汽车制造自动化期末复习思考题.docx
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汽车制造自动化期末复习思考题
形位误差：
直线度是表示零件被测的线要素直不直的程度，依测量原理、测量器具和测量基准的不同，测量方法有：
直接法、间接法、组合法和量规检验法。
其中直接法是首先确定一条测量基准，然后通过测量得到实际被测直线上各点相对测量基准的偏差，再按规定进行数据处理得到直线度值；用量规检验法检验孔时用综合塞规，检验轴时用综合环规，检验时将直线度量规置于被测零件，若塞规能通过，则被测零件的直线度符合要求，否则零件不合格。
圆度的公差带形状是半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域，圆柱度的公差带形状是半径差为公差值t的两个同轴圆柱面之间的区域；
圆度的测量方法有：
半径测量法、坐标测量法、两点/三点测量法，其中用圆度仪进行测量的方法属于半径测量法；用百分表、内径表、内/外径千分尺进行测量的方法属于两点测量法。
表面粗糙度是指表述加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征的术语。
公差等级的选择原则是满足使用要求的前提下，尽量选用较低的公差等级。
1.属于形状公差的有：
AB
A圆柱度B平面度C同轴度D圆跳度E平行度
2.属于位置公差的有：
ACD
A平行度B平面度C端面全跳动D倾斜度E圆度
3.表面粗糙度值越小，则零件的AB
A耐磨性好B配合精度高C抗疲劳强度差D传动灵敏性差E加工容易
4.形位公差带形状是直径为公差值t的圆柱面内区域的有：
CDE
A径向全跳动B端面全跳动C同轴度D任意方向线位置度E任意方向线对线的平行度
5.对于径向全跳动公差，下列论述正确的有：
BCE
A属于形状公差B属于位置公差C属于跳动公差
D与同轴度公差带形状相同E当径向全跳动误差不超差时，圆柱度误差肯定也不超差。
6.
主动测量是指在机械加工过程中，由测量装置始终测量着工件的尺寸，并将其尺寸变化量随时传递给控制仪，再由控制仪发出信号（如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号）控制机床的动作。
由于它能使操作人员无需停机就能测量工件，减少了劳动强度，提高了生产效率，降低了废品率，同时加工出的工件尺寸一致性较高，特别适应于在大批量流水线作业中使用，如汽车零部件、轴承零件的加工等。
主动测量是指在机械加工过程中自动完成对被加工工件有关参数的检测并通过将测得的结果及时反馈到加工系统，不断地修正和控制工作状态，以达到预定质量要求的一种积极的检测方法。
主动测量仪主要由测量装置、驱动装置、控制仪三部分组成。
（1）主动测量装置俗称测头，起着把被测参数的变化量转化为测量信号的作用，它是测量仪的主体。
从结构原理上可以分为单点测量装置和双点测量装置，单点测量装置可以用于端面定位或者用两个组合起来测量大的直径等；双点测量装置可以测量外径、内径、槽宽、台阶宽等。
（2）控制仪控制仪将装置输出的电感信号经过相敏整流、放大，发出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号给磨床控制系统，磨床控制系统接收到信号后控制机床的进给机构，从而达到控制工件尺寸的目的。
（3）油压驱动装置测量装置的进退由油压驱动装置来带动，工件安装好后，砂轮快速前进，同时驱动油缸也带动主动测量装置进入测量工位。
磨削到尺寸后砂轮快速退回，驱动油缸带动主动测量装置退出测量工位，以便于操作者装卸工件。
主动测量仪常用的传感器有气隙式、差动变压器式和差动电感式三种，
自动补调测量与主动测量的区别：
自动补调测量与主动测量都属于工艺过程中的检测，但两者又有着根本的区别。
主动测量是一种与加工过程同时进行的直接检测方式；而自动补调测量和补偿则滞后于加工过程，是对加工完毕的工件的某些参数进行检测，当检测结果超出某一规定范围时，则发出信号，并对制造系统作相应调整，补偿出现的偏差。
与主动测量相同，自动补调测量中的仪器、刀具、工件也组成一个闭环系统，但不同的是其测量信号不能校正被测工件本身的某项参数，而只对后加工的工件起校正作用。
因此，自动补调系统只能消除或减小加工中的系统误差（如刀具磨损等），而不能消除或减小偶然误差。
自动补调测量在按调整法加工的贯穿式无芯磨削、直轴式和卧轴式双端面磨削组合机床及其自动线上的镗削工序以及多工位的珩磨加工中都有应用，在车削加工中有时也采用自动补偿的方式补偿因车刀磨损引起的误差。
任何一种自动补调系统都是由检测装置（包括测头和测量电路）、补偿控制部分和补偿执行机构三部分组成，它们与加工设备中的刀具、工件构成一个闭环系统。
但在实际生产中，只用于自动显示、报警，而不具备反馈补偿功能的开环系统也用得很多，为与自动补调相区别，可以称其为自动预警。
用于镗削工序的自动补调系统一般都由测量装置、电气控制单元和补偿执行机构三部分组成，虽然实际情况差别很大，但根据工艺布置，还是可分为两大类，一类是加工和测量为同一个工位，另一类则是加工和测量分为两个工位。
以第二类为例，工件在加工工位由镗刀进行镗削加工，镗孔完毕后即移人测量工位，由测量装置的塞规型测头插人工件内孔进行检测，并将测量信号输入测量仪进行数据处理当需要补偿时，测量仪通过补偿控制电路发出信号，驱使补偿执行机构动作，完成自动补调。
在这种情况下，当已加工完毕的前一个工件在测量工位受检时，后一个工件同时在加工工位进行镗孔。
而按第一类的加工方式，加工和测量不能同时进行，时间上必须先后错开。
因此，尽管第二类的加工方式占用较大的生产空间，但工作效率较高。
用于内孔测量的塞规型测头主要有两类第一类为电子塞规，第二类为气动塞规。
前者采用的传感器主要为电感型，后者则为气电型近年来一般都已采用气电型压力传感器。
测量时，气动测头产生的背压变化引起金属弹性元件的位移，使铁芯在感应线圈中的相对位置发生变化，从而输出对应的模拟信号，这种传感器除了测头部分外，其二次仪表与电感式传感器无异。
由于镗孔自动补调系统的工作频率较低，故所用气电压力传感器中的变形元件大多数采用精密型的金属波纹管。
电子塞规：
由电感式传感器将被测孔径的实际尺寸与标称尺寸之差转换为电信号，并用指示器或数字显示器表示测量结果的比较测量仪器。
具有一对触点的电子塞规只能测量内孔中一个方向的直径；具有相互垂直的两对触点的电子塞规能测量内孔中X、Y两个方向的直径。
对电子塞规不但要求具有坚固的、密封性好的结构，能很好地适应恶劣的、弥漫油雾、冷却水的工作环境，而且测头还设置了一个压缩空气喷出装置，能在360°方向利用喷气排除切屑，以保证工件被测截面部分的清洁，从而确保测量的准确。
刀具状态监控技术：
刀具状态监控就是在切削过程中，对“刀具失效”过程进行监视、测量，并根据这种失效过程中表现的状态控制和优化加工过程，达到保证加工安全和延长刀具寿命的目的。
刀具监控系统的组成框图见图1。
所谓“刀具失效”是指在切削过程中，刀具磨损到一定限度，发生刀刃崩刃或破损、卷刃（塑变），丧失其切削能力或无法保障加工质量的情形，我们称之为刀具失效。
在图1中，加工的输出状态由“数据采集处理”单元的传感器对诸如电流、电压、振动、声响、形状、表面粗糙度等信息进行采集和数据变换，并将这些表示加工实时状态的数据与“刀具切削参数”进行比较运算，由具有自适应控制系统的“数据辩识决策单元”模块的专家决策程序对比较数据进行实时诊断，输出优化控制信号对加工过程进行实时控制调整，完成刀具的监控管理。
这里提到的“刀具切削参数”是指经切削实验研究确定表示切削过程中刀具工况的数据组，如刀具在完好、磨损、破损状态下的切削力，主轴或进给电动机的电流与功率，切削振动，发出的声响，工件的尺寸形状以及表面的粗糙度等等可用于评估刀具工况的参数。
“数据采集处理”的方法，刀具监控系统的数据采集分为直接测量和间接测量两大类。
目前，各国的机床和控制系统制造商主要是研发切削力、振动、功率、光电测量和发声等检测方法。
见表1。
“数据辩识决策单元”是监控系统的核心，目前采用的控制技术主要有自适应控制、模糊控制和神经控制等方式。
其中自适应控制方式最为常用，它可以最大限度地利用数控系统的硬件和软件资源，与控制系统和数控系统实现高度集成，可靠性好，成本也较低。
模糊控制和神经控制方式的系统构建和数据采集较为复杂，成本较高，目前还在实验阶段。
①、功率传感检测法在刀具监控中的应用
原理：
当刀具发生磨损、破损时，会引起切削力和切削力矩的变化，通过监控主电机电流和转速可以测得瞬时切削力矩和切削功率的大小。
②、力传感检测法在刀具监控中的应用
原理：
通过在对切削力变化反应比较灵敏的部位——如刀杆、刀架中安装力传感元件，检测和接收有关切削状态的信息，从而监控刀具磨损、刀具破损甚至折断的状态。
③、声发射（AE）检测在刀具监控中的应用
原理：
振动传感检测方式一般称之为AE检测，其机理是基于材料变形时所产生的微弱应力波，声发射即是指这一物理现象。
当刀具处于不同的状态下时，声发射传感器对刀具材料发生的相应变化非常敏感，它接收了由此产生并在固体中传播的声发射波，将它变换为电信号，以与表征刀具不同形态的特征曲线图上的确定临界点作比对。
鉴于这种检测方法灵敏度很高，它很适用于检测刀具微小面积的破损和破损前产生的微裂痕。
多数情况下使用的声发射传感器为利用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷的压电元件。
用于数控机床、加工中心的触发式测头自动检测系统
数控机床、加工中心作为高效的加工手段在现代制造中得到了越来越广泛的应用，为了充分发挥它们的作用，提高设备利用率，就必须减少生产辅助时间。
如每当一批零件将要开始加工时，总有大量的工作要去完成，如夹具与零件的装夹调整，零件上加工编程原点的确定，首件制造出零件的检验等。
若采用常规的量具、量仪人工操作，不仅耗时多，而且精度也容易受人为因素影响，不利于保证制造质量。
触发式测头检测系统正是为了解决上述问题，在数控机床、加工中心上逐渐得到了应用。
该自动检测系统由触发式测头、信号传输系统、转换器及相应的软件所组成，主要有感应式信息传输和光学式信号传输两种。
原理：
在以加工工件为测量对象时，触发式测头将象普通刀具一样，安装在机床刀库中，由操作程序控制，可自动调出并安装在机床主轴上，然后根据不同需要对工件进行自动测量。
该测头籍与刀具相同的刀柄安装在刀库或主轴上，测量信号从感应式/光学式测头传到安装在机床上的感应式/光学式接收器，然后通过电缆传到转换器和机床的控制系统。
几何量综合检测
在几何量综合检测中，较常用的传感器有气动式、电动式（电感、电容）、气电式、光电式（光栅、光纤、CCD）等多种形式。
①、气动量仪
实际应用于大批量生产过程的气动量仪按工作原理划分，有流量式、压力式、流速式等几种。
其中压力式气动量仪因易于发出信号，常用于主动测量；另两种量仪适宜于静态测量，多用作工序间检测。
②、电感量仪
在零部件的工序间检测，特别是多参数综合检测场合，电感型测量装置是诸多品种中应用最广泛的一类，呈现取代机械量表读数式检验夹具和气动量仪的趋势。
电感式传感器可分为自感式[自感式（单线圈变间隙/变面积/变介质）、差动电感式（双线圈螺管式）]及互感式（差动变压器）。
③、气电量仪
尽管电感量仪及光电量仪等传感器在工序间几何量检测中的占有率不断提高，但气动量仪以其简单、可靠、低成本等优点，以及特别适宜于内尺寸、小尺寸的测量等方面的特点，仍有着相当多的应用，气电量仪的出现及不断发展，使传统的气动测量技术发生了质的变化，由于它集电、气两者的优点于一身，使这类量仪在现代制造业的工序间检测中发挥了很大的作用。
其核心是“气电转换器”，它起着把气压的连续变化量转换成电压的连续变化量的作用。
三坐标测量机（CMM）的组成及工作原理
（一）CMM的组成:
三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。
（1）机械系统：
一般由三个正交的直线运动轴构成。
如图1.5所示结构中，X向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。
三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。
人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。
用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。
（2）电子系统：
一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。
（二）CMM的工作原理:
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。
它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。
如图1.6所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。
由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。
从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。
数控机床在线检测技术
数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。
目前完成这些检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。
在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。
在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。
闭环在线检测的优点是：
能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。
1、数控机床在线检测系统的组成
数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助；另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构如图1所示。
图1计算机辅助在线检测系统组成
数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。
硬件部分通常由以下几部分组成：
（1）机床本体
机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。
（2）数控系统
目前数控机床一般都采用CNC数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。
计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。
CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。
（3）伺服系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。
伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。
（4）测量系统
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。
其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。
目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如图2所示。
它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。
测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；按信号传输方式可分为硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；按接触形式可分为接触测量和非接触测量。
用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。
图2雷尼绍RMP60无线电式测头
（5）计算机系统
在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。
在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用Pentium级别以上的计算机。
2、数控机床在线检测的工作原理
实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过G31跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。
信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。
上位机通过监测CNC系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。
测量典型几何形状时检测路径的步骤为：
1.确定零件的待测形状特征几何要素；
2.确定零件的待测精度特征；
3.根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及分布；
4.根据测点数及分布形式建立数学计算公式；
5.确定检测零件的工件坐标系；
6.根据检测条件确定检测路径。
3、数控机床在线检测编程
在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。
目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。
商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。
不仅提供在线检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。
随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备，进行自动检测。
又如雷尼绍公司基于PC机的在机检测软件OMV（onmachineverification），该软件专为数控机床配用系统而编写，主要应用于：
根据原始CAD数据，检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以及模具。
自主开发软件的编程方式有：
基于C、C++、VC++、VB、Delphi开发平台的在线检测编程和基于CAD开发平台的在线检测编程。
基于VC++语言的在线检测编程结构框图如图3所示。
图3基于VC++语言的在线检测系统结构框图
检测部分主要模块的功能如下：
（1）测量主程序自动生成模块：
主要完成零件待测信息的输入，生成检测主程序。
（2）误差补偿模块：
对测量过程中所产生的误差进行补偿，提高测量精度。
（3）通信模块：
完成主程序与被调用宏程序的发送及测量点坐标信息的接收。
（4）测量宏程序模块：
实现宏程序的管理和内部调用。
主模块要实现对宏程序的查找、增添、修改及删除等操作。
（5）数据处理模块：
对测量点坐标进行补偿，完成各种尺寸及精度计算。
通过打开测量结果数据文件，获得测量点坐标信息，经过相应的运算过程最终得到所测值。
基于CAD开发平台的在线检测自动编程是采用AutoCAD作为系统集成开发平台，并采用ObjectARY作为二次开发工具，开发该系统可弥补CAD/CAM系统所欠缺的功能，实现检测程序的图形化编制，即CAD在线检测。
4、数控机床在线检测系统仿真
目前数控机床在线检测借鉴于CAD/CAM技术的发展思路可开发相应的在线检测仿真系统。
仿真系统以图形化的方式再现数控机床在线检测过程，可形象直观地对检测路径规划进行检查，提前发现宏程序编制中的错误，以避免在真实检测过程中对在线检测系统所造成的破坏。
以VC++作为系统开发工具，OpenGL作为三维场景开发工具，按照面向对象的程序设计思想开发数控机床在线检测仿真系统的过程是：
（1）虚拟检测环境的建立
采用OpenGL标准进行图形处理工作。
OpenGL是一个图形硬件的软件接口，利用它可进行几何建模、图形变换、渲染、光照、材质等多种操作，大部分对于图形的底层处理工作都由一些专门的函数来处理。
（2）检测信息的提取
在线检测仿真系统，必须在仿真过程中，如实地反映测量宏程序的每一条语句，即利用测量宏程序驱动检测仿真过程的进程。
因而该仿真系统应具备完整的检测信息提取能力，能实现对测量程序的语法检查，能实现相关的计算与判断，最为重要的是能够提取出测头的运动轨迹，以驱动测头的检测仿真。
（3）虚拟测头的驱动
在线检测系统是利用测头与待测物体的碰撞来确定接触点的位置信息的，因而检测仿真必须逼真的再现这一过程，这也是整个仿真系统的核心问题。
为保证测头可靠地撞击上待测物体，应使测头检测运动的最远行程大于测头到实际接触点位置的距离，即实际接触点位于测量起始点与测头最远行程点之间的直线段上。
综述题（二选一），
1.简述内燃机缸体泄漏检测的意义或必要性，画出缸体泄漏自动检测系统的原理图，并对该检测过程进行简要说明。
2.简述螺栓拧紧常用的控制方法，画出采用扭矩—转角控制法时螺栓拧紧曲线，并对该检测过程进行简要说明。
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