磨床砂輪輪廓磨損在線檢測(cè)技術(shù)研究

母德強(qiáng)，張發(fā)奎

（長春工業(yè)大學(xué)，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(chǎn)效率和加工質(zhì)量。數(shù)控磨削是提高復(fù)雜曲面加工精度和表面質(zhì)量的有效方法，但砂輪廓形誤差對(duì)加工精度影響較大?；谏拜唽?shí)際廓形的曲面包絡(luò)磨削是解決上述問題的有效方法之一，其必要條件是及時(shí)對(duì)砂輪廓形進(jìn)行高精度測(cè)量[1]。

砂輪輪廓的精確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)整形砂輪的關(guān)鍵[2]。砂輪輪廓的測(cè)量方法有接觸式和非接觸式兩大類。輪廓測(cè)量主要1990的測(cè)量方法有：離線三坐標(biāo)測(cè)量法、復(fù)印法[3]、在機(jī)檢測(cè)法[4,5]、結(jié)構(gòu)光視覺法[6]、激光三角法[7]等方法。離線三坐標(biāo)測(cè)量法操作復(fù)雜、且精度不高，復(fù)印法操作易行，但不能實(shí)時(shí)檢測(cè)；在機(jī)檢測(cè)法、結(jié)構(gòu)光視覺法、激光三角法由于現(xiàn)場加工條件限制不能在磨削過程中應(yīng)用，且使用傳感器價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，使用條件有限制。日本學(xué)者Katsushi Furutani[8]提出可以利用液壓法來檢測(cè)砂輪的形貌變化，但只通過頻譜檢測(cè)分析，沒有進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，并且這種方法無法分離旋轉(zhuǎn)誤差，難以準(zhǔn)確測(cè)得砂輪的形貌。

本文提出一種基于誤差分離技術(shù)的液壓檢測(cè)法，能夠滿足在加工環(huán)境中能夠?qū)ι拜嗇喞獪?zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量，為自動(dòng)化高精度加工提供支持。

1 誤差分離技術(shù)原理以及系統(tǒng)的搭建

1.1 誤差分離技術(shù)原理[9～11]

本文采用兩點(diǎn)法誤差分離技術(shù)，其原理為：兩點(diǎn)法誤差分離技術(shù)由三點(diǎn)法誤差分離技術(shù)發(fā)展而來的。因?yàn)閮牲c(diǎn)法誤差分離技術(shù)用到了傅立葉變換，因此兩點(diǎn)法誤差分離技術(shù)又稱為頻域兩點(diǎn)法誤差分離技術(shù)。頻域三點(diǎn)法誤差分離技術(shù)的原理圖如圖1所示。

圖1 頻域三點(diǎn)法誤差分離技術(shù)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(diǎn)，也為該轉(zhuǎn)軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)中心。但是該截面的最小二乘圓心為O0，與實(shí)際回轉(zhuǎn)中心O的偏心距為e。以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，X軸的正方向?yàn)閺幕剞D(zhuǎn)中心O指向傳感器A，并通過其中心線；Y軸的正方向?yàn)閺幕剞D(zhuǎn)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(zhuǎn)誤差分量，對(duì)式(1)～式(3)乘以不同的等權(quán)常系數(shù)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(jìn)行測(cè)量時(shí)等間隔的在被測(cè)件每一周上采集的點(diǎn)數(shù)N=2n。并有：

式中m、p都為正整數(shù)，那么式(4)的離散形式可以寫為：

因此式(5)可以化為：

因?yàn)閟A(n)、sC(n)都為所測(cè)得的已知量，因此，式(5)作離散傅立葉變換，根據(jù)傅立葉變換的時(shí)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的搭建

為了減小壓力源波動(dòng)影響，在搭建實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用到差壓技術(shù)[12]，如圖2所示，冷卻液由液壓泵經(jīng)過過濾器，通過進(jìn)液閥和穩(wěn)壓閥，分兩路，每一路中的一支進(jìn)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(cè)量噴頭上。兩個(gè)測(cè)量噴頭的安裝位置根據(jù)兩點(diǎn)法誤差分離技術(shù)原理確定。兩個(gè)差壓傳感器輸出的信號(hào)分別進(jìn)入放大器后經(jīng)過加法器相加，再接入A/D卡，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。另外，為了確定測(cè)量的初始位置，安裝一個(gè)脈沖傳感器使其信號(hào)經(jīng)過整形后輸入計(jì)算機(jī)，作為測(cè)量的基準(zhǔn)信號(hào)，控制設(shè)備的起始。

本系統(tǒng)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(jí)0.25%FS。數(shù)據(jù)采集卡采用PCI-1716，它帶有一個(gè)250KS/s16位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠滿足高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需要。

圖2 砂輪輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果及分析

2.1 驗(yàn)證差壓傳感器的輸出與噴嘴間隙之間的關(guān)系

在搭建砂輪輪廓測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，首先要驗(yàn)證傳感器的輸出與砂輪間隙之間的關(guān)系。本系統(tǒng)運(yùn)用了差壓技術(shù)，所以能夠基本消除壓力源的波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：主噴嘴直徑為1mm，兩個(gè)測(cè)量噴嘴直徑為1mm，工作壓力為0.22MPa。驗(yàn)證方案：系統(tǒng)中的兩個(gè)測(cè)量噴嘴以每次10μm的距離單步運(yùn)動(dòng)，然后記錄每次差壓傳感器的輸出值。結(jié)果如圖3所示。

圖3 差壓傳感器輸出與噴嘴間隙之間的關(guān)系

圖中的數(shù)據(jù)由16組數(shù)據(jù)構(gòu)成，可見當(dāng)間隙在0.01mm～0.11mm時(shí)，傳感器輸出具有一定的線性關(guān)系。取間隙在0.01mm～0.11mm的數(shù)據(jù)進(jìn)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?？梢缘贸鲈撓到y(tǒng)的靈敏度為：0.02316v/μm。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)選取

根據(jù)2.1節(jié)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度和線性區(qū)間范圍分析結(jié)果，在對(duì)砂輪表面外圓輪廓在線測(cè)量時(shí)，選取如下系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

采樣點(diǎn)數(shù)N=1024。兩測(cè)量噴嘴的安裝夾角為：

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

根據(jù)采樣定理對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)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(cè)系統(tǒng)，在磨削過程中對(duì)砂輪表面外圓輪廓進(jìn)行二次在線側(cè)量，具體節(jié)點(diǎn)如表2所示。

表2 砂輪表面外圓輪廓進(jìn)行三次在線側(cè)量節(jié)點(diǎn)

2.2.2 在線測(cè)量結(jié)果及分析

為了減小隨機(jī)誤差的影響，在每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)連續(xù)采集5次數(shù)據(jù)取其集平均值。

圖5是砂輪修整后在線測(cè)量結(jié)果。

圖5 砂輪修整后砂輪外圓在線測(cè)量結(jié)果

修整后砂輪外圓輪廓的均方差S1：

圖6是磨削量到達(dá)0.6mm時(shí)在線測(cè)量結(jié)果。

圖6 磨削量到達(dá)0.6mm時(shí)砂輪外圓在線測(cè)量結(jié)果

磨削量到達(dá)0.6mm時(shí)，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(jìn)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(duì)于給定的磨削工況，當(dāng)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(shí)可認(rèn)為砂輪磨鈍，需要修復(fù)。

3 結(jié)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(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)砂輪輪廓的準(zhǔn)確測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)可用于預(yù)報(bào)砂輪的鈍化時(shí)間，修整砂輪，為提高加工效率和設(shè)備的自動(dòng)化程度，具有很強(qiáng)的實(shí)用意義和應(yīng)用前景。