CN102922061A - 丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置及方法 - Google Patents

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李郝林
林献坤
孙克己
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Abstract

本发明涉及一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置及方法，声发射传感器是由转动部分和定子部分组成；声发射传感器转子部分包括有声发射传感器的压电测头和电信号传输端，声发射传感器的转子部分通过声发射传感器器两端螺纹装入到砂轮主轴内并随砂轮主轴一起旋转，声发射传感器转子部分通过无线传输方式将声发射信号传送给声发射传感器的定子部分，声发射信号经信号处理器后进入机床数控系统。本发明通过实时测量声发射信号，实现了丝杠螺母内螺纹磨削过程中自动快速对刀，能够满足丝杠螺母的高精度加工要求，对提高丝杠螺母磨削效率和磨削质量有重要意义；该丝杠螺母内螺纹对刀方法不仅在磨削时应用效果很好，也可应用到车削及铣削方面。

Description

丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置及方法
技术领域
本发明涉及一种螺纹磨削方法，尤其是一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置及方法。
背景技术
近年来，随着磨削加工技术正向高精度、高效率方向发展，为保证磨削加工质量对磨削对刀提出了更高要求。特别在丝杠螺母内螺纹磨削加工中，如果磨削砂轮相对于丝杠螺母内螺纹对刀不好，会使砂轮两侧面上所分配的加工余量不等，磨削时大余量一侧将承受比小余量一侧更大的磨削力，会严重影响工件表面磨削质量和砂轮使用寿命。传统经验方法借助于听磨削声音或看磨削火花，这些经验方法的特点检测精度低并且难以应用到内螺纹磨削对刀过程中，因此，如何有效实现丝杠螺母内螺纹磨削快速高精度对刀，对提高其磨削效率和磨削质量有着重要意义。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。在磨削过程中，当砂轮与工件接触时，其接触状态可以通过AE信号反映出来。本发明专利基于此原理，提出了一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀方法。该方法可自动确定出磨削砂轮与丝杠螺母内螺纹的中心对刀位置，并取得了较好的应用效果。
发明内容
本发明为了实现丝杠螺母内螺纹磨削过程中的快速高精度对刀，满足丝杠螺母的高精度加工要求，可有效提高丝杠螺母内螺纹磨削效率和磨削质量，而提供一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置，包括砂轮主轴、声发射传感器，其特点是：声发射传感器是由转动部分和定子部分组成；声发射传感器转子部分包括有声发射传感器的压电测头和电信号传输端，声发射传感器的转子部分通过声发射传感器器两端螺纹装入到砂轮主轴内并随砂轮主轴一起旋转，其中声发射传感器的压电测头靠近砂轮一端；声发射传感器定子部分安装在靠近声发射传感器转子部分的电信号传输端一侧，声发射传感器转子部分通过无线传输方式将声发射信号传送给声发射传感器的定子部分，声发射信号经信号处理器后进入机床数控系统。
一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀方法，当机床数控系统发出快速对刀信号后，磨削砂轮以F(mm/min) 的速度向X负方向移动到距离螺母螺纹底端h处，通过声发射传感器实时采集声发射信号，并经信号处理器进行数字滤波以及与设定的RMS门限值H比较运算；然后砂轮以F1(mm/min)的速度向Z正方向移动，一直到砂轮接触到螺母中螺纹右侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z1）；同样方法，砂轮以F1(mm/min)的速度向Z负方向移动，一直到砂轮接触到螺母中螺纹左侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z2），最后，机床数控系统计算出砂轮对刀中心位置：Z0=(Z1+Z2)/2，砂轮以速度F1(mm/min)移动到坐标位置（X1,Z0）即为砂轮对刀中心坐标。 
本发明的有益效果：
本发明通过实时测量声发射信号，实现了丝杠螺母内螺纹磨削过程中自动快速对刀，能够满足丝杠螺母的高精度加工要求，对提高丝杠螺母磨削效率和磨削质量有重要意义。该丝杠螺母内螺纹对刀方法不仅在磨削时应用效果很好，也可应用到车削及铣削方面。
附图说明
图1是声发射传感器结构示意图；
图2是丝杠螺母内螺纹磨削及传感器安装示意图；
图3是螺纹磨削快速对刀示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
1）本发明专利所使用的声发射传感器，如图1所示，该声发射传感器是由转动部分1和定子部分2组成；声发射传感器转子部分1包括有声发射传感器压电测头7和电信号传输端8，通过无线传输方式将声发射信号传送给声发射传感器的定子部分2，然后该声发射信号经信号处理器9调理后进入机床控制系统10。
如图2所示，通过声发射传感器器两端Ma8螺纹和Ma10螺纹将声发射传感器的转子部分1装入到砂轮主轴4内并随砂轮主轴4一起旋转，其中声发射传感器的压电测头7靠近砂轮5一端；然后将声发射传感器定子部分2安装在靠近在声发射传感器转子部分1的电信号传输端8一侧。该声发射信号经信号处理器9后进入机床数控系统10。
2）声发射信号预处理：设定信号采样频率为                                               
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE002
，经调试后保证整个测量装置正常工作。实验开始后，启动砂轮架主轴4以转速
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE004
(r/min)旋转，螺母6转速为
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE006
(r/min)。在磨削过程中，砂轮5与工件（螺母6）弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒崩碎、砂轮磨粒与工件摩擦、工件表面裂纹等均可发射出弹性波（声发射信号），这为声发射信号检测砂轮与工件的接触状态提供了理论依据。
为了去除环境温度及电磁环境等高频干扰信号对实验测量结果的影响，本发明专利使用切比雪夫I型数字滤波器对采集的数据进行低通滤波处理，其具体方法原理如下。
切比雪夫I型滤波器的
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE008
阶幅度平方函数为下式（1）
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE010
                         （1）
其中：
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE012
，表示通带内幅度波动的程度；
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE014
为通带截止频率；而
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE016
是滤波器在截止频率
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
的放大率。
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE018
的
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
阶切比雪夫多项式，如下式（2）和式（3）：
Figure 2012104849121100002DEST_PATH_IMAGE020
；                       （2）
；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
                         （3）
通过对采集的位移信号及力信号的频率成份分析，确定低通滤波器的截止频率
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
、参数
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和阶数
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
。
3）基于声发射信号均方根（RMS）对刀原理：在磨削过程中，当砂轮与工件接触时，其接触状态可以通过声发射信号反映出来。为实现微米级及亚微米级对刀精度，本发明专利预先设定好在不同磨削深度时的声发射信号RMS门限值H；在磨削对刀过程中，一旦砂轮5接触到螺母6发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，数控系统会立即停止X轴方向进给运动，即认为磨削砂轮与工件发生接触。
4）由于丝杠螺母螺纹的结构特点，其实现高精度对刀具体方法如下：当数控系统执行该快速对刀功能时，如图3所示，磨削砂轮5以F(mm/min) 的速度向X负方向移动到距离螺母螺纹底端h处，通过声发射传感器实时采集声发射信号并经信号处理器9进行数字滤波以及与设定的RMS门限值H比较运算；然后砂轮5以F1(mm/min)的速度向Z正方向移动，一直到砂轮5接触到螺母6中螺纹右侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统10会立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z1）。同样方法，砂轮5以F1(mm/min)的速度向Z负方向移动，一直到砂轮5接触到螺母6中螺纹左侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统10会立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z2）。最后，机床数控系统10通过对刀子程序计算出砂轮对刀中心位置：Z0=(Z1+Z2)/2，砂轮以速度F1(mm/min)移动到坐标位置（X1,Z0）即为砂轮对刀中心坐标，砂轮自动对刀过程结束。

Claims (2)

1.一种丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀装置，包括砂轮主轴（4）、声发射传感器，其特征在于：所述声发射传感器是由转动部分（1）和定子部分（2）组成；声发射传感器转子部分（1）包括声发射传感器的压电测头（7）和电信号传输端（8），声发射传感器的转子部分（1）通过声发射传感器器两端螺纹装入到砂轮主轴（4）内并随砂轮主轴（4）一起旋转，其中声发射传感器的压电测头（7）靠近砂轮（5）一端；声发射传感器定子部分（2）安装在靠近声发射传感器转子部分（1）的电信号传输端（8）一侧，声发射传感器转子部分（1）通过无线传输方式将声发射信号传送给声发射传感器的定子部分（2），声发射信号经信号处理器（9）后进入机床数控系统（10）。
2.一种应用权利要求1的装置进行丝杠螺母内螺纹磨削快速对刀方法，其特征在于：当机床数控系统（10）发出快速对刀信号后，磨削砂轮（5）以F(mm/min) 的速度向X负方向移动到距离螺母（6）螺纹底端h处，通过声发射传感器实时采集声发射信号，并经信号处理器（9）进行数字滤波以及与设定的RMS门限值H比较运算；然后砂轮（5）以F1(mm/min)的速度向Z正方向移动，一直到砂轮（5）接触到螺母（6）中螺纹右侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统（10）立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z1）；同样方法，砂轮（5）以F1(mm/min)的速度向Z负方向移动，一直到砂轮（5）接触到螺母（6）中螺纹左侧面发生磨削，当声发射传感器检测到被测量信号RMS值变化超过预定门限值H时，机床数控系统（10）立即停止Z轴方向进给运动，并记录该点坐标（X1,Z2），最后，机床数控系统（10）计算出砂轮对刀中心位置：Z0=(Z1+Z2)/2，砂轮以速度F1(mm/min)移动到坐标位置（X1,Z0）即为砂轮对刀中心坐标。
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