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1、质量保障智能工程在现代化的制造系统中，为了保障高投资自 动化加工设备的安全和产品质量，迫切需要解决 质量保障问题。保障产品质量涉及产品生产的各 个环节，而加工过程监控则是质量保障的核心。 据统计，采用监控技术后，75的人和技术因索 引起的故障停机时间都可以避免，使无人化的第 二、三班生产和节假日生产成为可能。此外，现 代的自动化加工设备采用了更高的切削用量，并 在充分喷注切削液条件下工作，其切削过程的“ 风险”比传统加工大得多。近年新刀具材料的应 用(如陶瓷材料，CBN材料)，难加工工件材料更常 见等，更加大了切削过程的难度。面对这些困难 ，只有采用有效的监控技术才能充分发挥现代自 动化加工设
2、备的效能。1.加工过程监控的必要性机械加工中，引发事故的主要原因有：(1)被加工工件材质不均匀、尺寸不符、热处理不 当；(2)各个刀具寿命、性能不完全一致；(3)加工过程中突发性切削振动；(4)加工设备机电零部件随机性故障；(5)工艺装备意外故障如夹紧力不足引起受切削力 后工件松动等；(6)误操作；(7)来自环境的意外干扰。 在现代制造系统中由于任务紧迫、加工设 备昂贵、毛坯价格亦较高、各种突发事件 造成的设备事故和产品报废造成的损失往 往是不能接受的。 可以从优化够运行条件、工艺流程、 切削用量及改善环境等方面，减少突发事 故产生的可能性，但实践证明这是不够 的。以切削加工为例，需要对加工过
3、程进 行监控。常用的监控方式有：(1)间断型监控。(2)事后及时监 控。(3)事前监控。2.专家监控方式视觉是最重要的感官，常用以监视：(1)工件已加工表面质量；(2)切屑颜色、切屑形状、排屑情况；(3)刀具切刃状态，如有无崩刃、破损等，停 车检查刀具前、后面磨损状态；(4)机床、夹具、刀具、工件之间的相对位置 ；(5)几何对刀，工件定位、夹紧状态；(6)切削液有无；(7)信号指示灯状态，显示屏幕状态。 触觉用来监视：(1)表面粗糙度；(2)触觉辅助量具几何 测量；(3)切削振动；(4)几何轮廓感知。 广义力觉用来感知：(1)拆装作业时施加的 广义力；(2)手动进给时的进给 力。听觉用来监视：
4、 (1)设备运行噪声水平 及异常声响； (2)刀具切削声响异常 ； (3)设备报警声音信 号。嗅觉用来监视： (1)切削液气味； (2)异常气味(如导线烧 焦气味)。3.柔性制造系统中的质量保障机能为了在多品种小批量生产中实现按压按时 一次加工成功的要求，相应的柔性制造系统必 需具备实时的质量保障机能，其特点是：1)在时序上设备状态和工艺状态都是可及时感受 或预报的。2)具有足够的设备、工艺状态感受器。3)数据库和知识库支持下的识别、推理和决策功 能。柔性制造系统中质量保障机能的主要内容有 ：(1)毛坯库、中间半成品库及成品库的状态监 控；(2)毛坯质量监控；(3)加工设备状态监视、诊断及处理
5、；(4)加工刀具异常(磨损和破损)监控；(5)加工工况异常监视、预报与处理；(6)工件装卡、传送状态监控；(7)工序及工件制造质量监控；(8)装配质量监控；(9)其他制造过程监控。 以上各项内容彼此相关，又都包括多项子内容。以 加工设备为例，常需对下列状态进行监视、诊断及 处理：(1)主铀功率状态； (2)进给功率状态；(3)设备振动状态； (4)设备噪声状态；(5)设备关键部位应力状态； (6)设备声发射信息状态 ；(7)设备运动状态(位移、速度、加速度)；(8)设备防碰撞状态；(9)设备关键部位温度状态(轴承温度、电机温度)；(10)设备油液漏损状态 (11)人机状态；(12)设备交联状态
6、。又以加工工具异常监控为例，至少含：(1)刀具自动更换无误的视觉监视(刀具识 别、到位识别、碰撞防止等)；(2)刀具磨损监控(利用切削时间、功率消 耗、切削力、切削热、切削振动模态、声发 射、已加工表面质量等物理现象)；(3)刀具破损监控(利用主铀功率消耗、主轴 电机电流、切削振动模态、刀具几何尺寸变 化、已加工表面质量、切屑形态、声发射等 物理现象)；(4)刀具极度磨损、破损的预报型监控；(5)刀具到位或折断的触杆或视觉监视。工序及工件制造质量监控的主要内容有：(1)工序及工件尺寸实时检测。其中比较关键的 是实时精密测量、小尺寸孔距及小孔径实时测 量、大尺寸实时精密测量等；(2)工件轮廓实时
7、检测(利用模板、机器视觉)；(3)工件表面粗糙度实时检测；(4)工序及工件表面物理性能实时检测；(5)工序及工件表面缺欠(裂隙、前工序不全等)的 机器视觉监视；(6)工件无损伤监视；(7)焊缝质量实时监控。4.刀具极度磨损和破损的智能化监控一般讲，对切削过程刀具监视(控)的要求为：(1)对规定的监视项目能实现规定的监视(控)功 能，并保持足够的准确度。目前，工业界认为 实用化的刀具监视(控)仪至少应有不高于10的 漏报率与误报率的综合工作精度。(2)工作稳定性即能适应现场车间环境中的各 类机械、电磁和噪声等的干扰，特别是瞬态强 干扰，连续稳定地发挥其功能。(3)适应性：即经简单地调整后，监视仪
8、对较 多的被监视机床保持最优监视的能力。(4)响应性，即能在规定的响应时间内完成所监 视项目的检测、处理、判断和报警。(5)经济性：价格合理，使用经济效益好。(6)使用性能：易于操作、调整、维护和修理， 不限制刀具合理切削用量与冷却润滑液的使 用。4.1切削过程声发射与车刀声发射监视车削过程是在一定能耗维持下的非平衡态时变动力学过程，其特点为：(1)AE监视系统输入信号信噪比低，幅频特性变化。切削过程中，刀具与 工件、切屑与车刀前面间时变的摩擦和前后刀面的磨损，切屑形成、断 裂或缠绕工件等均发出AE波，这些噪声AE信号和其他噪声(切削振动和 其他噪声)信号与代表车刀破损或异常磨损的特征AE信号
9、混叠，使系统 检测到的AE信号是低信噪比的。由于刀片材料制作和刃磨质量的变化， 切削条件的变动，车刀工况的特征AE信号幅频特性在一定范围内变动。(2)信号识别中的模糊性。AE传感器探测到的AE波是屡经传播、反射、 折射和频散作用畸变的AE波，根据对这种AE波响应输出的AE信号进行 工况识别时，往往在工况划分中存在中介过渡性，形成划分上的不确定 性，即模糊性。(3)生产现场的强干扰。现场的多种机械振动和冲击，高的背景噪声，气 液系统泄漏，电网电压和电流的瞬态强波动等，形成对AE监视系统的强 干扰，其中频率耦合的瞬态强干扰常常使特征AE信号被淹投或混淆，造 成高的误报率、低的工作精度，严重时使监视
10、系统无法正常工作。4.2切削过程监视的专家知识钻深孔时引起钻头破损的主要原因有：1)排屑槽阻塞使钻头在孔中卡住。2)钻削时切削液难以达到切削区，使切削 区达到高温，损坏钻刃。3)钻削过程中，细长钻头产生振动，造成 钻头破损。普通钻头破损(主要是折断)的主要原因有：(1)钻刃钝化、冷却不良。(2)钻头本身有淬火内应力或裂纹。(3)工件结构设计缺欠。(4)工件材质热处理不当。(5)机动进给和转速选取不当。(6)误操作如钻头未从孔内拔出，工件既起 动等。有关切削过程的专家知识大致有以下几个范畴：1先验的专家知识实践证明刀具切削状态与刀具寿命很 大程度上取决于切削用量。尽管有关切削 用量的选择已经有大
11、量的公有知识可供参 照，但是在具体机床、刀具、工件和作业 者水平条件下，切削用量的选择在很大程 度上取决于作业专家的经验知识。建立领 域的切削用量专家系统是十分必要的。2实时监视的专家知识以铣削为例实时监视刀破损的专家知识有 以下几个方面：(1)听觉监视含：断续产生切屑的声响；刀 刃和工件接触的声响；刀具折断声响，机 床振动声响，主轴电机转动声响。(2)视觉监视含：刀具状态监视(如有无折断 )；切屑形状； 切屑颜色；已加工表面形貌 ；工件位姿(有无松动)。(3)触觉监视含： 进给状态手感；机床振动 状态。5.智能化视觉监控在机械工业中机器视觉有着广泛的应用前景，以 下列举几个典型的应用：(1)
12、发动机铸件连续铸造线上，高温铸件的几何缺 欠监视。功能是及时发现不合格铸件。(2)汽车车体装配流水线上车门缝隙均匀度检验。 门窗封密橡胶条安装质量检验。(3)装配流水线上，识别运动中的零件形状及位姿 ，指挥机器人进行抓取及分检。(4)总装流水线上，识别运动中的产品位置及形状 ，指挥机器人贴商标、喷印标号。(5)产品质量检验。如灯泡流水线上灯座接点质量检 验。饮料流水线上商标质量检验。热处理零件淬火 裂纹检验(为了便于发现微细热裂隙、在视觉检验前 先喷效萤光溶剂)等。(6)NC、FMS、CIMS中刀具识别、工件识别、夹具 识别。(7)加工过程中，相邻工序间工件几何状态识别、刀 具几何状态识别(破
13、损、磨损)。(8)印刷电路板质量检验。(9)机器安全操作监控。(10)识别蓝图，获取工件尺寸信息，摄之可以形成 数控机床或机器人的加工、操作程序。织地图象是一种宏观均匀的，含有大量冗余的图象信 息。织地图象的任一部分，只要面积足够，即含有织 地的充分信息。 织地图象通常有两类：(1)重复均匀织地。单元图象按给定规则重复组成织 地图象，印花纺织品就是一例。这种织地的识别在于 找出重复规则、提取单元图象的特征并建立其描述。(2)统计均匀织地。织地图象是一个二维平稳、遍历 的随机过程，常用的过程模型是：a.常系数线性回归模型。织地图象由白噪声经过常 系数线性系统产生。b.二维n阶马尔科夫模型。c.多
14、参量高斯分布模型。6.软件创成精度50年代出现的数控机床，给单件小批复杂零件提供了 高效生产的手段。数控机床的基本特点是：(1)用专用或通用数字计算机作控制机，实现加工过程自动 化。(2)为了保证加工质量，机器精度较之同类通用机床一般要高 一级。但我国数控机床技术潜力有余，要求过高，一个合理 的解决办法就是发挥计算机的运控能力提高机器的精度，软 件创成精度问题就是这样提出来的。在重型机床、精密加工机床以及细微加工机床上，问题 也类似。只靠传统的办法保证加工精度有不少困难，甚至是 不可能的。采用智能控制技术，问题就有可能在新的高度上 得到较好的解决。软件创成精度的主要内容包括：(1)测量机器误差
15、。(2)测量数据的计算机处理，建造机器误差的状态 观测器。(3)实时创成机器精度。软件创成精度的优点是：(1)数字化误差测量及信息处理，只要误差分辨率 够高，所得到的数据精度原则上是没有限制的， 在这一基础上可以创成用传统机械装置难以达到 的高精度。(2)明显地降低了对机床精度的要求，达到了提高 精度降低成本的目的。7.智能化工件几何精度检验方法及步骤的产生在机械工业中，有相当数量的已加工零件按精度要求要在 坐标测量机上进行检验。检验人员将根据零件结构和各部 分精度要求及坐标测量机工作特点，确定零件的检验方法 及步骤。这一过程很大程度上取决于检验人员的经验如：(1)各种类型零件的检验方法及步骤
16、(集合)。(2)待检验零件的类型识别。(3)确定待检验零件的那些精度要求不能用坐标测量机检 验，并确定这部分精度要求的检验方法及步骤。用产生式规则表达的这类知识举例如：若 母线为平面曲线的轮廓与轮廓需要检验与轮廓允差较大则 该轮廓可用样板目测检验。(4)确定待检验零件在坐标测量机上的定位位姿， 在这一位姿上要能进行各个精度要求的检验。(5)确定各个精度要求的检测基准。(6)由于坐标测量机只是完成各种几何元素的测量 ，因此所要检验的各个精度要求，要用这些几何 元素加以描述。(7)坐标测量机上同类精度测量如平面度的测量、 点位测量、圆度测量等，应尽量利用同一个测量 头一次装卡完成测量。这样可以减少坐标测量机 的辅助时间。(8)和以上要求同时需要加以考虑的是属于同一检 验基准的各个精度要求，应在检验基准不变的前 提下进行检测。8.设备的故障诊断和维修故障诊断和维修是保证机电设备可靠运作的必 要前提，它影响及于从设备设计到设备更新或报废 的整个设备寿命各个阶段，
