式气密性检测（1）压降法（2）流量测量法（3）氦气泄漏检测法（4）压差式泄漏检测法,2.湿式气密性检测 湿式气密性检测是一种传统的方法，又称湿式浸水法，即在被检测工件的密封腔内充入一定压力的气体，然后浸入水中，由工人来观察是否有气泡产生。由于该方法简单并且直观，便于在生产中实施，目前很多生产厂家采用湿式浸水法来对零件进行气密性检验。,湿式气密性检测方法的缺点：（1）工件必须浸入水中，检测后需对工件进行烘干，为了防止工件生锈，常常需用煤油，酒精等液体来替代水，提高了测试成本。（2）检测结果受到操作人员个人能力的限制，难以严格控制产品质量，尤其是有时泄漏的微小气泡会吸附在被测零件表面，未及时升到水面上来，容易造成误检。（3）工人作业环境恶劣，劳动强度大。（4）主要依赖人工观察、判断，无法代之以自动检测，不易纳入自动生产线中使用。,