智能加工的主动感知与判断

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。感知与检测分为: 机床检测、工件检测、刀具检测。

1. 在线检测

在线检测也称为实时检测，是在加工的过程中对刀具或工件进行实时检测，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。测量系统由接触触发式测头、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，常用的是英国雷尼绍公司生产的雷尼绍测头，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。

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。要实现数控机床的在线检测，首先应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，当测头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。现在工件检测、刀具检测广泛使用主动测量仪，如马尔波斯量仪、中原量仪、雷尼绍量仪等。

2. 机床检测

位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制以保证工件与刀具的相对正确位置。机床的位置检测分为，直接测量和间接测量。

直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，以此作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制，大多使用光栅。间接测量是将旋转型检测装置安装在驱动电动机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，并以此作为半闭环伺服系统的位置反馈用，大多使用编码器。检测机床的位置后，根据测量结果自动修改插补指令，改善加工精度。

所以，在线检测分为机床检测、工件检测两种形式，它们都是主动测量，根据测量结果自动修改加工程序或指令，改善加工精度。

3. 传感器技术的应用

一般认为，传感器是将一种物理量经过电路转换成另外一种直观的可表达的物理量的描述。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将其按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节，现代科技不断进步，但凡是智能的东西，里面都少不了传感器的存在。在智能加工的机床和机器人 (机械手) 中都安装了很多传感器，它们相当于智能加工的眼睛和耳朵，是智能加工主动感知的器官。因此，传感器的分辨率、灵敏度、抗干扰能力决定着智能加工的及时性和反馈性，并影响智能加工的控制信息采集。在智能加工中用传感器检测和控制机床位置和速度，检测机器人的机械手压力。

(1) 传感器在数控机床中的应用

传感器在数控机床中占据重要地位，利用它监视和测量数控机床的每一步工作过程。下面以进给控制为例，介绍传感器在数控机床中的应用。以位置检测装置为代表的传感器，在保证数控机床高精度方面起到了重要作用。

拖板的横向运动为Z轴，由Z轴进给伺服电动机通过Z轴滚珠丝杠来实现; 拖板上刀架的径向运动为X轴，由X轴进给伺服电动机通过X轴滚珠丝杠来实现。伺服电动机端部配有光电编码器，用于角位移测量和数字测速，角位移通过丝杠螺距能间接反映拖板或刀架的直线位移。以Z轴为例，该轴的伺服控制框图如图2-7所示。随着伺服电动机带动拖板运动，光电编码器产生与直线位移x成正比的脉冲信号，该信号反映了拖板的实际位置值，并作为位置反馈信号Pf与数控系统运算获得的位置指令Pc进行比较，生成位置偏差信号Pe，即Pe=Pc-Pf，经信号转换电路生成速度控制信号nc。nc与速度反馈信号nf比较后，经信号调节和功率驱动拖动伺服电动机，经滚珠丝杠螺母带动拖板继续做直线运动。

图2-7 Z轴的伺服控制框图

当拖板运动至Pf=Pc时，则Pe=Pc-Pf=0，伺服电动机停转，于是拖板就停在位置指令Pc所规定的位置处。由此可见，光电编码器的分辨率决定了工作台实际位移值的精度，从而影响到数控机床位置控制的精度。数控机床中的角编码器多采用光电编码器，一般位置测量选用增量式，重要的测量选用绝对式。

另外，与伺服电动机同轴连接的光电编码器一方面用于测量丝杠的角位移θ; 另一方面也可用于数字测速，产生速度反馈信号nf。在高精度数控机床中，位置检测装置可采用直线光栅，它的测量精度比光电编码器高，但价格也较高。

光栅尺固定在床身上，在进给驱动中，扫描头随拖板运动，产生与直线位移x成正比的脉冲信号，该信号直接反映了拖板的实际位置值。目前，数控机床用的光栅分辨率可达1μm，更高精度的可达0.1μm。如果说用光电编码器作为工作台位置检测装置的伺服系统称为半闭环控制系统的话，那么，用光栅作为工作台位置检测装置的伺服系统则称为全闭环控制系统，如图2-8中的虚线部分所示。

图2-8 全闭环控制系统

另外，与主轴相连的主轴编码器也是一个光电编码器，用于车螺纹的控制，其作用是使主轴的转速与Z轴进给匹配，以保证螺距的一致性。

(2) 传感器在机器人中的应用

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，动作程序灵活，有一定程度的智能性，在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起到了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。

机器人传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

①内部传感器: 用来检测机器人本身状态 (如手臂间角度) 的传感器，多为检测位置和角度的传感器。

②外部传感器: 用来检测机器人所处环境 (如是什么物体，离物体的距离有多远等) 及状况 (如抓取的物体是否滑落) 的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、嗅觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。

传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件，能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。为了实现在复杂、动态及不确定性环境下的自主性，各国研制人员逐渐将视觉、听觉、压觉、热觉、力觉传感器等多种不同功能的传感器合理地组合在一起，形成机器人的感知系统，为机器人提供更为详细的外界环境信息，进而促使机器人对外界环境变化做出实时、准确、灵活的行为响应。如今触觉传感器、视觉传感器、倾角传感器 (或倾角模块)、力觉传感器、嗅觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等多类型传感器已普遍应用于机器人上。这些传感器使得机器人更具有感知功能，能够实现更加复杂的分析和更好地完成工作，大大改善了机器人工作的状况。

触觉传感器属于一流的现代传感器，这类传感器可以现场解决对夹持力和表面的监控，它能够在识别物体的同时以高灵敏度夹持物体。触觉传感器可以协助机器可靠安全地处理不同几何形状的易碎组件，还可以协助和连接变化的对象。未来，触觉传感器将在服务型机器人领域扮演越来越重要的角色，它们使夹持手转变为灵敏的手，可高效应用于复杂和无序的环境中。

目前，工业自动化的力矩传感器能够以所有6个自由度测量力量和时间。第6个轴配备了机器人控制界面，因此连接大幅简化。该高精准传感器以7000Hz的频率高速输出数据，遵循5个通信协议(Ethernet、Ethernet/IP、DeviceNet、Profi-net和一个CAN-Bus接口)，通过LAN实现远程控制，并且具有独一无二的接口兼容性，可以通过网页界面进行配置。它可以应用到产品测试、机器人组装、加工任务(如打磨和抛光)、机器人手术，以及康复和神经学等其他领域; 该传感器也支持高度动态控制观念，因此可以用于自动化复杂装配、加工和完成过去人工或利用复杂的特殊机器才能完成的任务。

目前，使多传感器信息融合体系化尚有困难，而且缺乏理论依据。多传感器信息融合的理想目标应是人类的感觉、识别、控制体系，但由于对后者尚无一个明确的工程学阐述，所以机器人传感器融合体系要具备什么样的功能尚是一个模糊的概念。相信随着机器人智能水平的提高，多传感器信息融合理论和技术将逐步完善和系统化。