CN105215852B - 一种砂轮磨损及g比率的测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂轮磨损及G比率的测量装置与方法，包括四个部分：第一部分是声发射信号在线监测系统，定性的检测砂轮的磨损状态，当磨损状态超过计算机预设定阈值时，发出报警信号；第二部分是光纤微调机构，精确实现光纤探头的轴向和径向移动；第三部分是磨削力测量装置，对磨削过程中工件所受磨削力进行精确测量；第四部分是磨削温度测量装置，用半人工热电偶测量磨削过程中的温度。本发明既能定性检测砂轮的在线磨损情况，又能测量磨削力和磨削温度，其中磨削力和磨削温度对砂轮的磨损状况也有一个很好的反映；还能计算出砂轮的定量磨损，同时能对机床的砂轮对刀、砂轮磨损检测、砂轮失效检测等具有很大的实际指导意义。

Description

一种砂轮磨损及G比率的测量装置与方法

技术领域

本发明涉及磨削加工领域的实验装置及其磨削温度和磨削力测量装置，具体的为一种砂轮磨损及G比率的测量装置与方法。

背景技术

磨削加工实质上是一种由大量无规则的离散分布在砂轮工作面上的磨粒所完成的划擦、耕犁和切削作用的随机综合。借助砂轮表面的大量磨粒切削刃去除材料的一种加工方法，作为一种获得高精度、低粗糙的加工表面以及对高硬度表面进行精加工的工艺方法，在制造加工技术领域占有十分重要的地位。随着现代化制造技术的发展，磨削加工在切削加工中的比重越来越大，成为现代制造技术的关键。提高磨削加工效率、加工精度和减少砂轮磨损一直是磨削领域研究的重要内容。砂轮磨损机理一直是国内外致力于探讨的问题，其中砂轮磨损可分为磨耗磨损、破碎磨损和堵塞粘附，磨耗磨损时由砂粒和工件之间摩擦而引起的；破碎磨损是砂粒的破碎或结合剂的破碎，它取决于磨削力的大小和结合剂的强度。磨削过程中随着被磨材料体积的增加，砂轮磨损逐渐增大，对砂轮的磨损与金属材料磨除体积之间的关系，有关学者把砂轮的磨损过程分为三个磨损期，当砂轮修整之后，初期磨损阶段主要是磨粒的破碎和整体脱落，其原因是修整后的砂轮工作表面上磨粒受修整工具冲击而产生裂纹。在磨削力作用下，产生裂纹的磨粒会出现大块碎裂，而松动的磨粒则会整体脱落，表现曲线上升较陡。第二期磨损阶段，即正常磨损阶段，因在力的作用下，仍会有一些磨粒破碎，但主要是磨粒经历长时间的切削钝化，为磨耗磨损。由于该阶段磨粒切削刃较稳定的切削，使砂轮的磨损曲线变得比较平坦。第三期磨损阶段，由于磨粒切削刃进一步钝化，使作用在磨粒上的力急剧增大，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎及整个磨粒脱落。此时曲线上升很陡，砂轮不能正常工作。

所谓声发射现象是固体材料由于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性波，简称AE。在外力作用下，材料中的缺陷或微观不均匀处于应力集中状态，这种状态是一种极不稳定的高能状态，必然要过渡到低能状态，如果这种过渡是在瞬间快速进行的，则多余能量的一部分将以弹忡波的形式放出，从而产生声发射现象，它可用固定在固体表面的AE传感器检测出来。磨削过程是一个很复杂的过程，磨削区具有相当高的变形率和摩擦磨损以及金属相变、冲击、砂粒的崩碎、切削液的冲击等现象，这些都是强裂的声发射源。HuntW等学者研究了磨削过程中产生的各种声发射源，指出当砂轮与工件弹性接触、砂轮粘结剂破裂、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。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系；这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。影响磨削过程的因素特别多，如磨削过程中砂轮的磨损、对刀精度等，仅靠操作者来获得较好的磨削效果难度较大，迫切需要找到一种对磨削加丁进行在线监测的方法。1984年以来，声发射技术被引入磨削研究领域，利用它来监测磨削质量(主要包括磨削裂纹和磨削烧伤)、磨削过程(包括砂轮磨损、砂轮与工件接触等)以及砂轮参数的测定(砂轮修整质量参数和砂轮硬度等)，并取得了令了满意的效果。

磨削力是磨削过程中的重要物理量。磨削力来源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切削形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与砂轮的耐用度、磨削表面粗糙度、G比率等均有直接关系。磨削过程中所切下的磨屑虽然很小，每颗磨粒上承受的磨削力也很小，但大量同时进行切削的细小磨粒上所受到的力的总和就可以产生较大的磨削力。当切出的磨削断面积愈大、数量愈多、被加工材料的强度愈大时，磨削力就愈大；而砂轮的工作表面愈锋利，则磨削力就愈小。磨削过程中的磨削温度测量也是十分必要的，因为磨削过程中磨削能较其他切削方法大很多倍，这些能量绝大部分转化为热能，而这些热能的分配与其他切削方式也有很大的不同，其中绝大部分约80％的磨削热传入工件(车削约3％～9％)，切屑带走约4％～8％，砂轮带走约10％～16％，另有少部分以传导和辐射形式散出。由于磨削速度高，热量来不及传入工件深处而瞬时集聚在很薄的表层，形成表层中极大的温度梯度。进入工件的热量将引起工件表层温度的显著升高，造成局部高温和过大的温度梯度，从而产生工件尺寸形状偏差，表面变质层，以及表面烧伤和裂纹等加工缺陷。磨削产生的高温对砂轮磨粒的切削性能也有很大的影响，会降低砂轮的使用寿命。

目前，砂轮磨损的检测方法很多，按是否直接对砂轮进行测量分为直接测量和间接测量；按检测时是否接触，可分为接触式和非接触式检测。检测方法主要有滚动复印法，触针测量法，基于CCD相机的计算机图像处理法，激光功率谱法和声发射监测法。也有研究人员对砂轮的磨损量测量提出针对性的测量方法，如采用气动磨损测量仪对砂轮进行在线测量；砂轮磨损量测量还有其他的办法，比如直接采用卡尺对砂轮进行测量，通过多次测量求取砂轮磨损前后的平均值进行对比；也可参与激光测距法对砂轮的表面形貌进行测量，该测量方法既可以测的砂轮的宏观特性数据，也可以测得砂轮的微观特性参数。

G比率(是指同一磨削条件下去除工件材料的体积与砂轮磨损体积之比)，它也是表征可磨削性的重要参数，是选择砂轮及磨削用量的主要依据，G比率的大小是表示砂轮使用经济性的一个重要指标，当G值越大时，表示消耗单位体积砂轮可以磨去更多的被加工材料，砂轮的经济性能就越好。

经检索，已有专利号为ZL201310334856.8的基于声发射信号的铣削加工表面粗糙度在线预测方法，在被铣削加工零件上安装一个声发射传感器，利用声发射传感器对铣削加工时被铣削加工零件材料变形所释放出的声发射信号进行监测；根据铣削加工理论中铣屑厚度的变化反映铣削加工表面粗糙度的理论，利用声发射信号对实际加工中铣屑厚度变化的敏感反应，对所探测到的被加工零件在加工时所释放出来的声发射信号进行分析和处理来预测铣削加工表面粗糙度的大小。该发明只实现了铣削加工时在线预测铣削加工表面粗糙度的大小，并不能实现砂轮磨损量的测量，值得的改进。

经检索，已有专利号为ZL200520047712.5的一种砂轮磨损测量及加工误差补偿装置，它包括砂轮架，金刚笔，数控系统,声发射传感器，声发射信号处理装置。金刚石笔作砂轮定位的基准，安装固定在磨床床身上砂轮架前面,砂轮架侧面上固定安装声发射传感器，声发射传感器的输出信号经声发射信号处理装置的滤波和阈值计算后输入至机床数控系统，用于砂轮磨损量的测量并通过数控系统实现磨损量的自动补偿。但该装置只是使用声发射技术定性检测砂轮的磨损情况，并不能进一步定量测量出砂轮的磨损量，该装置有值得改进之处。

经检索，已有专利号为ZL201110294068.1的利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置，该装置采用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。它适用范围比较广，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。但是该装置只是最终测量出砂轮工作前后直径大小的差值，而实际砂轮磨损主要是磨粒的磨损，此方法存在很大的误差。该装置也没有磨削温度和磨削力的检测装置来侧面反映砂轮的磨损情况。

经检索，专利号为ZL201210490401.0的纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测方法和装置，它包括一个传感器杠杆，所述传感器杠杆左端设有触针，触针与砂轮表面接触，传感器杠杆右端与电感式位移传感器连接，传感器杠杆的支点处与测量装置机体铰接；电感式位移传感器与交流电源连接；电感式位移传感器数据输出端则与滤波放大器连接，滤波放大器分别与计算器和示波器连接，计算器还与存储器连接。它用矩阵表征砂轮形貌，再根据磨削加工工件表面形貌创成机理，来推导工件的表面形貌。该装置虽然测出了砂轮表面磨粒形貌，但并不能计算砂轮的磨损量。因此，该装置尚有值得改进之处。

在公开的专利中检测砂轮的磨损量，大都是通过某种方法来测量出砂轮工作前后的直径变化来计算砂轮的磨损量，但对于实际的工况中，普通砂轮表面磨粒的分布是随机的，并没有一定的规律可言，所以用常规方法测量砂轮磨损量是存在很大的误差。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种砂轮磨损及G比率的测量装置与方法，本发明通过声发射技术在线定性监测砂轮磨损状况，然后由光纤探头微调机构结合计算机相应软件来测量砂轮表面磨粒一维轮廓，由积分学计算砂轮磨损量、G比率。其中，声发射技术在线监测对机床对刀、砂轮磨损检测、砂轮失效检测等具有很大的实际指导意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种砂轮磨损及G比率的测量装置，包括工作台，工作台上设置有砂轮，砂轮前安装有声发射信号在线监测系统，采集砂轮磨削工件时产生的瞬间应力波，工作台上安装有光纤探头微调机构，光纤探头微调机构带动光纤探头进行轴向和径向运动，光纤探头测量砂轮表面磨粒一维轮廓；砂轮旁设有磨削力测量装置和磨削温度测量装置，分别测量砂轮的磨削力和产生的温度，将检测的信息传输给相应的信息采集仪，信息采集仪、声发射信号在线监测系统和光纤探头均连接有控制器，控制器根据采集的信息，确定砂轮的磨损和G比率；

所述光纤探头微调机构，包括支架、轴向进给装置和径向进给装置，其中，所述支架包括支架底座，支架底座固定在工作台上，支架底座上设置有加强筋，支架支撑轴向进给装置的进给底座和径向进给装置的工作盘；

所述轴向进给装置包括一对轴向进给光杆，两轴向进给光杆的两端分别固定在进给底座上；两轴向进给光杆之间还装有轴向丝杠，轴向丝杠两端与深沟球轴承连接，深沟球轴承安装在进给底座两侧，手动摇动轴向进给手柄带动轴向丝杠完成轴向进给运动；

所述径向进给装置包括一对径向进给光杆，两径向进给光杆通过端面法兰固定在工作盘上，工作盘由轴向进给光杆和径向丝杠支撑，径向丝杠由轴承座固定安装在工作盘上，摇动径向进给手柄，径向丝杠带动丝杠导轨座运动，完成径向进给运动；

砂轮旁设有磨削力测量装置和磨削温度测量装置，分别测量砂轮的磨削力和产生的温度，将检测的信息传输给相应的信息采集仪，信息采集仪、声发射信号在线监测系统和光纤探头均连接有控制器，控制器根据采集的信息，确定砂轮的磨损和G比率；

所述光纤探头固定在探头机座上，探头机座固定在机架杆上，机架杆固定于支架上，光源发出的光经方向耦合器垂直照射在砂轮表面，光纤探头接收被测砂轮表面的反射光，将测量信号传输给光纤工作箱进行放大、过滤后传输给控制器。

所述声发射信号在线监测系统，包括前置放大器、低通滤波器、数据采集仪、声发射传感器及保护装置，其中，声发射传感器设置于保护装置内，声发射传感器检测砂轮磨削工件时产生的声发射信号，声发射信号送至前置放大器进行放大，前置放大器和低通滤波器由信号线连接，低通滤波器与数据采集仪连接，数据采集仪和控制器相连接，控制器将声发射信号与预设定的阈值作比较，若超过阈值则显示报警。

所述声发射传感器与保护装置之间设有减少两者碰撞的垫片，声发射传感器末端设有橡胶垫片。

所述磨削力测量装置包括底座，底座上固定有磨削测力仪，磨削测力仪中部设有工件夹具，工件置于工件夹具内，工件夹具内在X方向至少设置有一个定位螺栓，在Y方向设置有定位块和至少一个定位螺栓，在Z方向设置有至少一个压紧组件进行定位；磨削测力仪的测量信号经放大器放大后传给力信息采集仪，最后传到控制器，以显示磨削力的大小。

所述压紧组件有三个，且结构相同，其中两个压紧组件设置在工件的一侧，另一个压紧组件则位于工件的另一侧；每个压紧组件均包括一个压板，螺栓穿过压板与一个平板连接，平板安装在工件夹具上，螺栓与压板间设有垫片。

所述磨削温度测量装置为半人工热电偶，其工作端加在分开的工件之间，测量信号经温度信息采集仪传到数据分析仪，并由控制器显示热电偶测量的工件温度。

基于上述砂轮磨损及G比率测量装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)砂轮磨削工件时产生的瞬间应力波，也就是声发射信号，经磨削测力仪由探针被声发射传感器检测到，然后传送到前置放大器放大，通过低通滤波器过滤掉磨削过程产生的信号，只保留与砂轮磨损有关的信号，由数据采集仪经过导线将信息传输给控制器，与预设值的阈值进行比对，如果超出阈值则报警；

(2)若发出报警信号，光纤探头微调机构带动光纤探头来测量砂轮表面磨粒一维轮廓，调节轴向进给装置以测量砂轮厚度方向，测得若干条砂轮磨粒一维轮廓曲线，求平均值，将测得的信号放大、滤波处理后，计算出砂轮磨损量；

(3)磨削力测量装置对工件进行夹紧后，由其测量磨削力的大小，磨削温度测量装置测量磨削温度，间接反映出砂轮的磨损程度。

所述步骤(2)中，具体计算方法为：取砂轮一周作为测量磨粒一维轮廓曲线的一个测量周期，以砂轮圆周方向作为x轴，砂轮径向作为y轴，砂轮工作前测得的磨粒一维轮廓曲线为：l₁＝f(s₁)，砂轮工作后测得的磨粒一维轮廓曲线为：l₂＝f(s₂)，根据一元函数积分学，在积分区间(a,b)上对两条曲线求解积分面积，求得砂轮磨粒一维径向磨损面积为：

利用光纤探头微调机构中的轴向给进装置调节，在砂轮宽度方向左右移动，测量n次砂轮表面磨粒一维轮廓曲线，然后使用上述方法求解测量的曲线积分面积S_i，i＝1,2,…,n，最后求取砂轮磨粒一维径向磨损面积的平均值为：

再根据砂轮的厚度d，计算出砂轮的磨损体积为：

砂轮的G比率计算公式如下；

其中，V_W为单位时间内砂轮磨削去除工件材料的体积，V_s为单位时间内砂轮磨损的体积。

本发明的有益效果为：

(1)本发明设有四个部分：第一部分是声发射信号在线监测系统，定性的检测砂轮的磨损状态，当磨损状态超过计算机预设定阈值时，发出报警信号；第二部分是光纤微调机构，精确实现光纤探头的轴向和径向移动；第三部分是磨削力测量装置，对磨削过程中工件所受磨削力进行精确测量；第四部分是磨削温度测量装置，用半人工热电偶测量磨削过程中的温度；

(2)本发明既能定性检测砂轮的在线磨损情况，又能测量磨削力和磨削温度，其中磨削力和磨削温度对砂轮的磨损状况也有一个很好的反映；还能计算出砂轮的定量磨损，从而给出砂轮磨削的重要参数G比率等，同时能对机床的砂轮对刀、砂轮磨损检测、砂轮失效检测等具有很大的实际指导意义。

附图说明

图1砂轮磨损、G比率测量方法与装置轴测图；

图2光纤探头微调机构轴测图；

图3光纤探头微调机构的轴向进给轴测图；

图4光纤探头微调机构的径向进给轴测图；

图5光纤探头微调机构轴向进给方向螺母的剖视图；

图6光纤探头微调机构探头机座正视图；

图7光纤探头微调机构支架轴测图；

图8磨削力测量装置轴测图；

图9工件定位夹紧图；

图10磨削测力仪轴测图；

图11磨削温度测温装置示意图；

图12工件剖视图；

图13半人工热电偶测温示意图；

图14声发射传感器保护装置剖视图；

图15声发射信号检测显示图；

图16砂轮表面凸出磨粒示意图；

图17砂轮磨粒形状图；

图18砂轮表面磨粒轮廓测量步骤流程图；

图19砂轮表面磨粒一维轮廓测量示意图；

图20砂轮表面被测磨粒一维轮廓曲线图。

其中，1-径向进给手轮，2-轴承座，3-端面法兰，4-工作盘，5-轴向进给手轮，6-光纤工作箱，7-支架，8-计算机，9-导线，10-加强筋，11-磁力工作台，12-数据采集仪，13-支架底座，14-低通滤波器，15-前置放大器，16-软管，17-声发射传感器保护装置，18-压板螺栓，19-圆柱垫片，20-压板螺母，21-压板，22-工件，23-平板，24-平板螺栓，25-放大器，26-力信息采集仪，27-导线，28-计算机，29-温度信息采集仪，30-测力仪底座螺栓，31-测力仪底座，32-磨削测力仪，33-测力仪螺栓，34-热电偶，35-工件夹具螺栓，36-工件夹具，37-定位螺栓，38-定位块，39-砂轮，40-轴向进给光杆Ⅰ，41-进给底座，42-轴向进给丝杆，43-轴向进给光杆Ⅱ，44-光纤探头，45-探头机座，46-紧固螺钉，47-机座板，48-机架杆，49-轴承座紧固螺钉，50-传导线，51-机座螺钉，52-轴承座螺钉，53-丝杠导轨座，54-光杆座，55-深沟球轴承，56-螺母，57-径向进给光杆Ⅰ，58-深沟球轴承，59-径向进给丝杠，60-径向进给光杆Ⅱ，61-平板，62-小压板螺栓，63-花纹头螺栓，64-连接件，65-云母片，66-探针，67-密封圈，68-垫片，69-声发射传感器，70-橡胶垫片，71-螺纹孔。

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。

如图1所示，砂轮磨损、G比率测量方法与系统装置轴测图，主要由声发射信号在线监测系统、光纤探头微调机构、磨削力测量装置和磨削温度测量装置构成；光纤探头微调机构由砂轮轴向进给和径向进给两大部分组成，其中砂轮轴向进给装置由轴向进给手轮5、进给底座41、工作盘4、轴向进给丝杠42、和两根轴向进给光杆40、43构成。砂轮径向进给装置由径向进给手柄1、端面法兰3、机座板47、丝杠导轨座53、轴向进给丝杠42和径向进给光杆57、60构成。

如图2所示，光纤探头微调机构通过丝杠螺母传动来实现，该装置由于采用手动，转速很小，传递的功率不大，因此采用丝杠螺母结构，丝杠螺母的螺纹选用梯形螺纹。当螺纹升角小于当量摩擦角，即：λ＜arctanf_v时，其中f_v为当量摩擦系数，两丝杠42、59便有自锁能力且丝杠只能带动螺母，而不能有螺母带动丝杠。轴向进给装置中：进给底座41通过螺钉与夹紧套62连接，轴向进给光杆40、43在进给底座41两侧通过钻孔固定连接，轴向进给丝杠42通过螺母56与工作盘4相连接。而径向进给装置中：径向进给光杆57、60与工作盘4使用端面法兰3连接，由于轴向和径向进给的丝杠是转动的，因此两方向的丝杠两端分别都有深沟球轴承55、57，这些轴承的轴承座分别固定在进给底座41两侧、工作盘4上，轴承座2用轴承座紧固螺钉49固定在工作盘4上。光纤探头轴向进给的距离范围由磨床砂轮的厚度来决定，经查阅资料可知一般磨床砂轮的厚度范围为20-50mm，故此设计的光纤探头轴向进给的距离范围为15-60mm，满足实际需要。轴向进给丝杠42上有基本导程(L₀₁、L₀₂)不同的两段螺纹，其旋向相同，n为丝杠转速，当摇动轴向进给手轮5带动轴向进给丝杠42转动时，螺母56带动工作盘4的移动距离为：S＝n(L₀₁-L₀₂)。其两基本导程的大小相差较少，从而可获得较小的移动位移S。例如选用单头丝杠0801丝杠副，那么08表示丝杠大径是导程是1mm,也就是当摇动轴向进给手轮5，光纤探头44相应的移动1mm，从而实现光纤探头在轴向进给方向的微调。在径向进给方向上，光纤探针距离砂轮表面越近，测量的精度也会相应地增高，但由于砂轮在工作过程中难免会存在一些误差，如砂轮径向跳动，从而也会影响其距离。根据不同的工况来决定测量距离的大小，从而本发明设计了径向进给装置来实现此方向的微量进给，但其工作原理和轴向进给是一样的。这便是光纤探头微调机构的工作原理。

图3、图4分别是光纤探头微调机构的轴向进给和径向进给装置轴测图。图5是轴向进给方向螺母56的剖视图，通过螺钉固定在工作盘4上，实现机构的往返微调运动。

图6是光纤探头微调机构探头机座正视图。通过紧固螺钉46将光纤探头44固定在探头机座45上，探头机座45通过机座螺钉51固定在机座板47上，探头机座45通过丝杠导轨座53来实现与径向进给丝杠59的传动，光杆座54起到辅助导轨的作用。

图7为光纤探头微调机构支架轴测图。开启工作台11后，工作台11充磁可使支架底座13吸附在上面，达到固定的目的。机架杆48与支架底座13之间通过加强筋10进行加强连接，进给底座41通过螺钉固定在连接件64。

图8所示为磨削力测量装置轴测图。前后两个测力仪底座31固定磨削测力仪32并用测力仪螺栓33和测力仪底座螺栓30紧固，两测力仪底座31的材料属性为可导磁性金属，开启工作台11后，工作台11充磁可使磨削测力仪32的底座31吸附在上面。工件夹具36固定在磨削测力仪32的工作台上，将工件22放在磨削测力仪32的工作台上，工件22的六个自由度通过工件夹具36和磨削测力仪32的工作台便可实现完全定位，如图9所示为工件定位夹紧图。工件22的X轴方向使用两个定位螺栓37进行夹紧，在工件的Y方向，使用工件夹具螺栓35对工件22进行夹紧。定位块38一面与工件22侧面接触，一面与两个定位螺栓37接触，拧紧定位螺栓37使定位块38在工件22的X方向上夹紧。工件22在Z方向上采用三个压板21夹紧，三个压板21借助平板23、平板61、圆柱垫片19和压板螺栓18、压板螺母20构成自调节压板，当工件22长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个夹具螺栓35、两个定位螺栓37、和三个压板21实现装备可调，满足工件22的尺寸变化要求。定位块38用小压板螺栓62和定位螺栓37进行夹紧。

图10为磨削测力仪轴测图。工件22受到磨削力时，测量信号经放大器25放大后传给力信息采集仪26，最后传到计算机28并显示磨削力的大小。

图11所示为磨削温度测温装置示意图。测量信号经温度信息采集仪29传送到计算机28，并由相应的软件分析显示出热电偶34测量工件22的温度。在图12中，工件22底部打一个槽，使热电偶丝34能够通过。图13所示为半人工热电偶测温示意图，热电偶两侧夹有10μm厚的云母片65，起到绝缘作用。半人工法是在金属工件上插入绝缘的热电偶，磨削过程中磨削热使热电偶34和工件22在接触区形成热电偶结点，工件22本身也作为热电偶34的组成部分。半人工热电偶比人工热电偶层数少，装配更简单，尺寸小，因而测试精度和可靠性更高。

如图14为声发射传感器保护装置剖视图。在工件加工过程中，工作所处环境相对比较恶劣，如切削液、切屑等会对声发射传感器69产生一定的影响破坏，从而设计了专门对声发射传感器的保护装置17，其中声发射传感器的保护装置17由对称的上下两部分构成有螺钉通过螺纹孔71连接固定。声发射传感器69安装在声发射传感器的保护装置17内，密封圈67起到对整个装置的密封作用，防止外界污染物进入声发射传感器的保护装置17。声发射传感器69与声发射传感器的保护装置17间有垫片68，减小两者间的碰撞冲击。声发射传感器69末端安装一橡胶垫片70，减小声发射传感器69的振动以及能和声发射传感器的保护装置17更好的定位。探针66平面端与声发射传感器69紧密接触，探针66另一端与磨削测力仪32表面接触，为了保护探针66遭到破坏，应使用铜或铝材料制作的。当砂轮磨削工件时，工件22受力接触区应力分布产生变化，从而产生瞬间应力波，也就是声发射(AE)信号。砂轮磨损时，AE信号的幅值比平时要高出3倍多，AE信号的频率分布也有所展宽，通过测量声发射信号的幅值与频谱特性的变化，即可知道砂轮表面磨损的情况。声发射信号的强度与磨削力有关，力增大AE信号幅值增大。由图15声发射信号检测显示图知，AE信号经探针66检测到比较微弱然后传送到前置放大器15放大，由于砂轮磨削工件时产生的AE信号一般在高频区范围内幅值比较明显，其他信号在低频区，因此，可以通过低通滤波器14过滤掉磨削过程产生的信号，只保留与砂轮磨损有关的信号，以便对砂轮磨损情况进行识别。然后，由数据采集仪12，经过导线10把信息进入计算机8有相应的软件分析处理，通过计算机预设定好的阈值作比较，若超过阈值计算机显示报警，砂轮进入磨损状态，否则可以继续工作。

图16所示为砂轮表面凸出磨粒示意图。在实际工况下，砂轮的磨损意义上就是砂轮磨粒的磨损，通过测量磨粒磨损的体积来得出砂轮磨损量。工件材料中，往往含有多种高硬度的质点，在磨粒与工件相对滑擦过程中，会使磨粒发生机械磨损，从而使砂轮被磨损。磨粒作为砂轮参与切削的主要部分，对加工工件表面质量产生了非常大的影响。如图17所示砂轮磨粒形状图，有关学者把磨粒的形状主要分为四类：圆锥形、球形、圆台形和四棱锥形。

图18所示为砂轮表面磨粒一维轮廓测量步骤流程图。光源发出的光经方向耦合器垂直照射在被测砂轮39表面上，被测表面反射光由光纤探头44接收，经PIN转化成参考信号，被测表面轮廓有关的量经过光纤工作箱6中的信号放大、滤波、和A/D转化，传送到计算机由相应软件给出砂轮表面磨粒被测轮廓曲线，如图20所示。

图19所示为砂轮表面磨粒一维轮廓测量示意图。砂轮39以恒定速度旋转时，当需要测量砂轮磨损程度时，由光纤探头44对砂轮表面轮廓进行扫面，来获取砂轮表面磨粒轮廓曲线。

图20所示为砂轮表面被测磨粒一维轮廓曲线图。取砂轮一周作为测量磨粒轮廓曲线的一个测量周期，以砂轮圆周方向作为x轴，砂轮径向作为y轴。当砂轮工作前测量得到的磨粒一维轮廓曲线为：l₁＝f(s₁)，最后测量得到的砂轮磨粒一维轮廓曲线为：l₂＝f(s₂)。根据一元函数积分学，在积分区间(a,b)上对两条曲线求解积分面积，求得砂轮磨粒径向磨损面积为：

利用微调装置中的轴向进给调节，如图2所示，对砂轮宽度方向左右移动，测量3次砂轮表面磨粒一维轮廓曲线，然后使用上述方法求解3次测量的曲线积分面积S₁、S₂、S₃，最后求取砂轮磨粒一维径向磨损面积的平均值：

再根据砂轮的厚度d，计算出砂轮的磨损体积为：

在计算机8中相关程序软件中输入砂轮的G比率公式：

其中V_W为单位时间内砂轮磨削去除工件材料的体积，V_s为单位时间内砂轮磨损的体积。

本发明的工作过程如下：

结合图1至图20可知，砂轮39磨削工件22时，会产生瞬间应力波，也就是声发射信号，声发射信号经测力仪32由探针66被声发射传感器69检测到，此时的信号比较微弱然后传送到前置放大器15放大，通过低通滤波器14过滤掉磨削过程产生的信号，只保留与砂轮磨损有关的信号，然后，由数据采集仪12，经过导线10把信息进入计算机8有相应的软件分析处理得出结果，和预先设定好的阈值做比较，给出是否报警信号。如果没有报警，砂轮继续工作。若发出报警信号，由吸附在工作台11上的光纤探头微调机构带动光纤探头44来测量砂轮表面磨粒一维轮廓，轴向进给手轮5实现砂轮厚度方向的调节，测出3条砂轮磨粒一维轮廓曲线，以便求平均值；径向进给手轮1实现砂轮径向的调节，来调节光纤探头44与砂轮39表面最适距离，以便减小误差。测得砂轮表面磨粒一维轮廓信号经过光纤工作箱6中的信号放大、滤波、和A/D转换器转化，传送到计算机由相应软件给出砂轮表面磨粒被测一维轮廓曲线，以便计算出砂轮磨损量。而测温测力装置，将热电偶34的工作端由半人工法夹工件22中间由底部打好的盲孔导出，经过温度信息采集仪29传递到计算机28显示磨削温度。经用工件夹具36和磨削测力仪32的工作台对工件22定位，再用工件夹具螺栓35、定位螺栓37和压板21对工件22夹紧后，将磨削力测量装置放在磁力工作台11的适当位置，并连接信号放大器25、力信息采集仪26和计算机28，显示出磨削力的大小。测量的磨削温度及磨削力也可以间接反映出砂轮的磨损程度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种砂轮磨损及G比率的测量装置，包括工作台，工作台上设置有砂轮，其特征在于：砂轮前安装有声发射信号在线监测系统，采集砂轮磨削工件时产生的瞬间应力波，工作台上安装有光纤探头微调机构，光纤探头微调机构带动光纤探头进行轴向和径向运动，光纤探头测量砂轮表面磨粒一维轮廓；砂轮旁设有磨削力测量装置和磨削温度测量装置，分别测量砂轮的磨削力和产生的温度，将检测的信息传输给相应的信息采集仪，信息采集仪、声发射信号在线监测系统和光纤探头均连接有控制器，控制器根据采集的信息，确定砂轮的磨损和G比率；

所述光纤探头微调机构，包括支架、轴向进给装置和径向进给装置，其中，所述支架包括支架底座，支架底座固定在工作台上，支架底座上设置有加强筋，支架支撑轴向进给装置的进给底座和径向进给装置的工作盘；

所述轴向进给装置包括一对轴向进给光杆，两轴向进给光杆的两端分别固定在进给底座上；两轴向进给光杆之间还装有轴向丝杠，轴向丝杠两端与深沟球轴承连接，深沟球轴承安装在进给底座两侧，手动摇动轴向进给手柄带动轴向丝杠完成轴向进给运动；

所述径向进给装置包括一对径向进给光杆，两径向进给光杆通过端面法兰固定在工作盘上，工作盘由轴向进给光杆和径向丝杠支撑，径向丝杠由轴承座固定安装在工作盘上，摇动径向进给手柄，径向丝杠带动丝杠导轨座运动，完成径向进给运动；

砂轮旁设有磨削力测量装置和磨削温度测量装置，分别测量砂轮的磨削力和产生的温度，将检测的信息传输给相应的信息采集仪，信息采集仪、声发射信号在线监测系统和光纤探头均连接有控制器，控制器根据采集的信息，确定砂轮的磨损和G比率；

所述光纤探头固定在探头机座上，探头机座固定在机架杆上，机架杆固定于支架上，光源发出的光经方向耦合器垂直照射在砂轮表面，光纤探头接收被测砂轮表面的反射光，将测量信号传输给光纤工作箱进行放大、过滤后传输给控制器。

2.如权利要求1所述的一种砂轮磨损及G比率的测量装置，其特征在于，所述声发射信号在线监测系统，包括前置放大器、低通滤波器、数据采集仪、声发射传感器及保护装置，其中，声发射传感器设置于保护装置内，声发射传感器检测砂轮磨削工件时产生的声发射信号，声发射信号送至前置放大器进行放大，前置放大器和低通滤波器由信号线连接，低通滤波器与数据采集仪连接，数据采集仪和控制器相连接，控制器将声发射信号与预设定的阈值作比较，若超过阈值则显示报警。

3.如权利要求2所述的一种砂轮磨损及G比率的测量装置，其特征在于，所述声发射传感器与保护装置之间设有减少两者碰撞的垫片，声发射传感器末端设有橡胶垫片。

4.如权利要求1所述的一种砂轮磨损及G比率的测量装置，其特征在于，所述磨削力测量装置包括底座，底座上固定有磨削测力仪，磨削测力仪中部设有工件夹具，工件置于工件夹具内，工件夹具内在X方向至少设置有一个定位螺栓，在Y方向设置有定位块和至少一个定位螺栓，在Z方向设置有至少一个压紧组件进行定位；磨削测力仪的测量信号经放大器放大后传给力信息采集仪，最后传到控制器，以显示磨削力的大小。

5.如权利要求4所述的一种砂轮磨损及G比率的测量装置，其特征在于，所述压紧组件有三个，且结构相同，其中两个压紧组件设置在工件的一侧，另一个压紧组件则位于工件的另一侧；每个压紧组件均包括一个压板，螺栓穿过压板与一个平板连接，平板安装在工件夹具上，螺栓与压板间设有垫片。

6.如权利要求1所述的一种砂轮磨损及G比率的测量装置，其特征在于，所述磨削温度测量装置为半人工热电偶，其工作端加在分开的工件之间，测量信号经温度信息采集仪传到数据分析仪，并由控制器显示热电偶测量的工件温度。

7.基于权利要求1-6中任一所述的砂轮磨损及G比率测量装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(4)砂轮磨削工件时产生的瞬间应力波，也就是声发射信号，经磨削测力仪由探针被声发射传感器检测到，然后传送到前置放大器放大，通过低通滤波器过滤掉磨削过程产生的信号，只保留与砂轮磨损有关的信号，由数据采集仪经过导线将信息传输给控制器，与预设值的阈值进行比对，如果超出阈值则报警；

(5)若发出报警信号，光纤探头微调机构带动光纤探头来测量砂轮表面磨粒一维轮廓，调节轴向进给装置以测量砂轮厚度方向，测得若干条砂轮磨粒一维轮廓曲线，求平均值，将测得的信号放大、滤波处理后，计算出砂轮磨损量；

(6)磨削力测量装置对工件进行夹紧后，由其测量磨削力的大小，磨削温度测量装置测量磨削温度，间接反映出砂轮的磨损程度。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，具体计算方法为：取砂轮一周作为测量磨粒一维轮廓曲线的一个测量周期，以砂轮圆周方向作为x轴，砂轮径向作为y轴，砂轮工作前测得的磨粒一维轮廓曲线为：l₁＝f(s₁)，砂轮工作后测得的磨粒一维轮廓曲线为：l₂＝f(s₂)，根据一元函数积分学，在积分区间(a,b)上对两条曲线求解积分面积，求得砂轮磨粒一维径向磨损面积为：

<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </msubsup> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow>

利用光纤探头微调机构中的轴向给进装置调节，在砂轮宽度方向左右移动，测量n次砂轮表面磨粒一维轮廓曲线，然后使用上述方法求解测量的曲线积分面积S_i，i＝1,2,…,n，最后求取砂轮磨粒一维径向磨损面积的平均值为：

<mrow> <mover> <mi>S</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow>

再根据砂轮的厚度d，计算出砂轮的磨损体积为：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>d</mi> <mover> <mi>S</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>;</mo> </mrow>

砂轮的G比率计算公式如下；

<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>W</mi> </msub> <mrow> <mi>V</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，V_W为单位时间内砂轮磨削去除工件材料的体积，V_s为单位时间内砂轮磨损的体积。