CN102172893A - 砂轮修整形貌可视化监测装置及其监测方法 - Google Patents

砂轮修整形貌可视化监测装置及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种砂轮修整中形貌可视化监测装置及其实时监测方法，该装置包括砂轮、砂轮修整器、声发射传感器和光电传感器，所述的声发射传感器和所述的光电传感器分别与计算机内设的数据采集卡连接；该方法包括①数据采集、②数据滤波处理和③图像显示修整中砂轮形貌等步骤。本发明实现了砂轮修整过程中形貌可视化实时监测，提高了工人的磨削质量和磨削效率。

Description

砂轮修整形貌可视化监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及机械磨削加工，特别是一种砂轮修整形貌可视化监测装置及其监测方法。
背景技术
在精密磨削过程中，为尽量避免砂轮磨损后导致被磨削工件的表面质量下降，要经常使用修整工具对磨削砂轮进行修整。而现今砂轮修整过程大多是凭靠操作工人的经验进行，经验选择砂轮修整余量要远远大于实际需要的修整量，从而降低了砂轮使用寿命和加工效率。因此，如何有效监测砂轮修整过程中砂轮表面的形貌特征，对提高工件磨削质量和磨削效率有重要意义。
发明内容
本发明目的是克服上述现有砂轮修整过程凭靠操作工人的经验进行的不足，提供一种砂轮修整形貌可视化监测装置及其监测方法，在砂轮修整过程中对其形貌进行可视化实时监测，以提高工人的磨削质量和磨削效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种砂轮修整形貌可视化监测装置，包括砂轮主轴驱动的砂轮，其特点在于，还有单磨粒金刚石砂轮修整器，该单磨粒金刚石砂轮修整器的底座的侧面安装一个声发射传感器，在所述的砂轮的砂轮法兰的外端面贴设有反光片，在所述的砂轮的砂轮法兰的外端面外相对于所述的反光片设置一个光电传感器，所述的声发射传感器和所述的光电传感器都通过数据采集卡与计算机连接。
利用上述的砂轮修整形貌可视化监测装置的监测方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
①数据采集：设定数据采集卡的采样频率为fs＝10MHz，光电传感器的响应频率为fm＝20kHz；
②数据滤波处理：当砂轮主轴转动，而与砂轮修整器无接触时，所述的声发射传感器发出声发射信号的或所述的数据采集卡所接收的信号视为干扰信号，通过其频率成份分析，确定低通滤波器的截止频率；
③启动所述的砂轮修整形貌可视化监测装置，计算机通过数据采集卡采集所述的声发射传感器和光电传感器的信号，计算所述的声发射传感器各分段时间内的声发射信号的均方根值，并图像显示修整中砂轮形貌：声发射信号均方根值的突起值部分表示砂轮磨粒与金刚石修整器接触时释放的高能量信号，均方根值的低值部分表示砂轮结合剂与金刚石修整器接触时释放的能量信号。
所述的计算声发射信号均方根值的最大分段时间te(s)为：
te＝Le·Sn/πD·fs
其中：Sn为砂轮旋转一周所采集数据的个数：
Sn＝D·π·fs/1000·Vr
D：砂轮直径(mm)；
fs：声数据采样频率(Hz)；
Vr：砂轮修整速度(m/s)
Le：设定两个采集点之间距离(mm)；
fs：声发射信号的采样频率(Hz)。
声发射(AE)是一种材料受外力或内力作用而产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放能量的现象，声发射传感器是据此声发射原理而制成的一种传感器。
砂轮修整中形貌可视化监测方法，在用单磨粒金刚石修整修整砂轮过程中，砂轮磨粒与金刚石修整器挤压破裂释放的能量波较高，而砂轮结合剂与金刚石修整器碾压破碎释放的能量波较低，在此修整过程中瞬间释放能量波的变化必然也会引起声发射信号幅值的变化，这使我们可以通过声发射信号的变化来绘制出修整过程中砂轮磨粒分布状态。在对采集的声发射信号进行预处理后，分别提取计算各分段有效时间内的均方根值并根据计算机图像技术来绘制出砂轮修整过程中磨粒与结合剂的微观形貌。为准确判别修整砂轮旋转每一周的反光片同一位置的光电传感器发出的电信号为准，以保证声发射传感器采集砂轮每转数据都是从同一起点开始。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明基于声发射信号的可视化监测砂轮修整过程中磨粒与结合剂分布形貌，提高了工人在实际精密磨削过程中的磨削效率和磨削质量。
附图说明
图1是本发明砂轮修整中形貌可视化监测装置的示意图。
图2是砂轮修整过程示意图。
图3是砂轮修整过程中形貌图像绘制过程图。
图中：1-砂轮主轴，2-砂轮，3-砂轮修整器，4-声发射传感器，5-反光片，6-光电传感器，7-数据采集卡，8-计算机，9-砂轮磨粒，10-砂轮结合剂，11-砂轮法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明砂轮修整中形貌可视化监测装置的示意图。由图可见，本发明砂轮修整形貌可视化监测装置，包括砂轮主轴1驱动的砂轮2，，还有单磨粒金刚石砂轮修整器3，该单磨粒金刚石砂轮修整器3的底座的侧面安装一个声发射传感器4，在所述的砂轮2的砂轮法兰11的外端面贴设有反光片5，在所述的砂轮2的砂轮法兰11的外端面外相对于所述的反光片5设置一个光电传感器6，所述的声发射传感器4和所述的光电传感器6都通过数据采集卡7与计算机8连接。
砂轮修整中形貌可视化监测方法，包括如下步骤：
①数据采集：设定数据采集卡7的采样频率为fs＝10MHz，光电传感器6的响应频率为fm＝20kHz；声发射传感器4发出的声发射信号和光电传感器6发出的光电传感信号分别通过数据采集卡7，由计算机8采集获得。
②数据滤波处理：为去除外界干扰信号的影响，本发明使用切比雪夫II型数字滤波器对采集的数据进行滤波处理。根据磨床在无修整状态下AE信号的频率范围来确定滤波器截止频率，即当砂轮主轴1转动，而砂轮2与修整器3无接触时，AE所接收的信号视为干扰信号，通过其频率成份分析，确定低通滤波器的截止频率。
③启动所述的砂轮修整形貌可视化监测装置，计算机8通过数据采集卡7采集所述的声发射传感器4和光电传感器6的信号计算各分段时间内的声发射信号均方根值；由于声发射信号的均方根值在较长时间内具有良好的稳定性，因此本发明利用声发射信号均方根值大小变化来反应修整过程中砂轮磨粒和砂轮结合剂破碎释放的能量变化，进而可绘制修整过程中的砂轮表面形貌。
为了能区分修整砂轮每一磨粒的形貌特征，要将均方根值的计算时间小于单磨粒金刚笔与砂轮中任意两个磨粒间的接触时间。修整实验中所使用砂轮为普通氧化铝砂轮，设：砂轮磨粒间平均距离为Le、砂轮修整转速为Vr，则可计算声发射信号均方根值的最大分段时间te。如以下式(1)和式(2)所示：
Sn＝D·π·fs/1000·Vr                                 (1)
D：砂轮直径(mm)；
fs：数据采样频率(Hz)；
Vr：砂轮修整速度(m/s)；
Sn：砂轮旋转一周所采集数据的个数；
te＝Le·Sn/πD·fs                                                   (2)
Le：设定两个采集点之间距离(mm)；
fs：声发射信号的采样频率(Hz)；
te：均方根的分段时间(s)；
实际计算均方根值所取的时间t要远小于上述计算最大时间te。请参阅图3，图3是砂轮修整过程中形貌图像绘制过程图，如图所示，声发射信号均方根值的突起值部分表示砂轮磨粒与金刚石修整笔接触时释放的高能量信号，均方根值的低值部分表示砂轮结合剂与金刚石修整笔接触时释放的能量信号。
图像显示修整中砂轮形貌：如图3所示，将上述步骤③计算得到的声发射均方根值信号通过计算机8软件编程以直观图像显示出砂轮磨粒与结合剂的微观分布形貌。具体方法是：根据砂轮每旋转一周的声发射传感器4的声发射均方根信号建立一个阀值M，当一段声发射信号的均方根值大于此阀值M时，所对应的图像绘制成黑色区段，表示出砂轮磨粒；当一段声发射信号的均方根值小于此阀值M时，所对应的图像绘制成斜线段，来表示砂轮结合剂；再将砂轮每周绘制的图像进行逐次累加后可描绘出完整砂轮表面磨粒与结合剂分布形貌。
在上述声发射信号处理过程中，为保证声发射传感器4采集砂轮每转信号数据都是从同一起点开始，当修整砂轮的反光片5旋转到与光电传感器6相对时，该光电传感器6便发出一个光触发信号来结束上周声发射信号数据采集，同时开始下一周的声发射信号数据采集。
在监测该装置监测砂轮修整过程中，当绘制的图像中出现较大区域斜线区而没有黑色段时，说明被修整砂轮有某些区域与修整器无接触，还需要进一步修整；当绘制的图像中黑色短在斜线区分布比较均匀时，说明修整器已经修到整个砂轮磨削面，同时可以调整砂轮修整的工艺参数(如砂轮转速、进给速度和修整深度等)控制绘制图像中的黑色段大小来提高磨削质量和磨削效率。经实验验证，本发明可实现砂轮修整过程中形貌可视化实时监测。

Claims (3)

1.一种砂轮修整形貌可视化监测装置，包括砂轮主轴(1)驱动的砂轮(2)，其特征在于，还有单磨粒金刚石砂轮修整器(3)，该单磨粒金刚石砂轮修整器(3)的底座的侧面安装一个声发射传感器(4)，在所述的砂轮(2)的砂轮法兰(11)的外端面贴设有反光片(5)，在所述的砂轮(2)的砂轮法兰(11)的外端面外相对于所述的反光片(5)设置一个光电传感器(6)，所述的声发射传感器(4)和所述的光电传感器(6)都通过数据采集卡(7)与计算机(8)连接。
2.利用权利要求1所述的砂轮修整形貌可视化监测装置实施监测的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①数据采集：设定数据采集卡(7)的采样频率为fs＝10MHz，光电传感器(6)的响应频率为fm＝20kHz；
②数据滤波处理：当砂轮主轴(1)转动，而砂轮(2)与砂轮修整器(3)无接触时，所述的声发射传感器(4)发出声发射信号的或所述的数据采集卡(7)所接收的信号视为干扰信号，通过其频率成份分析，确定低通滤波器的截止频率；
③启动所述的砂轮修整形貌可视化监测装置，计算机(8)通过数据采集卡(7)采集所述的声发射传感器(4)和光电传感器(6)的信号，计算所述的声发射传感器(4)各分段时间内的声发射信号的均方根值，并图像显示修整中砂轮形貌：声发射信号均方根值的突起值部分表示砂轮磨粒与金刚石修整器接触时释放的高能量信号，均方根值的低值部分表示砂轮结合剂与金刚石修整器接触时释放的能量信号。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述的计算声发射信号均方根值的最大分段时间te(s)为：
te＝Le·Sn/πD·fs
其中：Sn为砂轮旋转一周所采集数据的个数：
Sn＝D·π·fs/1000·Vr
D：砂轮直径(mm)；
fs：声数据采样频率(Hz)；
Vr：砂轮修整速度(m/s)；
Le：设定两个采集点之间距离(mm)；
fs：声发射信号的采样频率(Hz)。
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