检测与监控原理

　　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。运行状态检测监控功能主要是检测与收集自动化制造系统各基本组成部分与系统运行状态有关的信息，把这些信息处理后，传送给监控计算机，对异常情况作出相应处理，保证系统的正常运行。加工过程检测与监控功能主要是对零件加工精度的检测和加工过程中刀具的磨损和破损情况的检测与监控。

　　1、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  是指：①刀具是否损坏；②属于哪台机床；③刀具型号；④损坏的形式；⑤有无备用刀具；⑥是否已处理；⑦刀具使用情况统计等。

　　（2）机床状态信息  是指：①机床是否在正常使用；②机床主轴工作情况；③机床工作台工作情况；④换刀机构工作情况；⑤影响加工质量的振动情况；⑥主要的继电器情况；⑦停机时间等。

　　（3）系统运行状态信息  是指：①小车位置状态；②小车空闲情况；③托盘位置；④托盘空闲情况；⑤托盘站空闲情况；⑥工件的位置；⑦机器人工作状态；⑧清洗站是否有工件；⑨中央刀具库刀具情况等。

　　（4）在线尺寸测量信息  是指：①合格信息；②不合格信息(包括可返工、报废、尺寸变化趋势、工件质量综合信息等)。

　　（5）系统安全情况信息  是指：①电网电压情况；②火灾情况；③温度情况；④湿度情况；⑤人员情况等。

　　（6）仿真信息  是指：①零件的数控程序是否准确；②有无碰撞干涉情况；③仿真综合结果情况等。

　　2、工件尺寸精度检测方法

　　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系统中都采用测量工件尺寸的方法来保证产品质量和系统的正常运行。

　　（1）直接测量与间接测量  直接测量的测得值及其测量误差，直接反映被测对象及测量误差（如工件的尺寸大小及其测量误差）。在某些情况下，由于测量对象的结构特点或测量条件的限制，要采用直接测量有困难，只能通过测量另外一个与它有一定关系的量（如通过测量刀架位移量控制工件尺寸），即为间接测量。

　　（2）接触测量和非接触测量  测量器具的量头直接与被测对象的表面接触，量头的移动量直接反映被测参数的变化，称为接触测量。量头不直接与工件接触，而是借助电磁感应、光束、气压或放射性同位素射线等强度的变化来反映被测参数的变化，称为非接触测量。由于非接触测量方式的量头不与测量对象发生磨损或产生过大的测量力，有利于在对象的运动过程中测量和提高测量精度，故在现代制造系统中，非接触测量方式的自动检测和监控方法具有明显的优越性。

　　（3）在线测量和离线测量  在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测称为在线检测或在线检验，有时还对测得的数据分析处理后，通过反馈控制系统调整加工过程以确保加工质量。如果在被测加工对象加工后脱离加工系统再进行检测，即为离线测量。离线测量的结果往往要通过人工干预，才能输入控制系统调整加工过程。在线测量又可分为工序间（循环内检测）和最终工序检测。工序间检测可实现加工精度的在线检测及实时补偿，而最终工序检测实现对产品质量的最终检验与统计分析。

　　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  测量刀具和工件尺寸一般采用接触式测头，测头的安装方式有两种：一种是安装在机床床身上测量刀具的尺寸，称为刀具测头；一种是相当于一个特殊刀具，安装在机床主轴或刀架上测量工件的尺寸，称为工件测头。通过在线测量刀具的位移量和工件新表面的位移量确定刀具的磨损量。

　　（2）放射线法  在刀刃的磨损部分渗入部分同位素，通过测量同位素的辐射量的大小来确定刀具的磨损量（或破损量）。

　　（3）电阻法  其基本原理是：随着刀具磨损量的增加，刀具与工件的接触面增大，因而刀具—工件的接触电阻减少；或把一种精密的电阻材料均匀的涂在刀具的后表面上，随着磨损量的增加，电阻材料不断减少，电阻逐渐下降。

　　（4）光学图象法  光学方法是利用磨损区比未磨损区具有更强的光发射能力的原理，把一束强光照射在后刀面上，根据发射光的强度来判定刀具的使用情况。

　　（5）切削力法  测力仪的安装根据加工条件而定。一般情况是：在车床上将其安装在刀架或刀杆上；在铣床、钻床等机床上，则将其安装在工作台上。利用切削力监测刀具状态有多种实施方案，利用主切削力FX,FY之比FX/FY或FY/FX及其变化率d（FY/FX）/dt综合地监测刀具的磨损和破损。此外，还可用机床的主轴扭矩和轴承力来监测刀具的切削状态。

　　（6）切削温度法  测量切削温度主要有三种方法：热化学反应法、磁辐射法、热电势法。应用较多的是热电势法，它以热电偶作为测量元件，把热电偶嵌入刀具中可以测量切削温度，以监测刀具的磨损。切削温度法不适用于断续切削的情况，且不能用来监测刀具的破损。

　　（7）切削功率法  磨损刀具消耗的功率比锋利刀具大，切削功率（主电动机功率、进给电动机功率）反映了切削力的大小。功率的测量可以采用交流互感器、直流互感器、霍耳功率计、分流分压器等。功率法的优点是信号获取简单、可靠，传感器便于安装，便于在生产中推广。但功率信号中的刀具磨损及破损信息较弱，灵敏度低。

　　（8）振动法  将加速度传感器安装在机床工作台或刀架上，测量机床的振动信号，然后对其进行时域和频域分析，得出刀具的状态信息。

　　（9）噪声分析法  测量并分析机床的噪声信号可以监测刀具的状态。一般说来，利用噪声信号中某一频段的能量来监测刀具状态更为有效。但此方法受环境干扰大。

　　（10）声发射法  在材料发生塑性变形或破裂时，会释放出瞬时的弹性能，并以超声频率的声脉冲波强度变化形式表现出来。声发射信号的频率范围为几万Hz到几十万Hz，当刀具差不多破损时，声发射强度增加到正常值的3～7倍。

　　（11）加工表面粗糙度法  在切削过程中，当加工表面的表面粗糙度超差时，就认为刀具已不能再使用。表面粗糙度的测量，可以采用光干涉法和接触探针法。

　　目前，各国对刀具的磨损和破损的监测仍处于研究阶段，实用化的商品还比较少。普遍认为有发展前景的监测方法有：切削力（扭矩）法、振动法、功率（电流）法和声发射法等。

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