CN103185551B - 一种砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置及检测方法，本发明的装置包括砂轮，还包括红外热像仪，所述砂轮待测面外侧上方15cm处安装有一个红外辐射管，所述红外热像仪的焦距对准所述砂轮待测面，所述红外热像仪中部到所述砂轮圆心之间的连线与所述红外辐射管中部到所述砂轮圆心之间的连线互相垂直；所述红外辐射管的反射罩上设有温度传感器，所述温度传感器连接有控制电路，所述红外辐射管与所述控制电路连接；所述红外热像仪连接有计算机。本发明结构简单，可靠性高，不受堵塞磨屑导电性和导磁性影响，不受电磁场干扰，检测精度高、范围广、无污染，在测量堵塞磨屑的分布状态的同时，计算出堵塞面积的相关值。

Description

一种砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置及检测方法，主要应用于金刚石、CBN、刚玉、碳化硅和微晶陶瓷磨粒陶瓷和树脂结合剂砂轮磨削钛合金、不锈钢、高强钢、钴、镍、硬质合金、铜、铝、低碳钢、铸铁等金属和合金材料时砂轮堵塞的在位无损检测。本发明适用于平面、外圆以及成形磨削中砂轮切削部位堵塞状态的在位检测。

背景技术

砂轮是磨削加工的关键执行元件，砂轮的表面状况对已加工表面质量具有重要的影响。磨屑的形成、冷却液的供给以及磨屑的排除要求砂轮必须具有有效的切削刃和足够的容屑空间，然而，在加工一些黏附性较强的金属和一些脆性难加工材料时，砂轮的气孔容易被堵塞，磨粒切削刃周围易黏附一些积屑瘤，使磨削力增大、磨削区温度升高，造成效率降低、加工精度下降、表面粗糙度值增大，严重时引起磨削颤振和工件烧伤，甚至产生裂纹。

砂轮表面的堵塞的严重程度，是衡量砂轮耐用度与寿命的重要标志。近几年来，砂轮磨削过程中的在位堵塞测量及堵塞机理的研究备受重视。一些企业特别是航空工业，需要解决一些难磨材料，如钛合金及镍基合金的可磨性问题。由于这类材料的韧性大，磨屑易粘附在磨粒上，这些粘附物迅速发展、长大，磨粒、结合剂以及孔隙被粘附物封包起来，使砂轮失去磨削性能。砂轮在位堵塞测量方法为测试砂轮堵塞的状况、揭示分析堵塞机理提供了有效的方法与手段。从而为获得高质量、低成本的工件表面创造有利条件。因此，研制一种实用的砂轮堵塞检测装置对磨削加工具有重要的意义。

在国内外检测砂轮堵塞一般使用着下面几种方法：①化学检测法。这种方法是把砂轮表面上的各个被金属磨屑堵塞的影象复映在一张被盐酸浸润过的试纸上，通过研究试纸来间接分析砂轮堵塞的情况。②热量计法。这种方法是先从砂轮表面不同点将堵塞材料取样，然后把试样放入一种溶液，经化学处理后，溶液即呈现出特殊的颜色。③光谱法。运用光谱来测定含有堵塞材料的溶液的透射率。④摄像法。使用一套专门设计为由带有同步器的闪光灯、显微镜及一台电机驱动摄像机组成的装置，以一定时间间隔，对砂轮表面的某一区域摄取系列照片，从而对砂轮的堵塞过程进行连续观察。⑤运用“磁化法”对砂轮的堵塞进行在线测量。⑥运用“放射示踪法”对砂轮的堵塞现象进行研究。⑦磁头磁力探测法。利用磁力探头检测砂轮上带磁性的堵塞磨屑。⑧运用“涡流原理”探测砂轮上的金属堵塞物质。

以上列举的方法①、②、③是根据从被堵塞砂轮上的某一很小范围内取样进行化学分析来评定的，这三种方法程序较复杂、检测周期长、精度低且无法获得堵塞磨屑的分布状态；方法④缺点在于检测范围非常小，采样偶然性大，所以应用受限；方法⑤、⑥需要对工件进行磁化或放射处理，由于将产生的磨屑会使机床、磨削液等受到污染，因此检测过程有害健康；方法⑦虽然检测可行，但要求工件材料具有磁性，不能测量铝等有色金属或不锈钢的堵塞状态；方法⑧测量精度受到堵塞磨屑几何形状和导电导磁率的影响较大，而且标定困难，所以没有得到推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结构简单，可靠性高，不受堵塞磨屑导电性和导磁性影响，不受电磁场干扰，检测精度高、范围广、无污染的砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置及检测方法，在测量堵塞磨屑的分布状态的同时，计算出堵塞面积的相关值。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置，包括砂轮，还包括红外热像仪，所述砂轮待测面外侧上方12～18cm处安装有一个红外辐射管，所述红外热像仪的焦距对准所述砂轮待测面，所述红外热像仪镜头中轴线到所述砂轮圆心之间的连线与所述红外辐射管几何中心到所述砂轮圆心之间的连线互相垂直；所述红外辐射管的反射罩上设有温度传感器，所述温度传感器连接有控制电路，所述红外辐射管与所述控制电路连接；所述红外热像仪连接有计算机。

所述控制电路包括电源和温度控制器，所述电源与所述温度控制器之间并联有电源指示灯、加热指示灯和蜂鸣器，所述电源指示灯、加热指示灯各并联有一个继电器，所述温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器连接有一个固态继电器，所述固态继电器两个输出端分别与所述红外辐射管的红外辐射管两端连接。

在离砂轮待测面外侧约12～18cm处安装一个红外辐射管，在与辐射器和砂轮圆心角呈90°的另一处安装红外热像仪，并将热像仪焦距对准在待测面上。通过反射罩将红外辐射光聚集在静止的砂轮待测面进行快速加热，在控制柜上设定加热温度上限阀值，确保待测面能加热到50～100℃，加热时间维持在20秒左右。当温度传感器测定的温度带到设定阀值时加热完成，迅速旋转砂轮，将受热面调整至热像仪镜头下，拍摄红外热像图。所拍摄的热像仪图片可以通过软件增强来提高堵塞磨屑的可辨性，观察出磨屑的分布状态，同时提取出温度矩阵，绘制温度直方图。通过统计磨粒温度区间像素数量占整个砂轮采样表面像素数量比值，计算出磨屑堵塞面积的比值。由于在截取磨粒温度区间时存在一定的偏差，所以该比值存在一定误差，但由于与真实堵塞面积关联性较大，仍可作为堵塞面积的相关值。

利用砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置检测砂轮堵塞面积的方法为：

1）对砂轮进行整形和修锐，去除砂轮上已有的磨屑和杂物；

2）安装红外辐射管，使其距砂轮外圆表面12～18cm，安装红外热像仪，将所述红外热像仪焦距对准在砂轮外表面；

3）启动红外辐射管加热20～30秒，记下温度传感器温度值T₁，迅速将砂轮受热处调整至热像仪镜头下，拍摄砂轮未堵塞时的红外图像；

4）用砂轮磨削金属或合金材料，磨削参数Ⅰ磨除金属或合金材料体积为40～50cm³后，设定温度控制器温度阀值为T₁，当检测到的温度超过T₁时停止加热，以保证此时砂轮表面加热温度与拍摄砂轮未堵塞红外图像时的加热温度相同，启动红外辐射管加热后拍摄砂轮堵塞红外图像；

5）重新修整砂轮，以磨削参数Ⅱ磨除相同体积的金属或合金材料后拍摄砂轮堵塞红外图像，对比分析不同砂轮线速度磨削时砂轮的堵塞状态；

6）计算机读取热像仪存储卡上的文件，显示出红外热像的高对比度模式图片，导出温度矩阵文件，利用所述温度矩阵文件统计温度值的分布状况，绘制温度直方图；提取出红外热像图片的边缘，得到对应的灰度图像，灰度图像的背景和堵塞磨屑皆呈现为黑色，堵塞磨屑边缘呈现为白色；

7）获取堵塞磨屑中心至边缘的温度区间[Tm:Tn]和用遮光板截取的砂

轮待测面方形区域内温度区间[T_x:T_y]，统计出两个温度区间内的

像素数量P₁和P₂，计算出磨屑堵塞面积的比值K=P₁/P₂。

本发明的工作原理是：任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外检测是通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。红外热像仪等设备利用热成像技术能将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果更加直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备、材料内部、外部的发热情况。

当金属磨屑粘附在砂轮表面时，磨屑和砂轮磨粒、结合剂同时向外界辐射红外线，被动检测磨屑的分布很难实现，通过辐射加热主动检测是行之有效的方法。匹配吸收论认为，辐射源的辐射能谱与被加热物的主吸收带波长分布对应时，会引起物料分子产生共振吸收，从而达到升温加热的目的。因此，辐射源的工作波段应选择与被加热物—磨屑主吸收带相同才能使材料快速升温。采用匹配法加热，材料表面迅速升温，热量由表及里传入材料内部。非匹配吸收论认为，当入射辐射能谱避开物料的吸收峰时，能进入物料内部，具有较深的穿透能力，使物料分子激发或通过各振动膜间的耦合来实现能量转移，有利于物料的内部加热，即工作波段应选择避开被加热物的吸收峰。这两种理论在吸收定律的基础上是统一的，主动加热的理想目标是堵塞磨屑与砂轮表面温度差异最大化。当磨屑厚度较大时，红外辐射能主要被磨屑吸收，磨屑温度高于砂轮温度，反之低于砂轮温度。实验证明，绝大部分堵塞的磨屑很薄，加热后磨屑温度低于砂轮温度。相对于远红外加热而言，短波红外加热升温迅速，且发热集中在表层和浅表层，砂轮与堵塞磨屑处于非稳态热扩散，所以拍摄红外图像需在加热后迅速进行。加热温度越高，磨屑与砂轮温差越大，但过高温度会灼伤砂轮表面，所以一般情况下砂轮表面温度不宜高于120℃，也不宜低于50℃。

将拍摄的热像数据导入电脑，用相关软件和程序分析出砂轮堵塞磨屑分布状态，计算出堵塞面积相关值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能及时反馈砂轮工作时的堵塞状态，为获得砂轮堵塞状况的量化数据、有效提高工件表面质量和加工效率以及延长砂轮使用寿命提供了有效的途径；通过装置在位检测与自动计算，为实现磨削加工智能化奠定了坚实的基础；本发明的装置结构简单，可靠性高，不受堵塞磨屑导电性和导磁性影响，不受电磁场干扰，检测精度高、范围广、无污染；本发明的方法可在测量堵塞磨屑的分布状态的同时，计算出堵塞面积的相关值。

附图说明

图1为本发明一实施例装置结构示意图；

图2为本发明一实施例控制电路结构示意图；

图3为本发明一实施例砂轮未堵塞的可见光图；

图4为本发明一实施例砂轮未堵塞的红外热像图；

图5为本发明一实施例用参数Ⅰ磨削后砂轮堵塞的红外热像图；

图6为本发明一实施例用参数Ⅰ磨削后遮光板截取的的红外热像图；

图7为本发明一实施例用磨削参数Ⅱ磨削后砂轮堵塞的红外热像图；

图8为本发明一实施例用磨削参数Ⅱ磨削后截取的砂轮堵塞的红外热像图；

图9为本发明一实施例图7对应的堵塞磨屑分布的灰度图像；

图10为本发明一实施例图8对应的堵塞磨屑分布的灰度图像；

图11为本发明一实施例图7对应的像素点温度直方图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括砂轮2，还包括红外热像仪1，所述砂轮2待测面外侧上方15cm处安装有一个红外辐射管4，所述红外热像仪1的焦距对准所述砂轮2待测面，所述红外热像仪1镜头中轴线到所述砂轮2圆心之间的连线与所述红外辐射管4几何中心到所述砂轮2圆心之间的连线互相垂直；所述红外辐射管4的反射罩3上设有温度传感器5，所述温度传感器5连接有控制电路6，所述红外辐射管4与所述控制电路6连接；所述红外热像仪1连接有计算机7。

红外辐射管4采用管式卤素辐射器，主要辐射波段为短波红外线，波长峰值为1.4～2μm，功率约2KW，辐射管4灯丝温度不低于2400K，温度传感器最高探测温度不低于500℃，控制柜6能根据设定温度值控制辐射管4电源的通断。

其红外热像仪1采用的是中低温、高分辨率、高灵敏度热像仪，其热灵敏度NETD≤0.05℃30℃(100mK)，红外频带为7.5μm～14μm，像素不低于640×480，温度测量范围不小于-20～300℃，空间分辨率不小于1.36mrad。

如图2所示，控制电路6包括电源和温度控制器，所述电源与所述温度控制器之间并联有电源指示灯、加热指示灯和蜂鸣器，所述电源指示灯、加热指示灯各并联有一个继电器，所述温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器连接有一个固态继电器，所述固态继电器两个输出端分别与所述红外辐射管两端连接。按下电源按钮SB₁，电源指示灯亮，继电器K₀得点，其常开触点闭合，其他电路通电；按下加热按钮SB₂，继电器K₁得点，其常开触点闭合，使A、B两点产生电势，连接在A、B之间红外辐射管开始发热；热电偶测得温度信号并产生热电势，当测得温度比温控器设定值高时，温控器使继电器K₂得点，使得蜂鸣器报警，加热回路断开。

所述温度传感器为热电偶。

所述固态继电器型号为SCR-40LA。

本发明可以检测的堵塞磨屑材料包括钛合金、不锈钢、高强钢、钴、镍、硬质合金、铜、铝、低碳钢、铸铁等金属和合金材料。

本发明可以检测的砂轮磨粒类型主要包括金刚石、CBN、刚玉、碳化硅和微晶陶瓷等，粒度号不大于240#，结合剂类型为陶瓷和树脂结合剂。

实施例1

本实例提供了80^#陶瓷结合剂棕刚玉磨粒砂轮平面磨削钛合金过程中砂轮堵塞状态的在位主动红外检测法。

磨削参数如下：

实验在湖南大学国家高效磨削工程中心自主开发的314m/s超高速磨削实验台上完成，采用80^#陶瓷结合剂棕刚玉砂轮，设定磨削参数Ⅰ为a_p=0.03mm，v_w=3.6m/min，v_s=60m/s，磨削方式为逆磨湿磨；磨削参数Ⅱ为a_p=0.03mm，v_w=3.6m/min，v_s=120m/s，磨削方式相同。其中a_p为砂轮磨削深度，v_w为工作台进给速度，v_s为砂轮线速度。

砂轮堵塞检测试验过程如下：

首先对80^#陶瓷结合剂棕刚玉砂轮进行整形和修锐，去除砂轮上已有的磨屑和杂物。

安装红外辐射管，使其距砂轮外圆表面约15cm，若安装距离过近，则砂轮受热不均匀，若距离过远，则加热效率低；安装红外热像仪，将焦距对准在砂轮外表面。

启动红外辐射管加热20～30秒左右，记下传感器温度值T₁，迅速将砂轮受热处调整至热像仪镜头下，拍摄砂轮未堵塞时的红外图像。

用砂轮磨削钛合金，以磨削参数Ⅰ磨除钛合金体积为40～50cm³后，设定控制柜温度阀值为T₁，当温度传感器检测到的温度超过此温度时停止加热，以保证此时砂轮表面加热温度与拍摄砂轮未堵塞红外图像时相同，启动辐射管加热后拍摄砂轮堵塞红外图像。

重新修整砂轮，以磨削参数Ⅱ磨除相同体积的钛合金后拍摄砂轮堵塞红外图像，对比分析不同砂轮线速度磨削时砂轮的堵塞状态。

将热像仪联接计算机，用与该型号热像仪匹配的软件——“SmartView”读取热像仪存储卡上的文件，显示出红外热像的高对比度模式图片，运用该软件下拉菜单的“导出”功能导出txt格式的温度矩阵文件，将该文件导入软件Matlab，统计温度值的分布状况，绘制温度直方图；用Matlab软件边缘提取函数“colorgrad”提取出红外热像图片的边缘，得到对应的灰度图像，灰度图像的背景和堵塞磨屑皆呈现为黑色，堵塞磨屑边缘呈现为白色，磨粒分布状态更为直观和清晰；拍摄时用遮光板截取砂轮受热核心区，以保证该区域砂轮表面温度相近且砂轮温度与堵塞磨屑温度存在明显差异，用光标指示“SmartView”软件红外热像图界面上的用遮光板截取砂轮受热核心方形区域黄色边缘（见附图6、7、8）上的点，使界面显示该边缘点的温度，多点测量得到边缘的平均温度Tx，勾选软件中的“最高温度标记”选项，使软件红外热像图界面显示砂轮最高温度Ty；用光标分别指示“SmartView”软件红外热像图界面上堵塞磨屑中心和边缘，使其显示该点的温度，多点测量取堵塞磨屑中心温度最小值Tm和边缘平均温度Tn，从而得到堵塞磨屑中心至边缘的温度区间[Tm:Tn]和截取区域内（见附图6、7、8）温度区间[T_x:T_y]，并用Matlab统计出两个温度区间内的像素数量P₁和P₂，计算出磨屑堵塞面积的比值K=P₁/P₂。

检测结果：

砂轮未堵塞的可见光图和红外热像图如图3、4所示。

用参数Ⅰ磨削后砂轮堵塞的红外热像图，如图5、6所示。由图5、6可以看出砂轮表面温度较高，离散分布的堵塞磨屑呈黄色镶嵌在红色的砂轮表面。

用磨削参数Ⅱ磨削后砂轮堵塞的红外热像图如图7、8所示。

对图6和图7的彩色图像进行数字化处理，提取出边缘，对应的灰度图像如图9、10所示。由图9、10可以看出堵塞磨屑边缘灰度较亮，磨屑分布状况更加清晰。

提取温度矩阵，统计各个像素点温度的直方图，图7对应的像素点温度直方图如图10所示。

划分遮光板截取的砂轮堵塞的红外热像方孔内边沿温度阀值和堵塞磨屑温度上下限阀值，统计二者温度范围内像素数量，计算出堵塞面积百分比，如表1所示。

表1  堵塞面积统计

Claims (8)

1.一种利用砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置检测砂轮堵塞面积的方法，砂轮堵塞面积的在位主动红外检测装置包括砂轮(2)，固定在所述砂轮(2)待侧面上方的红外热像仪(1)，所述砂轮(2)待测面外侧上方12～18cm安装有一个红外辐射管(4)，所述红外热像仪(1)的焦距对准所述砂轮(2)待测面，所述红外热像仪(1)镜头中轴线到所述砂轮(2)圆心之间的连线与所述红外辐射管(4)几何中心到所述砂轮(2)圆心之间的连线互相垂直；所述红外辐射管(4)的反射罩(3)上设有温度传感器(5)，所述温度传感器(5)连接有控制电路，所述红外辐射管(4)与所述控制电路连接；所述红外热像仪(1)连接有计算机(7)；所述控制电路包括电源和温度控制器，所述电源与所述温度控制器之间并联有电源指示灯、加热指示灯和蜂鸣器，所述电源指示灯、加热指示灯各并联有一个继电器，所述温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器连接有一个固态继电器，所述固态继电器两个输出端分别与所述红外辐射管(4)两端连接；使用红外辐射管对静态砂轮外表面快速加热，利用堵塞磨屑与砂轮材料对辐射能的吸收率不同和二者热特性差异，用红外热像仪拍摄砂轮受热区域的红外热像图片，导入计算机后分析出堵塞磨屑的分布状态，并计算出与堵塞面积相关的百分比值，其特征在于，该方法具体步骤为：

1)对砂轮进行整形和修锐，去除砂轮上已有的磨屑和杂物；

2)安装红外辐射管，使其距砂轮外圆表面12～18cm，安装红外热像仪，将所述红外热像仪焦距对准在砂轮外表面；

3)启动红外辐射管加热20～30秒，记下温度传感器温度值T₁，迅速将砂轮受热处调整至热像仪镜头下，拍摄砂轮未堵塞时的红外图像；

4)用砂轮磨削金属或合金材料，以磨削参数Ⅰ磨除金属或合金材料体积为40～50cm³后，设定温度控制器温度阀值为T₁，当温度传感器检测到的温度超过T₁时停止加热，以保证此时砂轮表面加热温度与拍摄砂轮未堵塞红外图像时的加热温度相同，启动红外辐射管加热后拍摄砂轮堵塞红外图像；

5)重新修整砂轮，以磨削参数Ⅱ磨除相同体积的金属或合金材料后拍摄砂轮堵塞红外图像，对比分析不同砂轮线速度磨削时砂轮的堵塞状态；

6)计算机读取热像仪存储卡上的文件，显示出红外热像的高对比度模式图片，导出温度矩阵文件，利用所述温度矩阵文件统计温度值的分布状况，绘制温度直方图；提取出红外热像图片的边缘，得到对应的灰度图像，灰度图像的背景和堵塞磨屑皆呈现为黑色，堵塞磨屑边缘呈现为白色；

7)获取堵塞磨屑中心至边缘的温度区间[Tm:Tn]和用遮光板截取的砂轮待测面方形区域内温度区间[Tx:Ty]，统计出两个温度区间内的像素数量P₁和P₂，计算出磨屑堵塞面积的比值K＝P₁/P₂。

2.根据权利要求1所述检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述红外辐射管(4)距所述砂轮(2)待测面外侧15cm。

3.根据权利要求1所述检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述温度传感器(5)为热电偶。

4.根据权利要求1所述检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述固态继电器型号为SCR-40LA。

5.根据权利要求1所述的检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述步骤6)中，计算机用SmartView软件读取热像仪存储卡上的文件。

6.根据权利要求1所述的检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述步骤6)中，将所述温度矩阵文件导入软件Matlab，统计温度值的分布状况，绘制温度直方图。

7.根据权利要求1所述的检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述步骤6)中，利用Matlab软件边缘提取函数“colorgrad”提取出红外热像图片的边缘。

8.根据权利要求1所述的检测砂轮堵塞面积的方法，其特征在于，所述步骤7)中，用光标指示SmartView软件红外热像图界面，得到堵塞磨屑中心至边缘的温度区间[T_m:T_n]和截取区域内温度区间[T_x:T_y]，并用Matlab统计出两个温度区间内的像素数量P₁和P₂。