磨床砂輪輪廓磨損在線檢測技術研究

母德強，張發奎

（長春工業大學，長春 130012）

0 引言

在磨削加工中，砂輪的磨損和鈍化程度將影響著磨削加工的生產效率和加工質量。數控磨削是提高復雜曲面加工精度和表面質量的有效方法，但砂輪廓形誤差對加工精度影響較大?；谏拜唽嶋H廓形的曲面包絡磨削是解決上述問題的有效方法之一，其必要條件是及時對砂輪廓形進行高精度測量[1]。

砂輪輪廓的精確測量是實現整形砂輪的關鍵[2]。砂輪輪廓的測量方法有接觸式和非接觸式兩大類。輪廓測量主要1990的測量方法有：離線三坐標測量法、復印法[3]、在機檢測法[4,5]、結構光視覺法[6]、激光三角法[7]等方法。離線三坐標測量法操作復雜、且精度不高，復印法操作易行，但不能實時檢測；在機檢測法、結構光視覺法、激光三角法由于現場加工條件限制不能在磨削過程中應用，且使用傳感器價格昂貴，技術復雜，使用條件有限制。日本學者Katsushi Furutani[8]提出可以利用液壓法來檢測砂輪的形貌變化，但只通過頻譜檢測分析，沒有進行實際檢測，并且這種方法無法分離旋轉誤差，難以準確測得砂輪的形貌。

本文提出一種基于誤差分離技術的液壓檢測法，能夠滿足在加工環境中能夠對砂輪輪廓準確的實時測量，為自動化高精度加工提供支持。

1 誤差分離技術原理以及系統的搭建

1.1 誤差分離技術原理[9～11]

本文采用兩點法誤差分離技術，其原理為：兩點法誤差分離技術由三點法誤差分離技術發展而來的。因為兩點法誤差分離技術用到了傅立葉變換，因此兩點法誤差分離技術又稱為頻域兩點法誤差分離技術。頻域三點法誤差分離技術的原理圖如圖1所示。

圖1 頻域三點法誤差分離技術的原理圖

圖中，O為傳感器A、B和C所在位置處的位移敏感中心線的交點，也為該轉軸的實際回轉中心。但是該截面的最小二乘圓心為O0，與實際回轉中心O的偏心距為e。以O點為坐標原點建立坐標系，X軸的正方向為從回轉中心O指向傳感器A，并通過其中心線；Y軸的正方向為從回轉中心O指向傳感器B并通過其中心線，垂直于X軸。

為了消除各傳感器輸出中的回轉誤差分量，對式(1)～式(3)乘以不同的等權常系數1、a、b，然后相加。得到的方程為：

其中：a=-sin（α+β）/sinβ；b=sinα/sinβ。

為了能更好的使用傅立葉變換，在進行測量時等間隔的在被測件每一周上采集的點數N=2n。并有：

式中m、p都為正整數，那么式(4)的離散形式可以寫為：

因此式(5)可以化為：

因為sA(n)、sC(n)都為所測得的已知量，因此，式(5)作離散傅立葉變換，根據傅立葉變換的時延相移特性可得：

在式(7)中：

由h(n)=DFT-1[h(k)]=DFT-1[S(k)/G(k)]，就可求出被測工件的圓度誤差h(θ)的離散形式h(n)。

1.2 砂輪輪廓在線檢測系統的搭建

為了減小壓力源波動影響，在搭建實驗過程中運用到差壓技術[12]，如圖2所示，冷卻液由液壓泵經過過濾器，通過進液閥和穩壓閥，分兩路，每一路中的一支進入差壓傳感器的H端，另一支接入差壓傳感器的L端，并接到測量噴頭上。兩個測量噴頭的安裝位置根據兩點法誤差分離技術原理確定。兩個差壓傳感器輸出的信號分別進入放大器后經過加法器相加，再接入A/D卡，經過轉換后輸入計算機中進行處理。另外，為了確定測量的初始位置，安裝一個脈沖傳感器使其信號經過整形后輸入計算機，作為測量的基準信號，控制設備的起始。

本系統中差壓傳感器采用的是CCY15-p差壓變送器，量程為0～100kpa，精度等級0.25%FS。數據采集卡采用PCI-1716，它帶有一個250KS/s16位A/D轉換器，能夠滿足高速數據轉換的需要。

圖2 砂輪輪廓在線檢測系統

2 實驗過程、結果及分析

2.1 驗證差壓傳感器的輸出與噴嘴間隙之間的關系

在搭建砂輪輪廓測量系統時，首先要驗證傳感器的輸出與砂輪間隙之間的關系。本系統運用了差壓技術，所以能夠基本消除壓力源的波動對測量結果的影響。實驗條件為：主噴嘴直徑為1mm，兩個測量噴嘴直徑為1mm，工作壓力為0.22MPa。驗證方案：系統中的兩個測量噴嘴以每次10μm的距離單步運動，然后記錄每次差壓傳感器的輸出值。結果如圖3所示。

圖3 差壓傳感器輸出與噴嘴間隙之間的關系

圖中的數據由16組數據構成，可見當間隙在0.01mm～0.11mm時，傳感器輸出具有一定的線性關系。取間隙在0.01mm～0.11mm的數據進行線性擬合。

圖4 線性擬合圖

如圖4所示，擬合曲線的方程為：y=23.162×x+2.0002。可以得出該系統的靈敏度為：0.02316v/μm。

2.2 實驗過程

2.2.1 測量系統參數選取

根據2.1節對檢測系統靈敏度和線性區間范圍分析結果，在對砂輪表面外圓輪廓在線測量時，選取如下系統參數如表1所示。

表1 系統參數

采樣點數N=1024。兩測量噴嘴的安裝夾角為：

由本文所用MGK7120×6數控高精度平面磨床參數可知：砂輪旋轉周期T0=1/50=0.02(s)，所以，采樣頻率fs為：

根據采樣定理對信號進行數字低通濾波，取上限頻率fc=5000Hz。

利用圖2所示磨床砂輪磨損量與鈍化檢測系統，在磨削過程中對砂輪表面外圓輪廓進行二次在線側量，具體節點如表2所示。

表2 砂輪表面外圓輪廓進行三次在線側量節點

2.2.2 在線測量結果及分析

為了減小隨機誤差的影響，在每個測量節點連續采集5次數據取其集平均值。

圖5是砂輪修整后在線測量結果。

圖5 砂輪修整后砂輪外圓在線測量結果

修整后砂輪外圓輪廓的均方差S1：

圖6是磨削量到達0.6mm時在線測量結果。

圖6 磨削量到達0.6mm時砂輪外圓在線測量結果

磨削量到達0.6mm時，砂輪外圓輪廓的均方差S2：

從圖5(b)和圖6(b)可以看出，砂輪從修整及磨削過程進行砂輪外圓輪廓峰值逐漸減小，砂輪外圓輪廓的均方差也逐漸減小，因此，可以用砂輪外圓輪廓的均方差判斷其鈍化程度。對于給定的磨削工況，當磨削過程砂輪外圓輪廓的均方差小于等于給定的均方差閥值S0，此時可認為砂輪磨鈍，需要修復。

3 結論

基于誤差分離方法，采用差壓傳感器和激光位移傳感器等建立起來的砂輪輪廓在線測量系統能夠實現對砂輪輪廓的準確測量。

實驗證明：該系統可用于預報砂輪的鈍化時間，修整砂輪，為提高加工效率和設備的自動化程度，具有很強的實用意義和應用前景。