CN105479340A - 一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置，包括：脉冲放电参数采集系统，用于实时获取金刚石砂轮微放电修锐修整中的放电参数；图形采集与处理系统，用于拍摄微磨粒出刃三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；数据处理及调节系统，用于根据图形采集与处理系统的比较结果与实时获取的放电参数，利用磨床的CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源参数及磨床的磨削工艺参数。本发明还提供了一种砂轮微放电修锐修整的在线监控方法。本发明通过机器视觉与图像处理的软件系统，将微磨粒出刃的三维形貌转换成数字信息，连同远程监控模板嵌入到数控机床中，实现砂轮工具在线修锐修整的网络智能化监控。

Description

一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置及方法

技术领域

本发明涉及精密磨削制造砂轮修锐修整领域，尤其涉及一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置及方法。

背景技术

现今，单纯的利用磨削法修锐修整砂轮，面对现今磨削要求日益增高的精密器件而言，是不满足实际需求的，加之由于金刚石超硬砂轮的特殊性，磨削法对其作用小且难加工，需要通过其他方法进行金刚石砂轮的修锐修整，另外，对修锐修整后的砂轮采用离线检测方法，由于精密磨削加工中，前提是令机床误差等误差降低到最低，但离线检测方法是拆卸砂轮进行扫描电镜检查及白光干涉仪等仪器检查，会破坏设置好的误差控制范围，重新安装也有工序复杂化的方面。由此本发明故采用微放电砂轮修锐修整工艺，并结合图像采集于检测技术，对砂轮进行在线放电修锐修整。基于砂轮在线修复系统装置设计上,在原理和结构的正确运用下,在低成本的同时,探讨更为不可欠缺的修整模板与工艺参数的优化。

发明内容

本发明的目的在于利用现有技术金刚石砂轮的放电修锐修整以及图像成形在线检测的砂轮磨粒出刃率的结合，一方面提供了一种砂轮微放电修锐修整在线监控装置。

该砂轮微放电修锐修整在线监控装置是将利用高清CCD摄像头对修锐修整好的金刚石砂轮微磨粒出刃特征点提取，与微磨粒出刃参数的三维形貌基本特征值相比较，进而在线判断金刚石砂轮修锐修整的效果。

所述砂轮微放电修锐修整在线监控装置通过如下技术方案实现：

一种砂轮微放电修锐修整在线监控装置，包括：

脉冲放电参数采集系统，用于实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数；

图形采集与处理系统，用于拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；

数据处理及调节系统，用于根据图形采集与处理系统的比较结果和实时获取的放电参数,利用磨床的CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源的放电参数及磨床的磨削工艺参数，实现在线补偿微放电修锐修整。

进一步地，所述脉冲放电参数采集系统包括电压传感器、电流传感器、数字示波器，所述电压传感器和电流传感器分别将在线采集的放电回路的放电电压、电流波形经所述数字示波器输送数据处理及调节系统。

进一步地，所述图形采集与处理系统包括CCD高清摄像头、图像处理系统，所述CCD高清摄像头用于拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像并提取磨粒三维形貌特征值；所述图像处理系统用于将提取的磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行特征值比较。

进一步地，所述数据处理及调节系统包括电脑终端、放电参数反馈调节系统，所述电脑终端用于根据比较结果及实时获取的放电参数向放电参数反馈调节系统发送调节信号；所述放电参数反馈调节系统根据调节信号控制磨床自适应地调节脉冲电源的放电参数及磨削工艺参数。

进一步地，还包括移动显示终端，所述移动显示终端用于接收砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征点的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过设置按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整。

本发明另一方提供了一种采用如所述砂轮微放电修锐修整在线监控装置的在线监控方法，其技术方案如下：

一种采用如所述砂轮微放电修锐修整在线监控装置的在线监控方法，包括步骤：

脉冲放电参数采集系统实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数，同时图形采集与处理系统拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；

数据处理及调节系统根据比较结果和实时获取的放电参数,利用磨床CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源的放电参数及磨床的磨削工艺参数，实现在线补偿微放电修锐修整。

进一步地，还包括步骤:移动显示终端接收砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征点的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整。

进一步地，所述实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数的步骤具体包括：

通过所述电压传感器和电流传感器分别在线采集放电回路的放电电压、电流波形，并经所述数字示波器输送至数据处理及调节系统。

进一步地，所述拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较的步骤具体包括：

CCD高清摄像头拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像；

从三维图像中提取磨粒三维形貌特征值；

图像处理系统将提取的磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行特征值比较。

进一步地，所述放电参数包括脉冲电源的开路电压、占空比、频率、脉冲火花放电的放电间隙、脉宽为、电流；所述磨削工艺参数包括金刚石砂轮的转速、进给深度、进给速度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）与普通的砂轮修锐修整技术相比，本发明所设计的放电修锐修整对金刚石砂轮进行更高效率的修锐效率，提高精密加工精准性。

（2）与离线检测砂轮磨粒出刃率相比，本发明设计和制作的通过CCD高清摄像头成像，与微磨粒出刃参数的三维形貌基本特征值相比较，软件分析，在线检测金刚石砂轮修锐修整的效果，把多余工序去除，去除砂轮二次安装误差。

（3）与现场控制砂轮修整加工过程相比，本发明设计和制作利用CNC计算机集成系统，开发移动显示终端，展现其实时砂轮微磨粒加工状态及其修锐修整情况，实现互联网+信息化远距离控制的机械加工方式。

附图说明

图1为本发明实施例的在线监控装置结构原理图。

图2为本发明实施例的砂轮修锐修整原理示意图。

图3为本发明实施例的在线监控方法的原理示意图。

图中所示：1-数字示波器；2-电压传感器；3-电流传感器；4-脉冲电源；5-铜电极；6-金刚石砂轮；7-CNC超精密磨床；8-CCD高清摄像头；9-图像处理系统；10-电脑终端；11-放电参数反馈调节系统；12-磨床CNC计算机控制系统；13-移动显示终端；14-金属结合剂；15-金刚石磨粒；16-电火花脉冲放电。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

如图1所示，一种砂轮微放电修锐修整在线监控装置，包括电压传感器2、电流传感器3、数字示波器1、CCD高清摄像头8、图像处理系统9、电脑终端10、放电参数反馈调节系统11、移动显示终端13，CNC超精密磨床7用于安装金刚石砂轮6，在CNC超精密磨床7的水平工作台上固定有铜电极5和脉冲电源4，所述脉冲电源4正极接铜电极5，负极接金刚石砂轮6，形成放电回路，所述电压传感器12和电流传感器11分别将在线采集的放电回路的放电电压、电流波形经所述数字示波器1输送至电脑终端10，所述CCD高清摄像头8用于拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像并提取磨粒三维形貌特征点，所述图像处理系统9用于将提取磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行比较，所述电脑终端10用于根据所述图像处理系统9的比较结果及数字示波器1实时获取的放电参数向放电参数反馈调节系统11发送调节信号，所述放电参数反馈调节系统11根据调节信号控制CNC超精密磨床7的磨床CNC计算机控制系统12自适应地调节脉冲电源4的放电参数及CNC超精密磨床7的磨削工艺参数，智能控制金刚石砂轮6的修整过程；所述移动显示终端13用于接受来自电脑终端10的砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征值的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过设置按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整效果，提供加工效率。

所述脉冲电源4的开路电压为20V～25V，占空比为40%～50%，频率为4000Hz～5000Hz，脉冲火花放电的放电间隙为0～150微米，脉宽为10～100微秒，电流为1～10安。

所述金刚石砂轮6的转速为20~50米/秒，进给深度为1~10微米，进给速度为100~500毫米/分，金刚石砂轮在铜电极表面作直线往复运动，与铜电极进行接触放电磨削。

操作过程中，将金刚石砂轮6固定在数控磨床的砂轮轴上，铜电极5放置在CNC超精密磨床7水平工作台上，金刚石砂轮6、铜电极5和脉冲电源4形成放电回路，脉冲电源4正极接铜电极5，脉冲电源4负极接金刚石砂轮6；金刚石砂轮6在铜电极5表面作直线往复运动，金刚石砂轮6的金属结合剂14与铜电极5间的微米尺度空间为2-100微米。

本发明的另一个实施例提供了一种采用如所述砂轮微放电修锐修整在线监控装置的在线监控方法，包括步骤：

步骤1、脉冲放电参数采集系统实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数，同时图形采集与处理系统拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；

步骤2、数据处理及调节系统根据比较结果和实时获取的放电参数,利用磨床CNC计算机控制系统自适应地调节脉冲电源4的放电参数及磨床的磨削工艺参数，实现在线补偿微放电修锐修整；

步骤3、移动显示终端13接收砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征点的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整。

具体来说，在一个实施例中，所述实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数的步骤具体包括：

通过所述电压传感器12和电流传感器11分别在线采集放电回路的放电电压、电流波形，并经所述数字示波器1输送至数据处理及调节系统。

具体来说，在一个实施例中，所述拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较的步骤具体包括：

步骤301、CCD高清摄像头8拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像；

步骤302、从三维图像中提取磨粒三维形貌特征值；

步骤303、图像处理系统9将提取的磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行特征值比较。

具体来说，在一个实施例中，所述放电参数包括脉冲电源4的开路电压、占空比、频率、脉冲火花放电的放电间隙、脉宽为、电流；所述磨削工艺参数包括金刚石砂轮6的转速、进给深度、进给速度。

如图2所示，当金刚石磨粒15微接触铜电极5，铜电极5的表面会与金刚石砂轮6的金属结合剂14之间产生电火花脉冲放电16，电火花放电会瞬间熔断金刚石砂轮6突出的金属结合剂15，熔断的金属结合剂15会随高速旋转的砂轮6排出；在放电修锐修整过程中，通过电流传感器3、电压传感器2和数字示波器1可以在线采集电流和电压波形，通过电脑终端10将电压、电流波形特征化为放电电流、脉冲持续时间等放电参数并输入到放电参数反馈调节系统11即数据库参数，自适应地调节脉冲电源4的电压、电流等电参数，智能控制放电磨削加工过程。同时，CCD高清摄像头8对修锐过程中的金刚石砂轮6进行高清摄像，时间间隔20毫秒一张，准确对焦，在线观察金刚石砂轮6的磨粒出刃情况，提取磨粒形貌特征点，并通过图像处理系统9的关于微磨粒出刃的三维形貌特征点数据库比较，结果输入电脑终端10，核实在线磨粒出刃率与理论出刃率的区别，进而提供一个参考值的信号给放电参数反馈调节系统11，共同影响电脑终端10的软件数据显示，自适应地调节脉冲电源4的电压、电流等放电参数及CNC磨床的磨削工艺参数，智能控制放电磨削加工过程，同时，通过电脑终端10向移动显示终端13发射加工信号，在线展示放电参数及磨削工艺参数的数据更新变化及CCD高清图像，实时远程控制砂轮修锐修整情况，其原理图如图3所示。

在一个实施例中，采用直径150毫米、厚度2.5毫米的金刚石砂轮6被安装在CNC超精密磨床7（SMRARTB818）的砂轮轴上；长宽度50毫米、厚度12毫米的铜电极5被固定在水平工作台上且与砂轮轴向垂直；金刚石砂轮6、铜电极5和脉冲电源4形成放电回路。金刚石砂轮6的粒度为46目，浓度为100%，金属结合剂14为青铜结合剂。

利用电火花脉冲放电原理，对金刚石砂轮6进行微放电修锐修整，通过金属结合剂与铜电极的放电，促进砂轮金属结合剂脱落，微磨粒出刃。金刚石砂轮6在铜电极5表面作直线往复运动，金属结合剂14与铜电极5之间会产生电火花放电将突出的金属结合剂14熔断排出，砂轮转速为25米/秒，进给速度200毫米/分，进给深度2微米，脉冲电源开路电压为25V，占空比为40～50%，频率为5000Hz。与传统的机械磨削法修锐修整相比，因放电修锐修整法之去除金属结合剂，对金刚石磨粒没有任何影响，因而能够获得磨粒出刃率更高的金刚石砂轮。

本发明在超精密磨削砂轮工具的放电修锐修整（修复）过程中，通过CCD高清摄像头8获取金刚石砂轮6表面微磨粒出刃的三维图像并提取微磨粒出刃特征值，接着将提取的微磨粒出刃特征值与基本特征值比较，利用磨床CNC计算机控制系统12，对脉冲电源4进行调节微放电处理，实现在线微放电修锐修整目的，智能控制金刚石砂轮6微磨粒修复工作；同时借助移动显示终端13可展现其实时微磨粒加工状态及其修锐修整情况，实现互联网+信息化远距离控制的机械加工方式。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置，其特征在于，包括：

脉冲放电参数采集系统，用于实时获取金刚石砂轮微放电修锐修整中的放电参数；

图形采集与处理系统，用于拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；

数据处理及调节系统，用于根据图形采集与处理系统的比较结果与实时获取的放电参数,利用磨床的CNC计算机控制系统(12)自适应地调节脉冲电源(4)的放电参数及磨床的磨削工艺参数，实现在线补偿微放电修锐修整。

2.根据权利要求1所述的砂轮微放电修锐修整在线监控装置，其特征在于：

所述脉冲放电参数采集系统包括电压传感器(2)、电流传感器(3)、数字示波器(1)，所述电压传感器(12)和电流传感器(11)分别将在线采集的放电回路的放电电压、电流波形经所述数字示波器(1)输送数据处理及调节系统。

3.根据权利要求1所述的砂轮微放电修锐修整的在线监控装置，其特征在于：所述图形采集与处理系统包括CCD高清摄像头(8)、图像处理系统(9)，所述CCD高清摄像头(8)用于拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像并提取磨粒三维形貌特征值；所述图像处理系统(9)用于将提取的磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行特征值比较。

4.根据权利要求1所述的砂轮微放电修锐修整的在线监控装置，其特征在于：所述数据处理及调节系统包括电脑终端(10)、放电参数反馈调节系统(11)，所述电脑终端(10)用于根据比较结果及实时获取的放电参数向放电参数反馈调节系统(11)发送调节信号；所述放电参数反馈调节系统(11)根据调节信号控制磨床自适应地调节脉冲电源(4)的放电参数及磨削工艺参数。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的砂轮微放电修锐修整的在线监控装置，其特征在于：还包括移动显示终端(13)，所述移动显示终端(13)用于接收砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征点的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过设置按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整。

6.一种采用如权利要求1至5中任一项所述砂轮微放电修锐修整在线监控装置的在线监控方法，其特征在于，包括步骤：

脉冲放电参数采集系统实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数，同时图形采集与处理系统拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较；

数据处理及调节系统根据比较结果和实时获取的放电参数,利用磨床CNC计算机控制系统(12)自适应地调节脉冲电源(4)的放电参数及磨床的磨削工艺参数，实现在线补偿微放电修锐修整。

7.根据权利要求6所述的在线监控方法，其特征在于，还包括步骤:

移动显示终端(13)接收砂轮修锐修整的微磨粒出刃实时图像以及磨粒特征点的比较结果、实时磨削工艺参数及放电参数，以及通过按钮对磨削工艺参数及放电参数进行调节，实现远程在线监控砂轮工具的修锐修整。

8.根据权利要求6所述的在线监控方法，其特征在于：所述实时获取对金刚石砂轮进行微放电修锐修整时的放电参数的步骤具体包括：

通过所述电压传感器(12)和电流传感器(11)分别在线采集放电回路的放电电压、电流波形，并经所述数字示波器(1)输送至数据处理及调节系统。

9.根据权利要求6所述的在线监控方法，其特征在于：所述拍摄微磨粒出刃的三维图像并提取形貌特征值转换成数字信息与参考值进行比较的步骤具体包括：

CCD高清摄像头(8)拍摄砂轮表面微磨粒出刃的三维图像；

从三维图像中提取磨粒三维形貌特征值；

图像处理系统(9)将提取的磨粒三维形貌特征值与数据库所存的微磨粒出刃参数值进行特征值比较。

10.根据权利要求6所述的在线监控方法，其特征在于：所述放电参数包括脉冲电源(4)的开路电压、占空比、频率、脉冲火花放电的放电间隙、脉宽为、电流；所述磨削工艺参数包括金刚石砂轮(6)的转速、进给深度、进给速度。