一种砂轮磨削声发射监测装置

摘要

一种砂轮磨削声发射监测装置，涉及一种声发射监测装置。设有锁紧法兰、磁性转轴、壳体、环形磁极、永磁体、磁性滑道盘、限位块、环形锥面磁极、锥齿轮、手柄、挡圈、堵塞、端盖、磁流变液、声发射传感器座、声发射传感器和检测电路；锁紧法兰与外部磨床砂轮锁紧，磁性转轴左端与锁紧法兰连接，磁性转轴设有中空孔，中空孔开口端设有堵塞，中空孔盛有磁流变液，中空孔与磁性转轴外表面连通；壳体套在磁性转轴上；环形磁极和环形锥面磁极位于壳体内且均套设于磁性转轴上，环形锥面磁极左端与磁性滑道盘连接，磁性滑道盘左端与永磁体螺接，环形锥面磁极右端与锥齿轮啮合，检测电路设于壳体外部且与声发射传感器电连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声发射监测装置，尤其是涉及一种砂轮磨削声发射监测装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，各种规格高性能光学表面在军用及民用各领域得到了广泛的 应用，现有制造水平难以满足这种与日俱增的在质量上和数量上的需求。高质量光学元件的 低成本批量生产已成为光学制造业迫切需要解决的问题。

金刚石砂轮磨削是光学元件主要的加工方式，基于砂轮磨削过程中的动态信号特征提取 与识别技术，对磨削状态进行在线监测与控制，是提高光学表面加工效率的有效途径。磨削 过程中，砂轮破损磨损、工件材料的去除、以及砂轮与工件的弹性变形等，都会产生丰富的 声发射信号，声发射信号是最能直接反映砂轮磨削状态改变的动态过程量。声发射信号衰减 严重，传感器的安装位置需要尽量靠近声源。并且，声发射信号中包含丰富的信息，传递路 径对其影响很大，传递路径中介质之间的波阻抗相差太大会导致传感器无法获取信号，传感 器与声源相对位置以及传递路径的变化，将会使得采集的声发射信号缺乏可比性，对后续声 发射信号特征提取造成困难。

磨削声发射信号源位于砂轮和工件接触区，在工件及工作台上安装声发射传感器不仅声 源距离和传递路径不断改变，而且会受到机床其他部件运行冲击和接触面摩擦的干扰，无法 获得真实可靠的信号。声发射传感器安装位置应尽量靠近信号源，并且相对位置固定。专利 号为CN96200753的实用新型提出一种非接触式的液体声发射传感器结构，安装在机床泠却液 喷嘴上，利用冷却液介质传递声发射信号。该装置受到冷却条件限制，只能用于湿磨加工， 且采集得到的信号会受到冷却液流量和压力的干扰。目前研究工作也有将压电声发射传感器 安装在砂轮周边进行磨削声发射监测，这种方式能够采集到高信噪比的声发射信号，但需要 改变砂轮结构，通用性较差。（参见文献B.Varghese.In-process monitoring of truing using a  sensor integrated diamond grinding wheel,Transactions of the North American Manufacturing  Research Institute of SME,2002：295-302.）

发明内容

本发明的目的在于提供结构简单、可实现可靠的砂轮磨削声发射信号采集的一种砂轮磨 削声发射监测装置。

本发明设有锁紧法兰、磁性转轴、壳体、环形磁极、永磁体、磁性滑道盘、限位块、环 形锥面磁极、锥齿轮、手柄、挡圈、堵塞、端盖、磁流变液、声发射传感器座、声发射传感 器和检测电路；

所述锁紧法兰与外部磨床砂轮锁紧，磁性转轴左端与锁紧法兰连接，磁性转轴设有中空 孔，中空孔开口端设有堵塞，中空孔盛有磁流变液，中空孔与磁性转轴外表面通过径向孔连 通；壳体套在磁性转轴上，壳体左端与磁性转轴转动配合，壳体右端与挡圈固连，挡圈套在 磁性转轴上且与磁性转轴转动配合；环形磁极和环形锥面磁极位于壳体内且均套设于磁性转 轴上，环形磁极中心孔和环形锥面磁极中心孔与磁性转轴外表面之间均设有磁流变液聚集间 隙，环形锥面磁极左端与磁性滑道盘连接，磁性滑道盘左端与永磁体螺接，环形锥面磁极右 端与锥齿轮啮合，手柄设于锥齿轮上且露出壳体；声发射传感器座设于壳体上，声发射传感 器设于声发射传感器座内，检测电路设于壳体外部且与声发射传感器电连接。

所述壳体左端与磁性转轴之间最好通过自润滑轴承转动配合；所述挡圈与磁性转轴之间 最好通过自润滑轴承转动配合。

所述永磁体最好由多个永磁体块组成，各永磁体块按圆周均布于磁性滑道盘上，各永磁 体块均设有钢底板，钢底板底部设有平面螺纹；所述磁性滑道盘左端设有向心均布的径向槽， 径向槽内设有平面螺纹，各永磁体块的钢底板均通过平面螺纹与磁性滑道盘的径向槽内的平 面螺纹螺接。

所述环形磁极和环形锥面磁极的中心孔最好均设有梯形极齿。

所述声发射传感器最好采用压电式声发射传感器。

与现有声发射监测装置相比，本发明的工作原理及有益效果如下：

将本发明安装在磨床砂轮轴端，首先通过手柄逆时针旋转锥齿轮，通过平面螺纹配合， 使永磁体移动距圆心最远处，开机使砂轮轴旋转，磁性转轴的中空孔存放的磁流变液在转轴 旋转过程中，由于离心力的作用，沿小孔到达环形磁极与磁性转轴之间的间隙及环形锥面磁 极与磁性转轴之间的间隙。然后通过手柄顺时针旋转锥齿轮，使永磁体到达最近圆心位置时， 永磁体以环形磁极和环形锥面磁极左右两个磁极为桥梁，磁力线通过磁性转轴表面及磁性转 轴与环形磁极和环形锥面磁极之间的间隙，形成闭合磁回路。在两个磁极的内孔的梯形极齿 边缘部分磁通量最大，聚集磁流变液，磁流变液在强磁场中表面呈现波峰现象，紧紧接触磁 性转轴和环形磁极和环形锥面磁极，聚集在极齿边缘的磁流变液形成环绕转轴的一系列“o” 形磁流变环，使得磁性转轴和磁极间保持可靠的液体接触。

将表面涂覆耦合剂的声发射传感器压紧在壳体表面。从磨削区到声发射传感器的信号传递 路径不变，且介质均为固体或液体，固体和液体波阻抗接近，可以有效减小介质界面上波的 反射率，减小声发射信号的衰减，提高信噪比。

由此可见，本发明具有以下突出优点：

1、传递路径固定。本发明安装在砂轮主轴轴端，与磨削区域相对位置始终不变，相比安 装在工作台或夹具上，可以有效减少相对位置不断改变引起的声发射信号特征的不确定性。

2、信噪比高。当永磁体最靠近圆心位置时，永磁体通过环形磁极和环形锥面磁极左右两 个磁极，使得磁性转轴表面及其与磁极间间隙处具有较强的磁场，磁极内孔表面等间距梯形 极齿的设计，使得磁流变液在磁性转轴和磁极的间隙中呈规律分布，磁流变液在强磁场中呈 现表面波峰现象，有很高的剪切屈服强度，从而使得磁性转轴和磁极通过多个规律分布的“o” 形磁流变环形成稳定接触，排除转子和定子之间的间隙，减少由于传递介质波阻抗差别造成 的声发射波的反射损失。同时，装置选择自润滑轴承支撑壳体，转子和定子之间滑动摩擦引 入的噪声远小于滚动轴承支撑。

3、安装方便。该装置主要由两部分组成，首先将锁紧法兰替代机床原有锁紧螺母，安装 并锁紧砂轮。磁性转轴与壳体等构成装置的主体结构，其法兰端与锁紧法兰通过螺栓连接， 接触面涂抹耦合剂消除接触面空隙，降低声发射信号的反射损耗。

4、操作方便。通过旋钮可以改变永磁体径向位置，从而改变磁场大小，控制磁流变液 的流动性。弱磁场时，磁流变液流动性好，打开端盖和堵塞，可以很方便的添加磁流变液， 补充损耗，并且可以利用离心力作用使其充分进入磁性转轴和磁极之间的缝隙。形成强磁场 后，磁流变液粘度增加，具有有很高的剪切屈服强度，确保紧密接触。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的磁性滑道盘和永磁体结构示意图。

具体实施方式

参见图1和2，本发明实施例设有锁紧法兰1、磁性转轴2、壳体3、环形磁极4、6块永磁体 块5、磁性滑道盘6、限位块7、环形锥面磁极8、锥齿轮9、手柄10、挡圈11、堵塞14、端盖15、 磁流变液16、声发射传感器座18、声发射传感器(图中未画出）和检测电路（图中未画出）。

锁紧法兰1与外部磨床砂轮锁紧。磁性转轴2左端与锁紧法兰1连接，磁性转轴2设有中空 孔21，中空孔21开口端设有堵塞14，中空孔21盛有磁流变液，中空孔21与磁性转轴2外表面通 过4个径向小孔22连通。壳体3套在磁性转轴2上，壳体3左端与磁性转轴2通过自润滑轴承13 转动配合，壳体3右端与挡圈11固连，挡圈11套在磁性转轴2上且与磁性转轴2通过自润滑轴承 13转动配合；环形磁极4和环形锥面磁极8位于壳体3内且均套设于磁性转轴2上，环形磁极4 中心孔和环形锥面磁极8中心孔均设有梯形极齿，梯形极齿与磁性转轴2外表面之间形成磁流 变液聚集间隙（图1中黑色表示磁流变液），环形锥面磁极8左端与磁性滑道盘6连接，磁性滑 道盘6左端与6块永磁体块5螺接，各永磁体块5按圆周均布于磁性滑道盘6上，各永磁体块5均 设有钢底板，钢底板底部设有平面螺纹。所述磁性滑道盘6左端面设有6个向心均布的径向槽 61，径向槽61内设有平面螺纹，永磁体块5的钢底板安装在径向槽61内，永磁体块5的钢底板 均通过平面螺纹与磁性滑道盘6的径向槽61内的平面螺纹螺接。磁性滑道盘6的每个径向槽61 的两端设有限位块7，限位块7将磁性滑道盘6与环形锥面磁极8连为一体，限位块7用于永磁体 块5径向位移的限位。图2中的虚框表示永磁体块5可径向移动。

环形锥面磁极8右端与锥齿轮9啮合，手柄10设于锥齿轮9上且露出壳体3。声发射传感器 座18设于壳体3上，压电式声发射传感器设于声发射传感器座18内，检测电路设于壳体3外部 且与声发射传感器电连接。

旋转手柄10可以旋转锥齿轮9，并使环形锥面磁极8旋转，从而使各永磁体块5同步径 向运动。顺时针旋转时，各永磁体块5向圆心靠拢，逆时针则同步远离圆心。

在图1中，标记12为垫片、17为Ｏ型密封圈。