机床运行和工件的过程监视

2006-04-05 23:45:31

过程监视和控制系统

机床运行和工件的过程监视

一、 切削过程和机床运行过程的传感技术

切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或（金属）材料的切除率等。切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等，而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。对于机床的运行来讲，主要的传感检测目标有驱动系统、轴承与回转系统、温度的监测与控制及安全性等，其传感参数有机床的故障停机时间、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、机床状态与冷却润滑液的流量等。 1．切削过程技术 （1）切削力的探测 切削力是评价加工条件和切削过程最常用的技术参数，也是自适应控制系统常用的传感参数。根据切削力信号，可以间接判断加工载荷、切削过程颤震、切／磨过程刀具／砂轮的失效状况（破损或磨损）等。 切削力的探测是实时检测切削力随时间（或切削过程）的变化量。主要的传感器采用动态测力仪、应变片或多种力传感器，其主要特点是：动态测力仪虽然可靠而且很灵敏，但常常难于实用化而多用于实验系统中；应变片适于现场应用，但安装不够简便，虽然可以通过功率和扭矩的检测传感信号推算出切削力值，但这类方法有检测灵敏度低、延迟时间长的缺点。常用的切削力传感方法见表1。另外，有一种基于小型化的液体静力学元件（MIH-Cell）的力与力矩测量器件。它是由无气体存在的可压缩式密封金属容器组成的，其灵敏度高于半导体应变片，分辨率达到4.5～11.25V／N （20～50V／lb）。它可以装于机床主轴或丝杠部件内，亦可外装于工作台或专用刀架上。

表 1 切削力的传感方法 传感方法 示例 传感器 分辨率、范围 主要特征 动态测量法 · 应变片型 · 压电型 · 加速度计型 压电负荷单元，可组成3维分量 分辨率：0.01N 范围：Fx、Fy、Fz均为：±5N · 高灵敏度 · 价廉 · 易获得，但多数只适用于实验室 机床内的检测法 · 用变形传感器或载荷单元探测架变形 · 用变形片或传感器探测主轴变形 铣床用的激励线圈与扭矩探测线圈 分辨率：2N 范围：Fx、Fy为：0.5kN Fz为：1.0kN · 简便不复杂 · 工作精度取决于传感器的检测精度 · 现主要用于实验室 简化法 · 用电流表或瓦特表测量电动机功率 · 用压力传感器探测轴承承受的压力 电动机电流与切削力的对应关系 分辨率：100N 范围：Fx与Fy为：1.0kN Fz为：2.0kN · 便于使用，成本低 · 低灵敏度 · 可工业应用

（2）颤震探测传感 颤震现象与大多数切削与磨削过程的系统动力学不稳定性相关，经常可以由于刀具／砂轮与工件子系统的振动而引发。它的出现降低了被加工件已加工表面的质量，特别是使表面粗糙度增大，限制了机床的生产效率，并可能引发紧固环节的松动而酿成事故。此外，它还使刀具／砂轮的失效（磨损与破损）加快。 对它的传感方法可分为直接法和间接法两大类。直接法可以直接测定机床的振动，也可以从颤震时切削力的变化中获取；间接法是通过颤震伴随效应的传感检测来间接表征颤震的，见表2。振动传感器可以装于工作台或刀架上。动态测量仪则较早已用于铣床和车床加工中。由于颤震频率常常达到数百赫以上，故其响应频率为800Hz，常感不够。为此，开发了频率响应在2000Hz以上的新型动态测量仪。利用应变片传感振动信号时，常把应变片装入机床主轴部件内。80年代后期开发的热电动势颤震检测传感法是利用刀具与同机床（如车床）其他零部件绝缘的工件形成闭合电路，利用刀具与工件间的热电偶原理实现传感检测。当切削颤震出现时，刀具与工件间的接触区域和接触压力有较大的变化，引起热电动势的变化。经FFT分析后可获得热电动势的功率谱密度。试验证实，在10Hz对应的功率谱峰值出现时，表征颤震出现了。这种方法成本低，易于操作，但其切削参数和刀／工件材料间交互作用的研究仍需要进一步拓展。间接法常通过对振痕、裂纹或表面局部不规则性等信息的传感检测来间接地探测切削颤震的出现。因此，常用光学方法来传感，如利用激光扫描系统探测磨削表面振痕和局部不规则现象，但其实用性较差。此外，还开发了一种利用噪声振动（传声器）传感颤震的方法，并建立了噪声电平的峰值间隔模型，可预测颤震出现。但它还需进一步验证多种切削条件下的可靠性。

表 2 颤震传感法 传感方法 示 例 频率响应 主要特性 直接法 振动传感器 动态测量仪 应变片 热电动势 超低频或2～40kHz(加速度计) 800～2000Hz 约300Hz 约100Hz 灵敏度较高、可靠、易获得、可实用化 高灵敏度、可靠、实验室用为主、高频响应 高灵敏度、可靠、实验室用 使用简单、灵敏度稍低、实验室研究用 间接法 光学法 声学法 500Hz 700Hz 非接触、灵敏度低、可靠性差、实验用 非接触、灵敏度低、可靠性差、易获得

（3）切屑状况探测传感 在高速、超高速加工和自动化制造中，切屑状况的监测是极为重要的事。因为它直接影响过程的进行、安全性和已加工表面的质量，所以已成为很活跃的研究开发领域，主要提出两种传感检测方法： 1）用辐射高温计传感刀具的切屑状态，利用测定平均切削温度来识别切屑的状态。但由于它比较贵，尚限于实验研究领域中采用。 2）利用声发射传感器、刀具动态测量仪或刀具／工件热电偶传感法的谱分析技术探测切屑状态的变化。这类方法成功的关键是传感的灵敏度与可靠性及对信号的处理、特征提取与识别规律的掌握。虽然在实验研究中已可以识别带状屑、卷屑和积屑瘤的出现，但还要再努力才可能成为工业应用技术。 （4）刀具-工件碰撞传感 对于先进制造技术来讲，为提高机床加工效率，常常要求提高进给率，特别是在空刀时应尽量加快进给。因此，刀具与工件的碰撞成为重要的监视内容。对刀具-工件碰撞的传感常分为两类，即碰撞后探测法和碰撞前探测法，见表3碰撞后探测法是利用装在机床主轴上的应变片组成的扭矩传感器来传感碰撞后的信号，以便在发生严重的碰撞故障前发现刀具／工件间的轻微碰撞，因而这种探测法一定要灵敏且可靠。现有的研究表明，声发射接触传感器是灵敏而可靠的，且是实时性强的传感检测法，已进入工业应用阶段而广泛地用于磨削加工中。碰撞前探测法是在刀具与工件趋近到物理接触前进行探测传感。其中最佳的传感方法是气隙-磁力传感器。把激励线圈、接收线圈分别装于主轴箱体与刀具两方，当刀具-工件间距离改变而引起磁力线的变化时，对应间隙值的磁感应强度变强，从而按预先设定的阈值发出改变进给率的控制信号。这种磁传感器受工件材料的影响。

表 3 刀具-工件碰撞传感 传感方法 传感器主要特性 传感器 主要特征 碰撞后 刀具与工件接触 应变片扭矩仪 · 要求响应能力的应变片，主要用于实验室 · 要求严格控制刀具停止速度 声发射接触仪 · 灵敏，接触分辨率≤1μm，响应时间为0.25ms(已实用化) 碰撞前 刀具与工件不接触 投影仪 气隙-磁力传感器 · 随机选择间隙 · 要求高分辨率的间隙传感（≤几个微米） · 实验室用

（5）切削过程识别的传感 切削过程识别是一个有丰富内含的概念。现代制造技术要求识别切削过程，以便为切削过程的本质、建模和模拟仿真的研究提供可靠的实时信息；对切削过程和刀具几何参数的控制、刀具失效和工件状态等提供信息，以便使磨削与切削过程优化。当今，以声发射传感和动态测量仪及光视法为主，亦配合电流／功率、力／力矩和切削温度等传感法。虽然众多的研究证明，AE法是首选的，但由于切削过程识别的复杂性和多目标性，常常采用多传感器单一目标融合传感法和多传感器多目标传感法，它们已经成为传感技术和监控技术最热门的领域，但这方面的深入研究工作既多又广。它将在制造科学的发展中、在虚拟制造（VM）和虚拟现实制造（VRM）的开发及过程监视与控制的研究开发中快速发展。 2．机床运行过程技术 机床的工作精度对其加工精度和加工质量有重要的影响。力效应、热效应和机床运动系统的动态误差等对机床的精度和动态特性有显著的影响。所以，要求监视和控制机床的运行及其过程。为此，经常要求有以下三类传感。 （1）驱动系统的检测传感 为了实现对机床驱动系统的位移（线位移与角位移）的监视，并提供偏离目标值的反馈信号，经常采用多种传感器来完成信息的采集任务。激光干涉仪、旋转变压器和线纹尺等位移传感器的主要特性见表4。例如：螺纹磨床的自动修正系统，其传感器有由双频激光干涉仪系统构成的线位移传感器和由它与光学增益编码器组成的角度数字传感器。该系统的分辨率可以达到0.5μm或更高。

表 4 位移（置）传感器 传感器 分辨率 主要特征 激光干涉仪系统 约为2nm 精度最高，但要求仔细校准，价格贵 旋转变压器 0.25～2.5μm 易于使用，可靠，不贵 线纹尺 0.1～0.5μm 进行直接测量，操作较复杂，成本较高

为了获取精密的零件，要求把驱动系统终端输出与对理论目标值的偏离值作为反馈信号，以便对精度进行反馈控制。在这种加工精度反馈控制（又称精度补偿或修正）中，位置的分辨率是重要的传感量。激光干扰系统常被用来作为位移（置）误差反馈传感器。工业实践证明，利用这类高分辨率传感系统可以使加工误差减少9／10。但由于干扰测量对环境条件的苛刻要求，其工业应用范围较小。 （2）主轴和回转系统的检测传感 主轴轴承和主轴部件的回转误差对工件的圆度有很大的影响。一种先进的主轴系统采用回转码盘精密地测定主轴的回转误差，可以实现纳米级分辨力的传感检测，其微机补偿系统可以把主轴偏差控制在0.05μm以下。但该系统比较贵。 80年代初开始的三点接触圆度与圆柱度的检测传感法已在我国大型尺寸零件圆度与圆柱度的加工测量中应用。它是电感传感器和三点测量法在大型精密零件加工中的典型应用。 由于热变形将改变主轴的预紧状况。在滚柱轴承支承系统中，这一问题尤为严重。为此，采用基于应变片或声发射传感器的温度补偿系统对之进行监视与控制。 在主轴和回转部件监视中，还采用以下检测传感器：探测监视轴承变形的感应传感器或涡流传感器、监视卡盘夹紧状况的载荷单元传感器、在线齿轮监视系统的角度传感器、监视主轴回转误差的示波器监视传感器系统等。 （3）机床状态监视传感 基于扭矩、电流／功率的机床状态监视系统采用传感主轴或进给电动机的电流、电压和功率的霍尔传感器，传感冷却液供应时机的切削扭矩传感器，传感运动件间接近状况的涡流传感器和传感接触状况的声发射传感器或光学传感器，进行扭矩自适应控制的扭矩传感器等。此外，也经常采用为进行机床热变形误差补偿的温度传感器。

二、工件的过程传感

与刀具和机床的过程监视技术相比，工件的过程监视是研究和应用最早、最多的。它们多数以工件加工质量控制为目标。80年代以来，工件识别和工件安装位姿监视要求也提到日程上来。粗略地讲，工序识别是为辨识所执行的加工工序是否是工（零）件加工要求的工序；工件识别是辨识送入机床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同时还要求辨识工件安装的位姿是否是工艺规程要求的位姿。此外，还可以利用工件识别和工件安装监视传感待加工毛坯或工件的加工裕量和表面缺陷。与工件的过程监视密切相关的另一类监视是工艺过程监视，如加工表面粗糙度，表面特性质量。尺寸、形状与位置精度的实时监视或在机监视。由于它们与加工过程质量、提高成品率和生产率、降低加工成本、缩短交货期密切相关，正在日益受到重视。完成这些识别与监视将采用或开发许多传感器，如基于TV或CCD的机器视觉传感器、激光表面粗糙度传感系统，以及前述的多种传感器。下面主要介绍尺寸与形状误差传感和表面粗糙度传感。 1．工件尺寸与形状误差的传感 从测量原理角度，其传感检测法可分为直接测量法与间接测量法两大类。所谓直接测量法，是直接检测工（零）件的尺寸与形状误差或利用作为标准的标准工（零）件与之组成的匹配副来完成测量。间接测量法是检测达到最终尺寸前的倒数第二个工（零）件的尺寸与形状误差、刀具运动精度或刀尖位置精度，间接保证最终尺寸与形状精度的测量方法。直接测量法与间接测量法的比较见表1。常用的传感器见表2。而近些年利用线性可调微分（差动）传感器（LVDT）和固定于工件上的扫描标准母盘，可以降低工件圆度误差50％。 2．表面粗糙度传感 表面技术的发展要求对表面形貌、表面粗糙度、表面组份与结构及性能进行观测。微观的观测技术的发展为它们的测量提供了纳米（nm）级，甚至埃级（1埃级＝0.1纳米）的检测方法。但这些高精度的表面形貌、组份、结构和性能测定法还只限于离线的样件检测。在过程传感中，目前仍以表面粗糙度和表面缺陷检测传感为主要目标。虽然已经开发出原位观测的过程检测传感方法，但它们仍只能用于研究与实验中，还不适于工业应用。在线和实时表面检测传感方法多以光学法为主。这是因为它们具有快速检测和识别能力。尽管光学方法有多种多样，但适于工业环境应用的方法是有限的几种。

表 1 直接测量法与间接测量法的比较 方法 直接测量法 间接测量法 项目 传感检测原理 直接测定或用标准件匹配测定 检测倒数第二个尺寸/形状误差或刀具位置或运动误差 主要特征 1. 可测范围在传感检测装置极限范围以内 2. 内径与复杂形状检测困难 3. 将刀具磨损、机床变形和工件变形误差包含在内 4. 目前，多数用于中低精度机床上 1. 可测范围大 2. 可用于内孔与复杂形状的检测 3. 刀具、机床和工件变形误差不影响检测精度 4. 多用于中高精度机床上

表 2 尺寸与形状的检测传感 传感检测方法 一般特性 示例（按100mm计） 直接测量法 间接测量法 机械式 摩 擦 轮 · 易于操作 · 易于信号处理 · 可靠 · 分辨率：4～6μm · 精度：10μm · 可以工业应用 1 卡 规 型 · 触头接触磨损 · 增益和分辨率低 · 分辨率：1μm · 精度：±3μm · 可成功地应用 10 光学式 光学测 微仪 · 高灵敏度，可遥感 · 系统校准难 · 难于操作，应进一步进行实用化开发 · 分辨率：1μm · 精度：8～10μm · 要求抗干扰(工业电视、ITV) · 分辨率：0.5μm · 精度：5～10μm · 要求改进可靠性(激光光学规与ITV) 光学反 射法 · 分辨率：1μm · 精度：8～12μm · 要求抗干扰 · 分辨率：0.5μm · 精度：5～10μm · 要求进一步提高可靠性 气动式 背压探测、流量与流速探测 · 实用，增益高 · 低响应，低耐用度 · 量程小 · 分辨率：≤1μm · 精度：2μm · 有工业应用前途 · 分辨率：2μm · 精度：10μm · 有工业应用前途 超声式 传播时 间探测 · 可靠性好 · 可远距传感 · 耐用度低 · 操作稍复杂 · 分辨率：1μm · 精度：±2μm · 有发展前途，可工业应用 · 分辨率：4～6μm · 精度：±10μm · 有发展前途 电子式 感应法 电容法 · 高灵敏度，快速响应 · 可靠 · 受工件材料变化影响 1 · 分辨率：1μm · 精度：10μm · 主要用于实验室 温度探测 温度检测 · 用于复杂形状工件 · 低灵敏度、实用性差 1 · 分辨率：4μm · 精度：5μm · 主要用于实验室 有限元法 · 无需检测装置，主要取决于模型精度 · 灵敏度低 1 · 分辨率：5μm · 精度：7μm · 主要用于研究

光学检测传感表面粗糙度的方法，同样可分直接法与间接法。直接法是利用很窄的光束进行点到点的扫描表面起伏的高度，直接获取表面粗糙度信息。间接法则是测定表面光学特性而间接评价表面粗糙度的检测方法。它们间的比较可见表3。

表 3 直接法与间接法的比较 方法 直 接 法 间 接 法 项目 检测原理 光束点到点表面高度扫描 检测面的光学特性 一般特性 1. 获取表面粗糙度高度 2. 可测定表面轮廓 3. 系统校准困难 4. 对车/磨削比较有效 5. 分辨率取决于光束光斑尺寸 1. 要求建立检测结果与表面粗糙度评价指标的关系模型 2. 不可获得表面轮廓 3. 校准相对容易 4. 所有过程均可用 5. 取决于工件材料

直接法的方案之一是利用激光束和光敏二极管组成的传感系统。激光束照射到工件表面的束斑直径在几个微米以内。采用两束激光束和两个光敏二极管的系统可以测出工件圆周和进给方向上的表面粗糙度。实验证明，其分辨率为0.5μm，测量精度约为3μm。简化系统的校准是重要的应用工程问题。 间接法传感器技术见表4。

表 4 表面粗糙度直/间接传感法 特征 最好示例 主要特性 研究状况 方法 分辨率/μm 精度/μm 范围(Ra)/μm 速度 干涉法 1 3～5 2～80 快 · 易于校准 · 对表面粗糙度传感有效 已用于实验室，有应用前景 镜面反射法 0.1 2 1～3 快 · 对相对光滑表面有效 · 精度决定于探测器 用于实验室 斑纹法 0.01 ±0.2 0.1～0.2 相当快 · 对光滑表面有效 · 用于高斯高度分布处 · 测量范围窄 有应用前景，可商品化 椭球面法 0.01 0.1 0.01～1.2 相当快 · 对光滑表面有效 · 需仔细校准 工程表面测量用，需进一步改进 角度分布法 2 ±5 未定 慢 · 无实用价值 · 需高速信号处理 无发展前途 光扫描法 1 5 2～20 慢 · 对粗糙表面有效 · 需高速信号处理 处于研究开发中，有应用前途 直接法 0.5 3 2～80 快 · 需仔细校准 · 精度取决于光斑尺寸 处于研究开发中

一些先进的干涉和斑纹反射法技术状况见表5。 在表5中，比值测量法的优点是光强与表面粗糙度间的特性曲线，在不同工件材料时不会产生大的变化。表列各种方法主要用作粗糙度识别比较器，而不是粗糙度参数检测传感器。

表 5 先进的干涉和斑纹反射法技术状况 示例与特性 代表示例与特性 测量原理 竖直方向分辨率/μm 精度/μm 范围(Ra)/μm 备注 比值测量 0.1 约0.4 0.05～0.5 · 白炽灯光源 · 磨削测量用 · 有应用前景 1.0 3 5～80 · 卤族灯光源 · 车削测量用 · 最有前途 1.0 3 2～20 · 氦氖激光光源 · 磨削 · 研究开发中/实验室用 0.2 0.2 0.2～2.5 · 白炽灯光源 · 车削 · 实验室用 镜面反射 0.1 0.5 1～3 · 白炽灯光源 · 车削 · 实验室用