基于激光三角法的砂輪磨損量檢測

母德強， 鄭金濤， 司蘇美， 馬松彪，

趙世彧， 劉金欣， 姚松林， 郝鵬飛

(長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

磨削加工是最常用的加工方法之一，在磨削加工中，特別是自動化磨削加工，砂輪表面磨粒不可避免地會產(chǎn)生磨損、脫落，砂輪的加工精度和加工效率也會受到影響，若得不到及時修整,可能會加工出廢品。因此，研究快速檢測磨床砂輪磨損情況對提高加工效率、磨削質(zhì)量具有重大意義。

常用的砂輪磨損量檢測方法有聲發(fā)射法[1-6]、光截法[7-10]、液壓法[11-12]、氣壓法[13-15]、激光測距法[16]等，聲發(fā)射法工作條件要求高，有較多干擾性聲發(fā)射源，消除干擾源很困難，嚴重影響評定效果。國內(nèi)所進行的聲波發(fā)射法多應用在普通磨床上;光截法主要用于觀察磨粒形狀及其變動情況；液壓法精度低，不能精確測出準確磨損量[12];氣壓法線性測量范圍小，很難應用到實際中[15]；激光測距法目前不能有效消除轉(zhuǎn)動誤差帶來的干擾。

基于激光三角法的砂輪磨損量檢測擁有較大的測量區(qū)間，并且可以有效地消除轉(zhuǎn)動誤差帶來的干擾，且具有較高的測量精度。

1 系統(tǒng)組成及其原理

1.1 激光三角測量法工作原理

激光三角測量法原理如圖1所示。

圖1 激光三角測量法原理

圖中:a----參考平面與成像透鏡的距離;

b----成像透鏡與光電探測器的距離;

θ1----激光與激光打在參考平面漫反射到成像透鏡之間的夾角;

θ2----參考平面漫反射到光電探測器的光點與光電探測器之間的夾角;

X1,X2----被測面位移量;

當測量平面在參考平面下方時，由圖1可得

(1)

化簡式(1)可得

(2)

同理，當測量平面在參考平面上方時，由圖1可得

(3)

化簡式(3)可得

(4)

根據(jù)式(2)和式(4)可以得出實際磨損量X1與X2。

1.2 系統(tǒng)組成

基于激光三角法測量磨床砂輪磨損量方法如圖2所示。

圖2 砂輪磨損量檢測系統(tǒng)原理

圖中激光光電開關(guān)用于測量砂輪轉(zhuǎn)速，砂輪下方的激光位移傳感器用于測量砂輪磨損量。選用M7130B平面磨床，主要參數(shù)見表1。

表1 平面磨床參數(shù)

激光位移傳感器采用基恩士LK-G30，主要參數(shù)見表2。

表2 LK-G30激光位移傳感器參數(shù)

數(shù)據(jù)采集卡采用PLC-1716型16位，主要參數(shù)見表3。

表3 PLC-1716型16位A/D數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

現(xiàn)場測量裝置如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測量裝置

1.3 系統(tǒng)原理

計算機通過A/D采集卡對光電開關(guān)輸出信號進行采集與分析，可得到砂輪轉(zhuǎn)速。同理，計算機通過A/D采集卡對激光測距傳感器輸出信號進行采集與分析，可得到砂輪的磨損量。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗方案

由于砂輪不平衡量的存在，在砂輪轉(zhuǎn)動過程中將產(chǎn)生振動，并具有周期性特點。為了消除此影響，采用測量點數(shù)與測量點間隔時間之積為砂輪旋轉(zhuǎn)周期，并將多點測量值取平均值作為砂輪表面到位移傳感器的距離值。

2.2 測量步驟

1)測量砂輪轉(zhuǎn)動周期；

2)整周期內(nèi)采集N個點并求平均，作為砂輪表面與傳感器之間距離L1的測量值；

3)同條件下，向上移動砂輪smm后再進行測量N個點，并求平均，可得到砂輪表面與傳感器之間距離L2的測量值；

4)以此類推，可以得到砂輪表面到傳感器之間的距離變化值L3,L4,…,Lm的測量值。

2.3 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)過測量，砂輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，這里設(shè)定一圈采集400個點，每次砂輪架向上移動s=0.05 mm，此條件下測量結(jié)果見表4，擬合曲線如圖4所示。

表4 整周期內(nèi)采樣(400點)

圖4 整周期內(nèi)采樣傳感器輸出與移動距離關(guān)系

其擬合方程為

y=0.982 5x+0.002 4。

(5)

根據(jù)方程(5)和表4的測量值，可以計算出線性度

系統(tǒng)的靈敏度為0.982 5 V/mm。此時線性區(qū)間為(0, 0.999 8)，因為激光位移傳感器的線性區(qū)間為±5 mm，理論上此測量方法的線性區(qū)間可以達到10 mm。

當測量點數(shù)與測量點間隔時間之積為0.8個砂輪轉(zhuǎn)動周期時，其測量結(jié)果見表5，擬合曲線如圖5所示。

表5 0.8周期內(nèi)采樣

續(xù)表5

圖5 0.8周期內(nèi)采樣傳感器輸出與移動距離關(guān)系

其擬合方程為

y=1.027 9x+0.018 9。

(6)

根據(jù)方程(6)和表5的測量值，可以計算出線性度

可見，砂輪不平衡量的影響較大，0.8個周期采樣無法消除砂輪不平衡量引起振動所帶來的誤差，因此,擬合曲線線性度較大，測量準確度不高。

為了觀察線性度與測量點數(shù)有無關(guān)系，同條件下一圈采集點數(shù)由400個增加至1 000個，其測量結(jié)果見表6。

根據(jù)表6可以得出整周期測量每周期采集1 000點線性度為

系統(tǒng)的靈敏度為0.986 1 V/mm。

可見，對于整周期內(nèi)采樣，采樣點數(shù)對測量值的影響不大，都可以得到較精確的測量值。

3 結(jié) 語

基于激光三角法原理可以進行磨床砂輪磨損量的測量，通過實驗分析得出以下結(jié)論：

1)線性區(qū)間比較大，測量范圍較大，取決于激光位移傳感器的線性區(qū)間值。

2)整周期測量可以良好地消除砂輪不平衡量引起的測量誤差，其測量線性度小于0.6%。

3)整周期內(nèi)測量，當測量點數(shù)達到一定數(shù)目時，測量點數(shù)的變化對測量數(shù)值影響不大。

表6 整周期內(nèi)采樣(1 000點)