智能數(shù)控機床與編程 課件 第7章 智能制造加工過程監(jiān)測

第7章智能制造加工過程監(jiān)測

7.1加工過程監(jiān)測內(nèi)容7.2傳感器7.3加工過程中的刀具監(jiān)測7.4加工過程的熱特性檢測7.5數(shù)控加工在機測量7.6本章小結(jié)

思維導(dǎo)圖（1）熟悉加工過程監(jiān)測內(nèi)容；（2）了解加工過程監(jiān)測常用傳感器；（3）熟悉加工過程刀具監(jiān)測內(nèi)容與方法；（4）了解加工過程熱特性檢測方法；（5）熟悉在機測量方法與意義。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

一、加工過程監(jiān)控

二、加工過程監(jiān)測主要實現(xiàn)

§7.1加工過程監(jiān)測內(nèi)容

本節(jié)的重點：加工過程監(jiān)控。

工作原理一、加工過程監(jiān)控通過對刀具磨損的研究，實現(xiàn)加工狀態(tài)監(jiān)控；通過測力儀或測量電機電流等方式間接獲得切削力情況，對加工過程狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)；對CAM領(lǐng)域的參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化。隨著傳感器技術(shù)、模式識別技術(shù)、信號處理技術(shù)的發(fā)展，加工過程的監(jiān)測內(nèi)容更加豐富，加工監(jiān)控的主要方面如圖7-1所示。圖7-1加工過程監(jiān)控的主要方面

控制過程一、加工過程監(jiān)控智能數(shù)控機床的典型做法是在機床的關(guān)鍵位置安裝振動、溫度、位置、視覺傳感器，收集數(shù)控機床的電控實時數(shù)據(jù)以及機床加工過程中的運行環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)加工過程的不同層面的監(jiān)測與控制，如圖7-2所示。圖7-2加工過程不同層面的監(jiān)測與控制二、加工過程監(jiān)測主要實現(xiàn)加工過程仿真與優(yōu)化針對不同零件的加工工藝、切削用量、進(jìn)給速度等影響加工質(zhì)量的參數(shù)，通過對加工過程模型的仿真，進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測和優(yōu)化選取，進(jìn)而生成優(yōu)化的加工過程控制指令。過程監(jiān)控與誤差補償利用各種傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)，對加工過程中的振動、切削溫度、刀具磨損、加工變形以及設(shè)備的運行狀態(tài)與健康狀況進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實時調(diào)整加工參數(shù)，并對加工過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行實時補償。利用網(wǎng)絡(luò)和通信功能，還可將監(jiān)測得到的實時信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，以及車間管理MES系統(tǒng)。加工過程的智能監(jiān)測與控制在智能制造技術(shù)的實現(xiàn)中起著十分關(guān)鍵的作用。

一、傳感器功能

二、傳感器分類

三、智能傳感器

§7.2傳感器

本節(jié)的重點：傳感器分類。一、傳感器功能傳感器位于被測對象之中，是監(jiān)測系統(tǒng)的前端，為系統(tǒng)提供處理和控制所需的原始信息。某個具體過程、物態(tài)的動態(tài)監(jiān)測或控制能否實現(xiàn)，歸根結(jié)底為能否找到一些恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骺烧鎸嵉?、迅速地、全面地反映該物態(tài)或過程的特征，并將其變換成便于識別、傳輸、接收、處理和控制的信號。傳感器在監(jiān)測系統(tǒng)中是聯(lián)系非電子部件與電子部件的橋梁，是實現(xiàn)制造過程監(jiān)測、診斷與控制的重要環(huán)節(jié)。傳感器用來直接感知被測物理量，把它們轉(zhuǎn)換成便于在通道間傳輸或處理的電信號。智能制造中使用的傳感器應(yīng)具有三方面的能力：一是能感知被測量（大多數(shù)是非電量）；二是能把被測量轉(zhuǎn)換為電氣參數(shù)；三是能形成便于通道接收和傳輸?shù)碾娦盘?。二、傳感器分?.傳感器按照檢測參數(shù)分類傳感器按要求檢測的參數(shù)的類型來分類，見表7-3。表7-3被測參量傳感器分類二、傳感器分類2.傳感器按照傳感方法分類傳感方法是指基于某種物理效應(yīng)或材料的特性使傳感器完成能量變換，從而引起某個參量發(fā)生變化，形成與被測量成比例的輸出。傳感器按傳感方法的不同可歸納為以下幾種類型：1）能量變換傳感器能量從被測系統(tǒng)提取，轉(zhuǎn)換為一種與它等價的電的形式。

2）阻抗控制傳感器由被測物理量變化引起相應(yīng)的電路參數(shù)的變化，從而可以通過檢測電路形成電流和電壓變化的輸出。3）平衡反饋傳感器具有反饋的特性，這種反饋特性是輸入物理量和一個與它對抗的電量相平衡的效應(yīng)，指示出達(dá)到平衡所需的勢值就給出了被測物理量的值。二、傳感器分類3.傳感器按照輸出電信號形式分類1）開關(guān)式傳感器開關(guān)式傳感器工作特性為：當(dāng)輸入物理量高于某一閾值時，傳感器處于接通狀態(tài)，以低電平（或高電平）輸出；當(dāng)輸入物理量低于某一閾值時，傳感器工作在另一種開斷狀態(tài)，輸出高電平（或低電平）。例如限位開關(guān)傳感器，輸出是以高、低電平形式變化。2）數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器共同的特點是精度較高且便于與微機接口。這類傳感器可分為直接數(shù)字傳感器、頻率式傳感器和脈沖傳感器。3）模擬式傳感器模擬式傳感器輸出的量以各種連續(xù)量的形式出現(xiàn)，可以是電壓、電流、電阻、電容、電感等。這種連續(xù)變化量需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，以與數(shù)字系統(tǒng)連接。三、智能傳感器智能傳感器是一種帶有微處理器的敏感探頭，是兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。以集成化為特點，這類傳感器將敏感檢測、信息處理及微處理器集成在一塊芯片上。智能傳感器的智能作用表現(xiàn)為以下幾個方面：綜上，較完善的智能傳感器實際上已經(jīng)可以構(gòu)成智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)，只不過它不是分散的部件，而是集成于一塊芯片的統(tǒng)一整體，是高度集成化的產(chǎn)品。各個環(huán)節(jié)集成于同一芯片，不但使傳感器處于相同溫度，有利于進(jìn)行溫度補償或修正，而且節(jié)省調(diào)試校驗時間，促進(jìn)系統(tǒng)向小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。（1）提高傳感器的性能（2）自檢與自診斷（3）多功能化

一、加工過程中刀具振動監(jiān)測

二、加工過程中刀具磨損監(jiān)測

§7.3加工過程中的刀具監(jiān)測

本節(jié)的重點：加工過程中刀具振動監(jiān)測。一、加工過程中刀具振動監(jiān)測刀具振動是刀具在切削過程中，因主軸-刀具-工件系統(tǒng)在內(nèi)外力或系統(tǒng)剛性動態(tài)變化下在三維空間內(nèi)所發(fā)生的不穩(wěn)定運動，其位移具有方向性，主要表現(xiàn)為：刀具刀尖平面到工件表面縱向的垂直位移；刀具刀尖在平行于工件表面的平面內(nèi)所產(chǎn)生的橫向位移；因刀具扭轉(zhuǎn)振動所產(chǎn)生的刀尖平面與工件表面的夾角，如圖7-4所示。加工過程中，外部擾動、切削本身的斷續(xù)性或切屑形成的不連續(xù)性引起的強迫振動、因加工系統(tǒng)本身特性所導(dǎo)致的自激振動和切削系統(tǒng)在隨機因素作用下引起的隨機振動會直接導(dǎo)致刀具三維振動軌跡在時間、方向和空間上的變化，所以需要對刀具振動進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。圖7-4刀具空間三維振動示意圖一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（1）測振傳感器的選擇測振傳感器是在傳感器線性頻率范圍內(nèi)，將感應(yīng)的物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號。測振傳感器的種類很多，依測量方式分為接觸式和非接觸式，依測量振動物理量可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器。振動傳感器中，檢測量主要有位移、速度和加速度，三者之間可相互換算。結(jié)合振動測量的要求和工作環(huán)境，可采用ICP傳感器測量主軸、工件的振動情況，利用數(shù)采系統(tǒng)對ICP供電。采用ST系列電渦流傳感器測量刀具的振動位移信號，。電渦流傳感器的安裝范圍與被測物體保持在3mm左右，由于與高速旋轉(zhuǎn)的被測物體距離很近，所以夾緊裝置應(yīng)足夠堅固且穩(wěn)定性好，需要一定的安裝技巧。一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（2）切削振動信號的采集系統(tǒng)的組成切削振動檢測可采用DH5922數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以實現(xiàn)切削力與切削振動的同步采集。信號采集端口分別接入PCB加速度傳感器，測量刀具主軸和工件的振動；用電渦流位移傳感器采集刀具切削時的振動情況；用kistler9257B壓電晶體傳感器測量加工過程中工件所受的切削力。切削力測試系統(tǒng)示意圖如圖7-5所示。圖7-5切削力測試系統(tǒng)示意圖一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（2）切削振動信號的采集系統(tǒng)的組成信號由各類傳感器獲取后，傳入DH5922數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行采集，數(shù)采系統(tǒng)有12個采集通道，可實現(xiàn)力與振動信號的同時采集。設(shè)定1~3通道為動態(tài)切削力采集通道，4~9通道分別采集主軸振動和工件振動加速度信號，10~11通道采集刀具行距和進(jìn)給方向的位移。數(shù)采系統(tǒng)將各通道采集的信號打包，通過1394接口傳送到計算機中，應(yīng)用DHDAS5920動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)完成信號的分析和預(yù)處理。一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（3）切削振動信號的處理首先需要對傳感器采集的信號進(jìn)行簡單的預(yù)處理，以消除采集過程中明顯的噪聲干擾，提高信號的真實度，為后續(xù)的信號分析奠定基礎(chǔ)。通常應(yīng)用的預(yù)處理方法有剔點處理、消趨勢項等方法。信號預(yù)處理后，進(jìn)行切削振動信號的時/頻域特征分析。時頻域分析方法是比較基礎(chǔ)的信號分析方法。時域具有直觀、快捷的特點，尤其對于帶有明顯振動特征的振動信號來說，采用時域分析觀察信號的峰值、有效值及平均值，容易分辨。時域分析可以有效地觀察信號的頻率復(fù)雜程度、有無明顯沖擊和故障等因素。一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（3）切削振動信號的處理剔點處理在傳輸信號過程中，由于信號采集系統(tǒng)的硬件或軟件原因造成信號突然損失或夾雜外界突現(xiàn)的干擾信號等現(xiàn)象，這些點的存在會提高噪聲水平，使功率譜密度產(chǎn)生偏離，進(jìn)而嚴(yán)重影響對信號的分析結(jié)果，需要剔除掉，稱為剔點。消趨勢項在采集振動信號過程中，由于傳感器周圍的環(huán)境干擾產(chǎn)生的低頻性能不穩(wěn)定等因素，會導(dǎo)致振動信號起始點偏離基準(zhǔn)線。趨勢項的存在往往使信號在進(jìn)行FFT變換時在0Hz附近存在很大的值，進(jìn)而導(dǎo)致分析結(jié)果的偏離。圖7-6所示為動態(tài)切削力數(shù)據(jù)消除趨勢項前后的頻譜圖對比。一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（3）切削振動信號的處理圖7-6動態(tài)切削力數(shù)據(jù)消除趨勢項前后的頻譜圖對比一、加工過程中刀具振動監(jiān)測（4）振動信號的特征量提取特征提取是提取能夠表征信號的全新特征量的過程，在廣義上是指一種變換。選擇變換或供提取特征的函數(shù)及方法不同，特征提取的類別和適用范圍就不同。切削信號的特征提取是機床顫振預(yù)報的基礎(chǔ)，主要分為以下幾類：1）利用時域分析提取特征2）應(yīng)用傅里葉頻域變換提取振動信號特征3）應(yīng)用小波包分解算法提取振動信號特征二、加工過程中刀具磨損監(jiān)測（1）刀具監(jiān)測系統(tǒng)刀具磨損監(jiān)測，主要是一個模式識別過程。如圖7-7所示，一個刀具監(jiān)測系統(tǒng)由研究對象（具體某類型加工過程）、傳感器信號采集、信號處理、特征提取及選擇、模式識別等模塊組成。圖7-9刀具監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成二、加工過程中刀具磨損監(jiān)測（1）刀具監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的基本思路是：將從傳感器信號中提取出的特征量，加上具體加工條件作為一個方面，將加工狀態(tài)作為另一方面，對于兩方面之間存在的非線性相關(guān)關(guān)系采用各種數(shù)學(xué)方法和工具進(jìn)行建模分析。首先確定研究對象，如車刀的磨損監(jiān)測、鉆頭的磨損監(jiān)測或銑刀的磨損監(jiān)測等；其次決定監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用范圍，如工件改變、刀具改變或加工要素改變下的刀具磨損狀態(tài)檢測。二、加工過程中刀具磨損監(jiān)測（2）刀具監(jiān)測方法1）直接監(jiān)測方法利用直接式傳感器直接測量刀具磨損區(qū)域的實際尺寸或直接測定刀具刀刃狀態(tài)。直接檢測刀具磨損的傳感器有接觸探測傳感器、光學(xué)顯微鏡、高速攝像機等。2）間接監(jiān)測方法間接監(jiān)測方法通過監(jiān)測與刀具磨損或破損具有相關(guān)性的傳感器信號，間接獲得刀具磨損狀態(tài)。常用的方法主要有：切削力監(jiān)測法、基于聲發(fā)射的監(jiān)測法、基于振動加速度的監(jiān)測法、基于聲音的監(jiān)測法和多傳感器融合監(jiān)測法。3）智能監(jiān)測方法智能監(jiān)測方法是引入人工智能技術(shù)，采用黑箱處理方法，忽略復(fù)雜的過程分析，僅對系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行觀測并建立其等價模型。

一、熱特性檢測儀器

二、溫度測點布置

三、機床主軸熱特性快速辨識

§7.4加工過程的熱特性檢測

本節(jié)的重點：溫度測點布置。一、熱特性檢測儀器數(shù)控機床熱特性檢測與辨識的測量儀器主要包括：紅外熱像儀、激光干涉儀、微位移傳感器和熱電偶等精密儀器，測量數(shù)據(jù)主要包括：機床各內(nèi)熱源作用下各部件的溫升、熱變形、溫度場變化和達(dá)到熱平衡時間等數(shù)據(jù)。數(shù)控機床熱特性檢測儀器和檢驗工具主要包括：（1）具有合適測量范圍、分辨率、熱穩(wěn)定性和精度的位移測量系統(tǒng)，如用于測量由線性軸移動引起熱變形的激光干涉儀，測量環(huán)境或主軸旋轉(zhuǎn)引起熱變形的電容、電感或可伸縮接觸式位移傳感器。（2）具有足夠分辨率和精度的溫度傳感器，如熱電偶、電阻式或半導(dǎo)體溫度計。（3）數(shù)據(jù)采集裝置，如所有通道可連續(xù)監(jiān)視和繪圖的多通道圖像記錄儀，或計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。（4）檢驗棒，采用性能優(yōu)良的鋼材按標(biāo)準(zhǔn)制造。（5）用來安裝位移傳感器的夾具，采用性能優(yōu)良的鋼材按標(biāo)準(zhǔn)制造。一、熱特性檢測儀器在可能的情況下，主軸執(zhí)變形傳感器可以直接靠在主軸端部，以減少檢驗棒熱膨脹的影響。測量儀器精度應(yīng)定期校驗，并在檢驗開始前進(jìn)行熱平衡。圖7-10、圖7-11所示為加工中心主軸熱變形傳感器的安裝位置。圖7-10立式加工中心主軸熱變形傳感器安裝示意圖圖7-11臥式加工中心主軸熱變形傳感器安裝示意圖二、溫度測點布置由于數(shù)控機床熱源的復(fù)雜性、多樣性以及出于成本考慮，對機床溫度傳感器測點的布置要求是：傳感器要盡可能少；傳感器要能夠盡可能準(zhǔn)確地反映機床總體熱特性變化；各個傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)要盡可能獨立，和其他傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)耦合度要小；為了最大限度提高后續(xù)熱變形計算的準(zhǔn)確性，要求傳感器測得的位置溫度相對于熱變形比較敏感，以降低測量誤差對熱變形的影響。為了方便對后續(xù)溫度場監(jiān)控，可采用如下方法進(jìn)行測點的優(yōu)選：（1）通過數(shù)控機床熱特性數(shù)值模擬分析方法獲得機床的溫度場及熱變形；（2）計算待考察的測點之間溫度相關(guān)性系數(shù)，根據(jù)相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行分組；（3）求出待考察測點的熱敏感度，根據(jù)熱敏感度選擇每組中熱敏感度最大的位置作為熱特性監(jiān)控測點的實際布置位置。三、機床主軸熱特性快速辨識該方法流程圖如圖7-12所示。對主軸上各溫度測量點的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取關(guān)鍵點的溫升曲線，可大幅減少實際辨識熱特性操作的時間，實現(xiàn)快速辨識熱態(tài)特性的目的。此方法只需溫度采樣數(shù)據(jù)，無須熱激勵即可達(dá)到辨識目的，結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡單，在較短的時間內(nèi)快速辨識機床主軸熱特性。圖7-12機床主軸熱特性快速辨識方法流程圖

一、在機測量意義

二、在機測量方法

三、在機測量應(yīng)用案例

§7.5數(shù)控加工在機測量

本節(jié)的重點：在機測量方法。一、在機測量意義在機測量，是以數(shù)控機床硬件作為載體，通過測頭、測量軟件等相應(yīng)的軟硬件測量工具，在機床上進(jìn)行在線測量的一種方式。在機測量可進(jìn)行零件自身誤差檢測、夾具和零件裝夾檢測、編程原點測量等，將工件測頭的電源、高速跳轉(zhuǎn)信號、啟停、報警信號接入到機床，在機床的PLC中編寫對應(yīng)的控制程序、測量宏程序，通過機床數(shù)控系統(tǒng)的運動控制與工件測頭中相關(guān)信號進(jìn)行配合，實現(xiàn)工件的端面、內(nèi)部、外部等位置的尺寸測量，并將測得的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)通過宏程序補償?shù)綄?yīng)工件坐標(biāo)系中，從而實現(xiàn)加工零件的測量和誤差補償，提高加工精度。一、在機測量意義智能制造對檢測技術(shù)和工具提出了更高要求，智能機床不可缺少的一個配置就是在機測量功能，包括各種類型的監(jiān)控、檢測裝置（如測頭），在加工過程中可對工件及刀具進(jìn)行在線監(jiān)測，對工件超差、刀具磨損、破損等現(xiàn)象及時報警，進(jìn)行補償或更換刀具。智能制造對機床加工精度和效率有更高要求。隨著測頭精度和質(zhì)量不斷提升，對零件的測量方法也從三坐標(biāo)測量向在機測量過渡，以在機測量為基礎(chǔ)的高效高精度加工的大閉環(huán)CAD、CAM集成系統(tǒng)已經(jīng)成為主流發(fā)展方向。二、在機測量方法根據(jù)測量方式的不同，分為：接觸式測量、非接觸式測量、復(fù)合式測量。（1）接觸式測量

主要是觸發(fā)式和掃描式。觸發(fā)式的測頭坐標(biāo)位置由控制系統(tǒng)鎖定和儲存，其精度由加工中心的定位精度決定。觸發(fā)式測量操作時只需要在測頭觸發(fā)的瞬間立刻鎖定并儲存測頭位置即可，可以取得很高的測量精度，但測量效率有待提高，而且對控制系統(tǒng)的運行速率和周期提出了相應(yīng)要求。掃描式測量是基于觸發(fā)式測量發(fā)展而來，克服了觸發(fā)式測量的不足，提升了測量效率。然而，掃描式測量測出的坐標(biāo)值是測頭位移與機床位移之和，測量結(jié)果包含兩者誤差之和，降低了測量精度。盡管如此，掃描式測量的輪廓精度可以達(dá)到亞微米級，在超精密加工中得到廣泛應(yīng)用。此外，該方法可以檢測刀具破損和機床產(chǎn)生的誤差，對這些誤差也具有一定的補償功能。二、在機測量方法（2）非接觸式測量

激光測量方式是相對較為成熟的非接觸式測量，激光掃描法在三坐標(biāo)測量機上的技術(shù)可以方便地應(yīng)用到在機測量中。三維視覺測量法屬于機器視覺技術(shù)，起步