CN107576267A - 一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，属于高精度金刚石刀具制造技术领域。步骤一、搭建金刚石砂轮盘修整精度在位精密测量装置，采用此装置采集金刚石砂轮盘面高低数据点；步骤二、对步骤一中得到的金刚石砂轮盘面高低数据点进行处理，拟合出金刚石砂轮盘面三维形貌，并计算金刚石砂轮盘端面全跳动值。本发明可以实现金刚石砂轮盘端面全跳动的在位精确测量，且可以拟合复原出金刚石砂轮盘面的三维真实形貌，先进便捷，为高精度金刚石刀具的制造提供了技术支撑。

Description

一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石砂轮盘修整精度的在位测量方法，属于高精度金刚石刀具制造技术领域。

背景技术

随着核能、激光、天文望远镜等尖端技术的发展，超精密加工技术的作用越来越重要，已成为一个国家制造业最高水平的标志。在超精密切削加工中，精密高性能机床和极稳定加工环境必不可少，高精度刀具也至关重要。目前，传统的机械刃磨方法依然是高精度金刚石刀具的主要制造方法。在金刚石刀具的机械刃磨工艺中，与金刚石刀具直接作用的就是砂轮盘。高速旋转砂轮盘的平面度会影响刀具与砂轮盘面的微观接触状态，改变刀具在刃磨中的动态磨削深度，产生刀具与砂轮盘面之间的振动，形成盘面磨粒对刀具的微观冲击，从而直接影响到所刃磨出的金刚石刀具质量。因此，为了保证砂轮盘的盘面精度，提高金刚石刀具的刃磨质量，必须对砂轮盘进行精密修整。而对砂轮盘精密修整时，必须对盘面精度进行精确的在位跟踪测量，以保证修整精度。截止目前，可以用于对端面跳动进行精密检测评价的技术方法如下：

千分表测量法是一种传统的可以用于对端面跳动进行测量的方法。利用千分表测量端面跳动时，千分表测头压在可以旋转的被测表面上，当被测表面旋转时，其表面的微小不平会使千分表测头发生微小的位移，微小位移经过放大后，通过表盘上的指针偏移或数字显示屏显示指示出来。通过记录被测件旋转一周中千分表的读数，可以计算出被测件的端面跳动值。利用千分表测量，成本低、操作简单，但其精度不高，且数字化程度不足。

三坐标测量机测量法是一种对工件进行精密测量的方法。它是一种以精密机械为基础，综合应用光学、电子技术、计算机技术等先进技术进行测量的先进设备。在利用三坐标机测量时，将被测工件放于其测量平台上，通过扫描工件表面得到工件的三维数据，从而对被测工件的尺寸、形状进行精确的测量。三坐标测量机测量结果精确，自动化程度高，但三坐标机价格昂贵，且其对工件进行在位测量比较难实现。

基于LVDT(Linear variable differential transformer)的微位移测量技术是一种可以实现对工件表面的平面度进行测量的新方法。电感式LVDT气浮式传感器的测头一般由金刚石或蓝宝石等超硬材料制作，其与铁芯直接连接在一起，铁芯通过气浮的方式套在线圈中。LVDT测量时，可将铁芯的微小位移转化为电压输出。LVDT可以实现对端面跳动进行检测，其测量精度很高，且易于实现在位测量，但这种测量方法属于接触式测量，由于测头在测量中存在磨损，且测量中测头与表面的接触压力会造成表面的微观形变，导致测量结果不精确。

电涡流测量法是一种可以对端面跳动进行检测的方法。其工作原理是振荡电路产生的高频电磁场作用在金属工件上时产生涡流效应，这些涡流会使振荡器的振幅衰减，衰减多少和传感器与工件之间的距离有关。通过对振荡幅度进行检测计算，就可以推算出工件表面的微小不平，从而实现对工件端面跳动进行测量。电涡流测量法操作简单，可以实现在位检测，但目前这种方法的测量精度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为满足金刚石砂轮盘精密修整技术对盘面精度精确测量的需要，提出一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法。

本发明的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其通过金刚石砂轮盘面数据采集和盘面数据处理，实现金刚石砂轮盘端面全跳动的在位精确测量，且可以拟合得到金刚石砂轮盘面的三维形貌。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，所述的方法步骤如下：

步骤一：在金刚石刀具研磨机上搭建金刚石砂轮盘面精度在位测量装置，在已经修整完毕的待测金刚石砂轮盘面上沿径向方向粘贴标有等距刻度线的标记纸带；

步骤二：设置激光位移传感器测量参数，包括采样频率、移动平均数滤波平均次数和单次测量数据存储量，其中采样频率设置为5KHz，移动平均数滤波平均次数设为256次，单次测量数据存储量设为5000，然后调整激光位移传感器测头与金刚石砂轮盘间的距离，使金刚石砂轮盘面处于激光位移传感器的测量范围内；

步骤三：恒温控制金刚石砂轮盘面精度在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，金刚石砂轮盘面精度在位测量装置连线开机后静置半小时，等待金刚石砂轮盘面精度在位测量装置达到稳定状态；

步骤四：根据步骤一中标记纸带的等距刻度线，依次测量金刚石砂轮盘面的多个环带的高低点数据，并进行数据存储；

步骤五：对所采集得到的金刚石砂轮盘面高低点数据进行处理，包括单个环带表面数据预处理和所有环带表面数据量的统一化处理，得到经处理后的金刚石砂轮盘面高低数据点阵；

步骤六：利用步骤五中得到的金刚石砂轮盘面高低数据点阵拟合复原出金刚石砂轮盘面的三维真实形貌；

步骤七：利用步骤五中得到的金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵计算得到金刚石砂轮盘端面全跳动值。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1.本发明设计了一种基于激光位移传感的适合于对金刚石砂轮盘修整精度进行在位精密测量的方法，通过金刚石砂轮盘面数据采集以及数据处理，实现了对金刚石砂轮盘端面全跳动的在位精确测量，重复精度为0.02μm，且可以拟合得到金刚石砂轮盘面的三维形貌，很好地满足了金刚石砂轮盘精密修整工艺对盘面修整精度在位精确测量与评价的技术需要。

2.本发明测量金刚石砂轮盘面修整精度操作方便，测量数据可靠且数字化程度较高，可应用于金刚石刀具的机械刃磨工艺中。

附图说明

图1是安装在金刚石刀具研磨机上的激光位移传感器LK-H025和精密修整后待测金刚石砂轮盘示意图；

图2是测量金刚石砂轮盘面多个环带的示意图；

图3是金刚石砂轮盘单个环带表面测得的原始数据图；

图4是金刚石砂轮盘面采样数据经预处理和数据量统一化后单个环带表面的数据图；

图5是拟合得到的金刚石砂轮盘面三维形貌图；

图6是对金刚石砂轮盘面数据所作正态分布函数拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，所述方法步骤如下：

步骤一：如图1所示，在金刚石刀具研磨机上搭建金刚石砂轮盘面精度在位测量装置，在已经修整完毕的待测金刚石砂轮盘面上沿径向方向粘贴标有等距刻度线的标记纸带；

步骤二：设置激光位移传感器测量参数，包括采样频率、移动平均数滤波平均次数和单次测量数据存储量，其中采样频率设置为5KHz，移动平均数滤波平均次数设为256次，单次测量数据存储量设为5000，然后调整激光位移传感器测头与金刚石砂轮盘间的距离，使金刚石砂轮盘面处于激光位移传感器的测量范围内；

步骤三：恒温控制金刚石砂轮盘面精度在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，金刚石砂轮盘面精度在位测量装置连线开机后静置半小时后，对同一位置进行多次测量，等待所测值稳定后，认为金刚石砂轮盘面精度在位测量装置已经达到稳定状态，可以进行步骤四操作；

步骤四：如图2所示，根据步骤一中标记纸带的等距刻度线，依次测量金刚石砂轮盘面每个环带表面的高低点数据，并进行数据存储。对每个环带的砂轮盘表面进行测量时，金刚石砂轮盘保持匀速转动，激光位移传感对同一环带表面扫描采样并存储下金刚石砂轮盘转动多周的表面高低点数据，单个环带表面测量的原始数据如图3所示。每个环带表面数据采集完成后，按纸带所标记的等距刻度线通过金刚石刀具研磨机的往复导轨移动金刚石砂轮盘，使激光光斑打在下一个环带的刻度线上，以继续进行下一个环带表面数据的采集；

步骤五：对所采集得到的金刚石砂轮盘面高低点数据进行处理，包括单个环带表面数据预处理和所有环带表面数据量的统一化处理，得到经处理后的金刚石砂轮盘面高低数据点阵。对金刚石砂轮盘单个环带表面高低点数据的预处理如下：对得到的每个环带表面高低点数据，先根据数据点的突升和突降识别纸带特征数据点，然后根据纸带位置提取整周环带表面的数据点，剔除纸带数据点并采用线性插值补充纸带粘贴处的空缺数据。所有环带表面数据量统一化处理如下：对每个环带表面高低点数据先进行曲线拟合，然后等间距采值更新每个环带表面数据，保证所有环带表面数据量相等。单个环带表面采集的原始数据经过这两步处理后的数据如图4所示。单个环带表面数据量记为m，环带总数记为n，则砂轮盘面高低点数据矩阵z可写为：

步骤六：利用步骤五中得到的金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵拟合复原出金刚石砂轮盘面的三维表面形貌。具体实现方法是：先生成金刚石砂轮盘面二维网格，然后匹配金刚石砂轮盘面数据高低矩阵，得到金刚石砂轮盘面各个点的三维坐标，然后根据所有数据点的三维坐标拟合得到金刚石砂轮盘的三维表面形貌。整个拟合过程的具体操作如下：

首先，生成金刚石砂轮盘面二维网格。由于待测金刚石砂轮盘面是一个圆形盘面，故先生成极坐标形式的二维矩阵r和θ，两个二维矩阵中元素的行数和列数与矩阵z保持一致，即二维矩阵r和θ行数与单个环带表面数据量相等，均为m，列数与环带总数相等，均为n。二维矩阵r和θ的具体表示如下：

对r矩阵，每一列的m个元素相等，且从1到n列的数值分别对应金刚石砂轮盘从内径到外径包括两端点在内的n-1等分点，而对θ矩阵，每一行的n个数据相等，且从1到m行的数值分别对应包括两端点在内的0到2π的m-1等分点。于是，二维网格矩阵可描述成

其次，匹配金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵。将二维网格与金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵z结合，即可得到金刚石砂轮盘面数据三维坐标矩阵

最后，拟合金刚石砂轮盘面数据三维坐标矩阵，复原出金刚石砂轮盘面的三维形貌，如图5所示；

步骤七：基于金刚石砂轮盘表面高低点数据矩阵z中元素，根据多次实验结果可知其服从正态分布，对金刚石砂轮盘端面全跳动的计算方法是：先对矩阵z中元素作正态分布函数拟合曲线，如图6所示，然后按照3σ准则计算得到金刚石砂轮盘的端面全跳动。

Claims (7)

1.一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：

步骤一：在金刚石刀具研磨机上搭建金刚石砂轮盘面精度在位测量装置，在已经修整完毕的待测金刚石砂轮盘面上沿径向方向粘贴标有等距刻度线的标记纸带；

步骤二：设置激光位移传感器测量参数，包括采样频率、移动平均数滤波平均次数和单次测量数据存储量，其中采样频率设置为5KHz，移动平均数滤波平均次数设为256次，单次测量数据存储量设为5000，然后调整激光位移传感器测头与金刚石砂轮盘间的距离，使金刚石砂轮盘面处于激光位移传感器的测量范围内；

步骤三：恒温控制金刚石砂轮盘面精度在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，金刚石砂轮盘面精度在位测量装置连线开机后静置半小时，等待金刚石砂轮盘面精度在位测量装置达到稳定状态；

步骤四：根据步骤一中标记纸带的等距刻度线，依次测量金刚石砂轮盘面的多个环带的高低点数据，并进行数据存储；

步骤五：对所采集得到的金刚石砂轮盘面高低点数据进行处理，包括单个环带表面数据预处理和所有环带表面数据量的统一化处理，得到经处理后的金刚石砂轮盘面高低数据点阵；

步骤六：利用步骤五中得到的金刚石砂轮盘面高低数据点阵拟合复原出金刚石砂轮盘面的三维真实形貌；

步骤七：利用步骤五中得到的金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵计算得到金刚石砂轮盘端面全跳动值。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：步骤三中，所述的金刚石砂轮盘面精度在位测量装置连线开机后静置半小时，接着对同一位置进行多次测量，等待所测数据稳定后，则进行步骤四操作，此时认为金刚石砂轮盘面精度在位测量装置已经达到稳定状态。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：步骤四中，对每个环带的金刚石砂轮盘表面进行测量时，金刚石砂轮盘保持匀速转动，激光位移传感对同一环带表面扫描采样并存储下金刚石砂轮盘转动多周的表面高低点数据，每个环带表面数据采集完成后，按纸带所标记的等距刻度线通过金刚石刀具研磨机的往复导轨移动金刚石砂轮盘，使激光光斑打在下一个环带的刻度线上，以继续进行下一个环带表面数据的采集。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于： 步骤五中，对金刚石砂轮盘单个环带表面高低点数据预处理如下：对得到的每个环带表面高低点数据，先根据数据点的突升和突降识别纸带特征数据点，然后根据纸带位置提取整周环带表面的数据点，剔除纸带数据点并采用线性插值补充纸带粘贴处的空缺数据，所有环带表面数据量统一化处理如下：对每个环带表面高低点数据先进行曲线拟合，然后等间距采值更新每个环带表面数据，保证所有环带表面数据量相等，单个环带表面数据量记为m，环带总数记为n，则金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵z为

。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：步骤六的具体实现方法是：先生成金刚石砂轮盘面二维网格，然后匹配金刚石砂轮盘面数据高低矩阵，得到金刚石砂轮盘面各个点的三维坐标，然后根据所有数据点的三维坐标拟合得到金刚石砂轮盘的三维表面形貌。

6.根据权利要求5所述的所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：所述的生成金刚石盘面二维网格的方法如下：

由于待测金刚石砂轮盘面是一个圆形盘面，故先生成极坐标形式的二维矩阵r和θ，两个二维矩阵中元素的行数和列数与矩阵z保持一致，即二维矩阵r和θ行数与单个环带表面数据量相等，均为m，列数与环带总数相等，均为n，二维矩阵r和θ的具体表示如下：

对r矩阵，每一列的m个元素相等，且从1到n列的数值分别对应金刚石砂轮盘从内径到外径包括两端点在内的n-1等分点，而对θ矩阵，每一行的n个数据相等，且从1到m行的数值分别对应包括两端点在内的0到2π的m-1等分点；

因此，二维网格矩阵可描述成：

于是，盘面数据三维坐标矩阵为

拟合这些数据点即可得到金刚石砂轮盘的三维表面形貌。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石砂轮盘修整精度的在位精密测量方法，其特征在于：步骤七中：金刚石砂轮盘面高低点数据矩阵z中元素，其服从正态分布，对金刚石砂轮盘端面全跳动的计算方法是：先对矩阵z中元素作正态分布函数拟合曲线，然后按照3σ准则计算得到金刚石砂轮盘的端面全跳动。