CN105108649B - 一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法及实现该方法的装置，涉及磨削加工领域中的金属基圆弧砂轮廓形和半径的在位检测技术。它为了解决常规的接触式检测方法在检测过程中会对砂轮造成接触干扰，导致检测结果不准确的问题。本发明采用步进电动机控制电涡流传感器沿平行于金属基圆弧砂轮的旋转轴线方向匀速运动，电涡流传感器在运动过程中测量其测头与金属基圆弧砂轮表面的距离，并将检测数据通过数据采集卡发送给计算机，计算机对数据进行计算处理得到金属基圆弧砂轮的廓形和半径。本发明的检测方法属于非接触检测，不会对砂轮造成接触干扰，检测结果精确，且耐油污、尘埃及湿度，对磨削液沾湿的砂轮也可检测，检测迅速、方便。

Description

一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方 法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种磨削加工领域中的金属基砂轮廓形和半径大小的在位检测技术。

背景技术

目前大口径的空间镜片材料主要采用SiC陶瓷、光学玻璃、微晶玻璃等，这些材料具有硬度高、脆性大的特点，需要超硬磨料砂轮磨削加工。一方面金属基砂轮具有磨粒把持力强，结合强度高、耐磨性好、寿命长、能承受较大的磨削压力等优点；另一方面在非球面磨削加工中需要圆弧砂轮，所以采用金属基圆弧砂轮的非球面磨削是大口径空间镜片的一种重要加工方式。但是空间镜片精度要求很高，圆弧砂轮的圆弧廓形对镜片加工质量起着重要作用，如果圆弧砂轮廓形磨损或者有崩碎缺陷，则加工不出预期的非球面形状，影响镜片面形精度。因此发展一种非接触式检测圆弧砂轮廓形的方法和装置有重要意义。

常规的检测方法为接触式检测方法，检测过程中会对砂轮造成接触干扰，导致检测结果不准确。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规的接触式检测方法在检测过程中会对砂轮造成接触干扰，导致检测结果不准确的问题，提供一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法及实现该方法的装置。

本发明所述的一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法为：控制电涡流传感器1沿竖直方向匀速运动，电涡流传感器1在运动过程中测量并记录其测头与金属基圆弧砂轮10表面的距离，根据所述距离得到金属基圆弧砂轮10的廓形曲线及半径。

对于圆弧廓形未磨损的金属基圆弧砂轮10，根据公式计算金属基圆弧砂轮的半径R，其中H为圆弧高度，L为电涡流传感器1测头的位移。

对于圆弧廓形已磨损的金属基圆弧砂轮10，利用非线性最小二乘法拟合得到廓形曲线，并根据该廓形曲线计算求得廓形对应的半径R。

实现上述方法的装置包括电涡流传感器1、第一步进电动机2、第一直线移动台3、第二步进电动机4、第二直线移动台5、运动系统控制箱6、数据采集卡7和计算机8；

第一直线移动台3安装在机床上，第一步进电动机2用于在运动系统控制箱6的控制下驱动第一直线移动台3沿与金属基圆弧砂轮旋转轴线垂直的方向运动，第二步进电动机4用于在运动系统控制箱6的控制下驱动第二直线移动台5沿平行于金属基圆弧砂轮旋转轴线方向运动，第二直线移动台5安装在第一直线移动台3上，电涡流传感器1的测头安装在第二直线移动台5上，电涡流传感器1用于检测电涡流传感器1测头与金属基圆弧砂轮表面的距离，电涡流传感器1的检测信号输出端连接数据采集卡7的检测信号输入端，计算机8用于对数据采集卡7采集到的数据进行处理计算，以得到金属基圆弧砂轮10的圆弧廓形及半径。

本发明为在位检测方式，在砂轮静止时，采用电涡流原理的非接触式检测方法，检测过程快速、准确、方便。根据非线性最小二乘拟合计算得到金属基圆弧砂轮的圆弧廓形曲线和圆弧半径，计算结果精确。与现有技术相比，本发明适用范围广，能对金属基圆弧砂轮及加入金属颗粒的非金属结合剂圆弧砂轮廓形进行测量，并且当金属基圆弧砂轮廓形磨损后，可以计算求得廓形对应的近似半径数值，为圆弧砂轮是否修整提供依据。本发明的检测方法属于非接触检测，不会对砂轮造成接触干扰，检测结果较精确；由于是以高频电涡流效应为原理的检测装置，灵敏度高，检测精度高，并且耐油污、尘埃及湿度，对磨削液沾湿的砂轮也可以进行在位检测，检测迅速、方便。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法的原理示意图，其中虚线传感器测头表示电涡流传感器的测头测量过程中移动的各位位置；

图2为实施方式六所述的装置的结构示意图，图中9表示平面磨床，11表示砂轮罩，12表示工件，13表示工作台，14表示磨削液喷嘴；

图3为实施方式六所述的装置的结构示意图，其中机械结构部分为图2中相应部分的侧视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法为：控制电涡流传感器1沿竖直方向匀速运动，电涡流传感器1在运动过程中测量并记录其测头与金属基圆弧砂轮10表面的距离，根据所述距离得到金属基圆弧砂轮10的廓形曲线及半径。

在砂轮静止时，控制电涡流传感器1沿竖直方向匀速移动，同时对金属基砂轮的廓形进行检测。采用LABVIEW和MATLAB对数据进行处理，LABVIEW用于记录和显示电涡流传感器1与金属基砂轮的距离，经由MATLAB程序滤波处理并描绘圆弧轮廓曲线。由横向检测到的距离与纵向移动的距离的合成作用可得到砂轮二维平面上的廓形，通过对圆弧分析和公式推导，可计算得到圆弧半径大小。

本实施方式所述的方法属于非接触检测，不会对砂轮造成接触干扰，检测比较精确；由于是以高频电涡流效应为原理进行检测，灵敏度高，检测精度高，分辨率为0.1μm，对磨削液沾湿的砂轮也可以进行检测，可在位检测，检测迅速、方便。本发明适用范围广，能对金属基平砂轮及类似的均匀的金属物体廓形进行测量，也可以对圆弧金属基砂轮进行测量，此外对圆形截面金属物体可计算得到半径大小。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的方法的进一步限定，本实施方式中，对于圆弧廓形未磨损的金属基圆弧砂轮10，根据公式计算金属基圆弧砂轮的半径R，其中H为圆弧高度，L为电涡流传感器1测头的位移。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的方法的进一步限定，本实施方式中，对于圆弧廓形已磨损的金属基圆弧砂轮10，利用非线性最小二乘法拟合得到廓形曲线，并根据该廓形曲线计算求得廓形对应的半径R。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三所述的方法的进一步限定，本实施方式中，根据非线性最小二乘法拟合的廓形曲线计算求得廓形及对应的半径R的具体方法为：

步骤一、检测并计算得到一组数据(s_i,w_i),i＝1,…,m，s_i为电涡流传感器1测头对应检测时间点i的位移，w_i为与时间点i相对应的圆弧上的检测点与该圆弧顶点的垂直距离；

步骤二、选择w(s)中的参数，使得w(s)在离散点处与测得的函数的差的平方和最小；

为拟合曲线的模型，x＝(x₁,x₂,…,x_n)，S∈R_n，n<m，，其中x₁＝a，x₂＝b，x₃＝r，n＝3，w(s)是x的非线性函数；

步骤三、根据达到极小值的条件来求待定系数f₀,f₁,…,f_m，函数ψ(s)为在函数类Ψ＝{ψ₀,ψ₁,…,ψ_m}中的构造式ψ(t)＝f₀ψ₀+f₁ψ₁+…+f_mψ_m，待定系数f_k满足：

将ψ(s)表达式代入到上式中，得到：

记整理以上方程组得：

解该方程得到待定系数，根据计算得到的待定系数来获得金属基圆弧砂轮的圆弧廓形曲线和圆弧半径。

本实施方式求得的半径实际上是廓形对应的近似半径R_x。通过上述方法测量金属基圆弧砂轮的多个不同位置的圆弧，可较全面的得到圆弧砂轮的圆弧廓形磨损情况。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一至四所述的方法的进一步限定，本实施方式中，电涡流传感器1单向运动。

本实施方式中，电涡流传感器1从外向里运动或从里向外运动，则L＝Vt，V为电涡流传感器1的测头的移动速度，t为移动时间，实施方式一中的求解金属基圆弧砂轮的圆弧半径公式可变形为

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是实现实施方式一所述的方法的装置，该装置包括电涡流传感器1、第一步进电动机2、第一直线移动台3、第二步进电动机4、第二直线移动台5、运动系统控制箱6、数据采集卡7和计算机8；

第一直线移动台3安装在机床上，第一步进电动机2用于在运动系统控制箱6的控制下驱动第一直线移动台3沿与金属基圆弧砂轮旋转轴线垂直的方向运动，第二步进电动机4用于在运动系统控制箱6的控制下驱动第二直线移动台5沿平行于金属基圆弧砂轮旋转轴线方向运动，第二直线移动台5安装在第一直线移动台3上，电涡流传感器1的测头安装在第二直线移动台5上，电涡流传感器1用于检测电涡流传感器1测头与金属基圆弧砂轮表面的距离，电涡流传感器1的检测信号输出端连接数据采集卡7的检测信号输入端，计算机8用于对数据采集卡7采集到的数据进行处理计算，以得到金属基圆弧砂轮10的圆弧廓形及半径。

本实施方式所述的装置由距离检测装置和移动装置组成，其中距离检测装置由电涡流传感器1、数据采集卡7以及计算机8(主要利用计算机中的LABVIEW程序)构成；移动装置由运动系统控制箱6、第一步进电动机2、第一直线移动台3、第二步进电动机4、第二直线移动台5构成。

距离检测装置检测电涡流传感器1的测头与金属基圆弧砂轮之间的距离，由数据采集卡7以一定频率采集测量数据，并由计算机8上的LABVIEW程序显示和记录下来，经由MATLAB程序滤波处理，以金属基圆弧砂轮圆弧顶点为零点，通过计算机处理数据可计算得到砂轮此处圆弧各点与该圆弧顶点的垂直距离。由垂直距离和电涡流传感器测头的位移(时间和速度可得)，根据非线性最小二乘拟合计算得到金属基圆弧砂轮的廓形和圆弧半径，从而构成在位检测系统。

电涡流传感器1的测头与金属基圆弧砂轮表面之间留有间隙，该间隙处于电涡流传感器1的线性测量量程范围内。电涡流传感器1的输出值为电压值，电压与距离呈线性关系，电压数据由数据采集卡7采集，采集数据由LABVIEW程序显示出来，并保存数据。

移动装置由运动系统控制箱6、第一步进电动机2、第一直线移动台3、第二步进电动机4、第二直线移动台5构成。第一步进电动机2和第二步进电动机4均与运动系统控制箱6连接，速度大小可由运动系统控制箱6调节控制。移动第一直线移动台3，使第二直线移动台5位于垂直于砂轮旋转轴线截面的径向方向，然后通过运动系统控制箱6控制第二步进电动机4，第二步进电动机4驱动第二直线移动台5，使固定在第二直线移动台5上电涡流传感器1的测头沿平行于金属基圆弧砂轮的旋转轴线方向(为金属基圆弧砂轮圆弧的一个径向方向)匀速运动。

电涡流传感器1在运动过程中测量电涡流传感器的测头与金属基圆弧砂轮表面的距离。

Claims (3)

1.一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法，控制电涡流传感器(1)沿竖直方向匀速运动，电涡流传感器(1)在运动过程中测量并记录其测头与金属基圆弧砂轮(10)表面的距离，根据所述距离得到金属基圆弧砂轮(10)的廓形曲线及半径；

对于圆弧廓形已磨损的金属基圆弧砂轮(10)，利用非线性最小二乘法拟合得到廓形曲线，并根据该廓形曲线计算求得廓形对应的半径R；

其特征在于，根据非线性最小二乘法拟合的廓形曲线计算求得廓形及对应的半径R的具体方法为：

步骤一、检测并计算得到一组数据(s_i,w_i),i＝1,…,m，s_i为电涡流传感器(1)测头对应检测时间点i的位移，w_i为与时间点i相对应的圆弧上的检测点与该圆弧顶点的垂直距离；

步骤二、选择w(s)中的参数，使得w(s)在离散点处与测得的函数的差的平方和最小；

为拟合曲线的模型，x＝(x₁,x₂,…,x_n)，S∈R_n，n<m，，其中x₁＝a，x₂＝b，x₃＝r，n＝3，w(s)是x的非线性函数；

步骤三、根据达到极小值的条件来求待定系数f₀,f₁,…,f_m，函数ψ(s)为在函数类Ψ＝{ψ₀,ψ₁,…,ψ_m}中的构造式ψ(t)＝f₀ψ₀+f₁ψ₁+…+f_mψ_m，待定系数f_k满足：

$\frac{\&part;P}{\&part;f_k}=0,(k=0,1,2,...,m)$

将ψ(s)表达式代入到上式中，得到：

记整理以上方程组得：

解该方程得到待定系数，根据计算得到的待定系数来获得金属基圆弧砂轮的圆弧廓形曲线和圆弧半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于圆弧廓形未磨损的金属基圆弧砂轮(10)，根据公式计算金属基圆弧砂轮的半径R，其中H为圆弧高度，L为电涡流传感器(1)测头的位移。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，电涡流传感器(1)单向运动。