利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置

摘要

本发明涉及一种利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置，采用压力传感器实时在线检测砂轮表面气流场的动压力；通过气流场动压力的变化分析计算得到磨削过程中砂轮的磨损量，进而得到砂轮的补偿进给量，然后通过数控机床系统发出补偿进给指令，完成砂轮的补偿进给；利用微调机构在砂轮补偿进给后对传感器的位置进行微调，保证气流场压力的检测的灵敏性与精确度。本发明适用范围比较广，避免了使用磨削液湿磨加工中，磨削液对信号采集造成的不利影响；采用差动螺旋机构作为微调机构，在砂轮补偿进给后可以调整压力传感器与砂轮之间的间隙，保证了所要采集的动压力信号的强度，进而保证了计算得到的砂轮磨损量的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磨削加工领域中的磨损量在线检测方法和装置，即一种利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置。

背景技术

在数控磨削加工中，砂轮的磨损会使被加工零件的尺寸发生改变。当被加工零件的尺寸超差时，必须对砂轮的磨损进行补偿。传统的方法是停机由人工对工件尺寸进行检测，再根据检测结果确定砂轮的补偿量。这种方法生产效率低下，检测人员劳动强度大，并且在检测过程中容易引入人为误差。

随着加工系统自动化程度的提高，由于磨削过程中参数复杂，相互关联，信息量大，再加上磨削的高速和高精度要求，对实时性监控要求非常高，欲获得良好稳定的加工质量，对加工过程中砂轮磨损的在线检测与补偿技术就越来越重要。原来由工人观察磨削状态、测量工件尺寸，凭经验判断砂轮是否磨损并做出相应补偿的任务改由自动在线检测系统来承担。采用在线检测与补偿技术后，可减少人为技术因素引起的误差，降低了产品不合格率，在有效保证产品质量的同时，提高了生产效率。《制造业自动化》中记载的“基于在线检测技术的砂轮磨损补偿方法研究”给出了一种在线的检测补偿方法，采用在线检测技术后，能够将由于人和技术因素引起的故障停机时间减少75％，将有效加工时间由无检测系统时的10％提高到65％，将机床利用率提高到50％以上，并节省30％以上的加工费用。因此，建立砂轮磨损状态在线检测系统，是精密超精密制造领域质量控制的重要课题之一，具有重要的工程意义。

砂轮补偿量是由砂轮的磨损量直接确定，所以如何在线检测砂轮的磨损量是砂轮补偿问题的关键。砂轮的磨损量的在线检测方法分直接检测法和间接检测法。直接检测法包括声发射测量法、光导纤维测量法、摄像法、接触电阻测量法和放电电流测量法等。间接检测法包括切削力法、扭矩法、切削振动法、工件尺寸法和工件表面粗糙度法等。以上方法均应用于干磨削加工中，而在磨削加工中，磨削液占有重要的地位，因为它具有润滑、冷却、清洗、防锈、降低磨削力和改善工件表面质量等功效，是磨削加工过程不可缺少的生产要素之一。在有磨削液使用的磨削加工中，由于磨削液的存在对信号的采集产生干扰，影响测量精度，甚至无法使用，所以应用范围受到很大的限制。

磨削最主要的特征是砂轮在主轴的带动下高速旋转，因此在高速旋转砂轮表面形成一层空气附面层即气流场。气流场是磨削加工存在砂轮周边的必然现象，气流场的压力大小及其分布规律，与砂轮的磨损量密切相关，因此，通过检测气流场的压力变化就可以计算得到砂轮在磨削过程中的磨损量，进而进行相应的补偿。《金刚石与磨料磨具工程》中记载的“磨削区内气流场速度和压力分布规律的研究进展”一文对气流场速度和压力的分布规律进行了初步探讨，但并未给出如何通过气流场对磨损进行分析的内容。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置，它通过压力传感器在线检测气流场的压力变化，从而计算出砂轮磨削过程中的磨损量，最终实现砂轮的补偿进给。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法，在磨削加工过程中，采用压力传感器实时在线检测砂轮表面气流场的动压力；通过气流场动压力的变化分析计算得到磨削过程中砂轮的磨损量，将磨损量作为砂轮的补偿进给量，然后通过数控机床系统发出补偿进给指令，完成砂轮的补偿进给；利用微调机构在砂轮补偿进给后对传感器的位置进行微调，保证气流场压力的检测的灵敏性与精确度。

所述间隙与气流场压力之间的关系为：气流场动压力与砂轮表面与压力传感器之间的间隙距离h₀成反比，即砂轮磨损，砂轮直径减小，砂轮表面与压力传感器之间的距离h₀增大，气流场动压力减小，而且动压力变化大小与砂轮磨损量根据数学模型计算得到，通过调整砂轮与工件之间的径向进给量来补偿砂轮的磨损量，从而保证零件的加工精度。

它包括气流场压力检测装置，该装置包括压力传感器，压力传感器设置在砂轮正上方，两者间留有间隙；压力传感器与位置调整机构连接，同时压力传感器还与计算机控制系统连接，构成在线检测系统。

所述位置调整结构为差动螺旋机构，它安装在机架上，压力传感器安装在差动螺旋机构下部。

所述差动螺旋机构包括安装在机架中的主动螺母，主动螺母具有旋向相同而螺距不等的内、外螺纹，外螺纹与机架配合，主动螺母上部设有摇杆，下部与微调螺杆连接，并通过内螺纹与微调螺杆配合；压力传感器安装在微调螺杆下部；通过摇杆转动主动螺母，主动螺母沿轴向移动，同时微调螺杆带动压力传感器相对主动螺母沿轴向移动，位移为：

所述机架上还设有与主动螺母相配合的测量摇杆转动角度的转动定量装置。

所述转动定量装置包括指针和刻度盘，刻度盘在机架上端面沉孔的端面上，指针在主动螺母上端面上，其中指针随主动螺母的转动而转动，刻度盘指示其转过的角度。

所述主动螺母的外螺纹的螺距s₁大于内螺纹的螺距s₂，且s₁/s₂＝1.2-5。

所述计算机控制系统包括与压力传感器连接的放大器，放大器依次与滤波器、A/D转换器连接，A/D转换器将测得的气流场压力数值与设定的气流场压力数值进行比较，比较值送入计算机，计算机与驱动器和伺服电机连接，伺服电机驱动砂轮。

本发明总的构思是利用磨削过程中高速旋转的砂轮表面产生的气流场，通过压力传感器检测气流场的动压力，当砂轮产生磨损时，表面的气流场会发生相应的变化，压力传感器将检测到的信号传递到计算机系统，通过分析计算得到砂轮的磨损量，进而得到所需的补偿进给量，然后对数控系统发出补偿进给指令，完成砂轮的补偿进给。由于气流场是磨削加工中存在砂轮周边的必然现象，且其存在不受磨削液的影响，从而避免了湿磨加工中磨削液对信号采集的不利影响。同时由于气流场中动压力随传感器与砂轮之间的间隙的减小而增大，当砂轮磨损量太大，导致气流场动压力值过小，监测动压力的信号减弱，设有差动螺旋机构，来调整砂轮表面与压力传感器之间的间隙距离h₀，从而保证了信号的强度，以及对砂轮磨损量检测的灵敏度和准确性。

本发明将压力传感器置于砂轮正上方检测气流场的压力，将检测到的信号传递到计算机控制系统，气流场的动压力与砂轮表面和传感器之间的间隙距离h₀的数学模型可用下式表式：

$>p=\frac{3\mathrm{v\eta }\sqrt{{\mathrm{Dh}}_0}}{h_0^2}\{\gamma +\pi /2+\frac{\sin 2\gamma }{2}-1.226\times [\frac{3}{4}(\gamma +\pi /2)+\frac{\sin 2\gamma }{2}+\frac{\sin 4\gamma }{10}\left]\right\}$>

式中：p为气流场动压力，x为砂轮与传感器作用区间的水平坐标轴，D为砂轮直径，h₀为砂轮表面和传感器之间的间隙，v为砂轮线速度，η为气流场粘度。砂轮磨损后，砂轮表面和传感器之间的间隙距离增加，流体动压力减小，通过检测气流场的动压力就可推断磨损后的砂轮表面和传感器之间的间隙距离，因此得到砂轮的磨损量，进而得到所需的砂轮补偿进给量，然后由数控机床的控制系统输出进给指令，完成砂轮的补偿进给的一种砂轮磨损在线检测装置系统。

气流场压力检测装置包括压力传感器，将压力传感器置于其中，采集气流场的压力信号。整个装置置于砂轮正上方，其中压力传感器通过差动螺旋机构与机架相连，然后将采集的信号传递到计算机控制系统。差动螺旋机构可满足在砂轮补偿进给后对传感器的位置进行微调。其中机架上的定量转动装置可以实现对摇杆转动角度的定量。

差动螺旋机构包括摇杆、机架、主动螺母、微调螺杆和压力传感器，其中主动螺母分别于机架、微调螺杆之间采用螺旋副进行定位，压力传感器与微调螺杆固连。

主动螺母具有旋向相同而螺距不等的内、外螺纹，分别与微调螺杆以及机架组成螺旋副A、B。通过摇杆转动主动螺母，主动螺母沿轴向移动，同时微调螺杆带动压力传感器相对主动螺母沿轴向移动。

主动螺母的外螺纹的螺距s₁大于内螺纹的螺距s₂，且s₁/s₂＝1.2-5。

转动定量装置包括指针和刻度盘，其中指针随摇杆的转动而转动，刻度盘指示其转过的角度。刻度盘在机架上端面沉孔的端面上；指针在主动螺母上端面上。机架与机床床体固连。

本发明的有益效果是：在磨削加工过程中，采用压力传感器实时在线检测砂轮表面气流场的动压力。通过气流场动压力的变化分析计算得到磨削过程中砂轮的磨损量，进而得到砂轮的补偿进给量，然后通过数控机床系统发出补偿进给指令，完成砂轮的补偿进给，而且微调机构在砂轮补偿进给后可以对传感器的位置进行微调，保证气流场压力的检测的灵敏性与精确度。与现有技术相比，本发明适用范围比较广，通过采集砂轮表面气流场的压力来计算磨损量，避免了使用磨削液湿磨加工中，磨削液对信号采集造成的不利影响；采用差动螺旋机构作为微调机构，在砂轮补偿进给后可以调整压力传感器与砂轮之间的间隙，保证了所要采集的动压力信号的强度，进而保证了计算得到的砂轮磨损量的准确性。

附图说明

图1是一种实施例的系统结构原理图；

图2是这种实施例的信号采集装置的剖视图；

图3是这种实施例的信号采集装置的俯视图；

图4是这种实施例的动压力与间隙h₀的关系曲线图；

图5是气流场动压力随砂轮直径的变化曲线。

图中：1摇杆，2机架，3主动螺母，4微调螺杆，5压力传感器，6砂轮，7指针，8刻度盘，9放大器，10滤波器，11A/D转换器，12计算机，13驱动器，14伺服电机，15砂轮。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1所示为一种砂轮磨损在线检测装置的系统结构原理图，由伺服电机14、驱动器13、计算机12、A/D转换器11、滤波器10、放大器10、压力传感器5构成。工作时，高速旋转的砂轮15表面产生气流场，压力传感器5检测气流场的动压力，得到的信号经过放大器9的进一步放大，然后经过滤波器10进入A/D转换器11中进行转换，然后与计算机12设定的气流场动压力进行比较，得到砂轮磨损量后，经计算得出所需的补偿进给量，然后由计算机12通过驱动器13，对数控机床伺服电机发出进给指令，完成砂轮15的补偿进给。

图2所示为气流场压力检测装置的剖视图，包括摇杆1，机架2，主动螺母3，微调螺杆4以及压力传感器5，压力传感器5与砂轮6之间的间隙为h₀，磨削加工过程中，压力传感器5检测气流场中的动压力。摇杆1，机架2，主动螺母3，微调螺杆4为差动螺旋机构，用于对传感器的位置进行微调。其中，主动螺母3具有旋向相同而螺距不等的内、外螺纹，其中内螺纹的螺距为s₂， 外螺纹的螺距为s₁，分别与微调螺杆4以及机架2组成螺旋副。通过摇杆1转动主动螺母3，主动螺母3沿轴向移动，同时微调螺杆4带动压力传感器5相对主动螺母3沿轴向移动，其相对于机架2的位移为：

若s₁＝1.25mm，s₂＝1.00mm，则主动螺母3每转动10°，微调螺杆4带动压力传感器5的移动量为0.00694mm。

结合图3可见，定量转动装置由指针7以及刻度盘8组成，其中指针7随着摇杆1的转动而转动，刻度盘8上每个小格表示转过的角度为5°，从而定量微调压力传感器的位移量。

结合图4可见，气流场压力的变化幅度，气流场动压力随着砂轮和工件间的最小间隙h₀的减小而逐渐增大，最大压力峰值发生在砂轮与工件最小间隙区域，因此，在能保证h₀足够小的前提下，压力传感器检测得到的信号强度比较高，提高了动压力检测的准确度，进而确保了砂轮磨损量以及补偿进给量的准确度。

图5中，气流场动压力与砂轮表面与压力传感器之间的距离h₀成反比，砂轮磨损，砂轮直径减小，砂轮表面与压力传感器之间的距离h₀增大，气流场动压力减小，而且动压力变化大小与砂轮磨损量根据数学模型可以计算得到，通过调整砂轮与工件之间的径向进给量来补偿砂轮的磨损量，从而保证零件的加工精度。