CN110355623B - 一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法和系统，检测包括如下步骤：建立砂轮磨削力模型和砂轮主轴系统频率响应函数；获取磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入砂轮磨削力模型得到加工过程中砂轮磨削力；将砂轮磨削力输入到频响函数模型得到砂轮主轴系统振动量；然后并将得到的砂轮主轴系统振动量映射到砂轮磨削力模型中，再次计算出加工过程中砂轮磨削力；判断连续两次计算出的砂轮磨削力与上次计算出的砂轮磨削力的差值是否小于设定值；如果小于则获取砂轮主轴系统振动值，并根据该振动值进而获取工件表面粗糙度。本发明所提供的技术方案能够解决现有技术中刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法检测结果不准确的问题。

Description

一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法和系统

技术领域

本发明属于刀片周边刃磨后刀面粗糙检测技术领域，具体涉及一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法和系统。

背景技术

刀片磨削周边刃磨的工件表面粗糙度是工件非常重要的性能指标，在周边刃磨过程中，砂轮磨粒沿切深方向有进给速度，这与平面磨削、外圆磨削等磨削形式有较大不同。

在研究周边刃磨磨削力的现有方法中，大多将砂轮与工件之间的切深视为定切深，这样的简化方法无法将工艺参数引入砂轮磨削力模型中，与实际情况相差较多，预测出的主轴振动值及表面粗糙度值精度不如本发明方法高。另外，现有方法均用砂轮圆弧面磨削工件，并且不考虑砂轮在切深方向上的进给，不适用于周边刃磨工况。

综上所述，现有的刀片周边刃磨后刀面粗糙度 检测方法存在对刀面粗糙度检测不准确的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法和系统，以解决现有技术中刀片周边刃磨后刀面粗糙度 检测方法检测结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明的采用如下技术方案：

一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，包括如下步骤：

(1)建立用于表示磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度与砂轮磨削力之间的关系的砂轮磨削力模型；

(2)当力锤敲击磨削接触点时检测磨削接触点的拾振加速度信号，根据力锤激振力信号、拾振加速度信号和频率响应函数模型得到砂轮主轴系统的频率响应；

(3)获取加工过程中各时刻的磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入砂轮磨削力模型得到加工过程中各时刻砂轮磨削力；

(4)将各时刻砂轮磨削力输入到频率响函数模型，得到磨削力振动量；然后采用各磨削力振动量对相应时刻的磨粒等效切深进行修正，并将修正后的磨粒等效切深代入砂轮磨削力模型中，再次计算出加工过程中砂轮磨削力；

(5)判断连续两次计算出的砂轮磨削力与上次计算出的砂轮磨削力的差值是否小于设定值；如果不小于，则返回上述步骤(4)；如果小于则获取各时刻砂轮主轴系统振动值，并将各时刻砂轮主轴系统振动值映射到砂轮运行轨迹上，结合随机生成的砂轮表面形貌，得到磨粒在砂轮运行轨迹下形成的包络面；然后与工件进行布尔运算，得到工件表面形貌；选定取样长度，在工件形貌的横截面方向获取表面轮廓高度，得到轮廓算术平均值偏差表示的工件表粗糙度。

进一步的，所述砂轮磨削力模型为

f(d_i,a_pi)＝ad_i ³+bd_i ²a_pi+cd_ia_pi ²+da_pi ³+ed_ia_pi+fd_i ²+ga_pi ²+hd_i+xa_pi+y

其中d_i为第i个单颗磨粒直径，a_pi为第i个磨粒等效切深，F为砂轮磨削力， f(d_i,a_pi)为第i个单颗磨粒的砂轮磨削力，a、b、c、d、e、f、g、h、x、y为磨削系数。

进一步的，磨粒的等效切深为：

其中第一磨粒露出高度为c₁，第二磨粒露出高度为c₂，磨削速度为s，进给速度为f，网格竖列间距为1/k。

进一步的，所述频率响应函数模型为：

H(w)＝a₀/F₀

其中H(w)为主轴系统的频率响应函数，F₀为力信号，a₀为加速度信号。

一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机系统；所述处理器执行所述计算机系统时实现如下步骤：

(1)建立用于表示磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度与砂轮磨削力之间的关系的砂轮磨削力模型；

(2)当力锤敲击磨削接触点时检测磨削接触点的拾振加速度信号，根据力锤激振力信号、拾振加速度信号和频率响应函数模型得到砂轮主轴系统的频率响应；

(3)获取加工过程中各时刻的磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入砂轮磨削力模型得到加工过程中各时刻砂轮磨削力；

(4)将各时刻砂轮磨削力输入到频率响函数模型，得到磨削力振动量；然后采用各磨削力振动量对相应时刻的磨粒等效切深进行修正，并将修正后的磨粒等效切深代入砂轮磨削力模型中，再次计算出加工过程中砂轮磨削力；

(5)判断连续两次计算出的砂轮磨削力与上次计算出的砂轮磨削力的差值是否小于设定值；如果不小于，则返回上述步骤(4)；如果小于则获取各时刻砂轮主轴系统振动值，并将各时刻砂轮主轴系统振动值映射到砂轮运行轨迹上，结合随机生成的砂轮表面形貌，得到磨粒在砂轮运行轨迹下形成的包络面；然后与工件进行布尔运算，得到工件表面形貌；选定取样长度，在工件形貌的横截面方向获取表面轮廓高度，得到轮廓算术平均值偏差表示的工件表粗糙度。

进一步的，所述砂轮磨削力模型为

f(d_i,a_pi)＝ad_i ³+bd_i ²a_pi+cd_ia_pi ²+da_pi ³+ed_ia_pi+fd_i ²+ga_pi ²+hd_i+xa_pi+y

其中d_i为第i个单颗磨粒直径，a_pi为第i个磨粒等效切深，F为砂轮磨削力， f(d_i,a_pi)为第i个单颗磨粒的砂轮磨削力，a、b、c、d、e、f、g、h、x、y为磨削系数。

进一步的，磨粒的等效切深为：

其中第一磨粒露出高度为c₁，第二磨粒露出高度为c₂，磨削速度为s，进给速度为f，网格竖列间距为1/k。

进一步的，所述频率响应函数模型为：

H(w)＝a₀/F₀

其中H(w)为主轴系统的频率响应函数，F₀为力信号，a₀为加速度信号。

本发明的有益效果：本发明所提供的技术方案结合工艺参数、机床主轴振动、砂轮材料几何参数、工件材料几何参数对刀片周边刃磨后刀面粗糙度 进行检测，与现有技术相比，得到的检测结果准确性较高，能够解决现有技术中刀片周边刃磨后刀面粗糙度 检测方法检测结果不准确的问题。

附图说明

图1是本发明方法实施例中刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法的流程图；

图2是本发明方法实施例中磨削力砂轮颗粒排布的示意图；

图3是本发明方法实施例中颗粒磨削过程等效切深模型图；

图4是本发明方法实施例中频响函数测量图；

图5是本发明方法实施例中工件表面粗糙度的评定图；

图6是本发明方法实施例中随机砂轮表面图；

图7是本发明方法实施例中工件表面形貌图；

图8是本发明方法实施例中主轴振动量预测示意图。

具体实施方式

方法实施例：

本实施例提供一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，用于检测刀片周边刃磨后刀面的粗糙度，解决现有技术中对刀面粗糙度检测结果不准确的问题。

本实施例所提供的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)建立磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度与砂轮磨削力之间的关系的砂轮磨削力模型。

利用电子显微镜观测1mm²内单颗磨粒数量n，将砂轮表面划为k×k个网格，使得k×k≈n，每个网格里存在有一颗磨粒，如图2所示。并将网格垂直磨削速度方向划分为m列，则有

m＝m/k/d₀+m/k/d0-z

其中d₀为磨粒直径，z取值1或2。当两个磨粒在同一竖列的网格内且两个磨粒的列相同时，则视为两个磨粒在砂轮表面同一列上。

当两个磨粒处于同一列时，可以看出磨粒等效切深有磨粒露出高度以及磨粒间距和工艺参数三部分计算而得，如图3所示，设a_pi为第i个磨粒等效切深，其计算公式为：

其中第一磨粒露出高度为c₁，第二磨粒露出高度为c₂，磨削速度为s，进给速度为f，网格竖列间距为1/k，a_p为第二磨粒相当于第一磨粒的等效切深。

随机生成10个砂轮磨粒矩阵，每个砂轮磨粒矩阵代表与后刀面面积相同的砂轮表面积上的所有磨粒，以一个矩阵为当前磨削工件表面磨粒矩阵参数，另外9个已磨工件表面的磨粒参数，将所有磨粒的切深等效到每一列的第一个磨粒位置上进行对比，所有磨粒与前面等效切深最大的磨粒进行对比。现等效磨粒切深a_k与原等效磨粒切深ay对比时，若a_k-a_y>0，则该磨粒等效切深a_p＝a_k-a_y，并设定该磨粒切深为最大切深，否则该磨粒并未切到表面a_p＝0。

本实施例中所建立的砂轮磨削力模型为：

其中d_i为第i个单颗磨粒直径，a_pi为第i个磨粒等效切深，F为砂轮磨削力， f(d_i,a_pi)为第i个单颗磨粒的砂轮磨削力，且

f(d_i,a_pi)＝ad_i ³+bd_i ²a_pi+cd_ia_pi ²+da_pi ³+ed_ia_pi+fd_i ²+ga_pi ²+hd_i+xa_pi+y

其中a、b、c、d、e、f、g、h、x、y为磨削系数，通过线性回归的方式，将至少9个已知的单颗磨粒直径、磨粒等效切深和砂轮磨削力代入该公式求解各磨削系数，最终得到砂轮磨削力模型。

(2)用力锤敲击磨削接触点附近，对磨削接触点的加速度信号进行拾振，如图4所示，通过振动信号采集装置采集力信号和拾振加速度信号，将力锤激振力信号作为力信号F₀，将拾振加速度信号作为加速度信号a₀，根据如下频率响应函数公式计算出砂轮主轴系统的频率响应H(w)：

H(w)＝a₀/F₀

(3)获取磨削工艺参数及砂轮参数、工件参数，将其代入砂轮磨削力模型，得到加工过程中砂轮磨削力。

(4)计算各时刻砂轮主轴系统的振动量变形值，将各个时刻得到的振动变形值映射到砂轮运行轨迹上，结合生成的砂轮表面形貌，如图5所示，得到各个磨粒在砂轮运行轨迹下形成的包络面，然后与工件进行布尔运算，得到工件表面的形貌如图6所示。

在工件表面形貌横截面方向选定取样长度L,采用轮廓最小二乘中线作为基准线，将轮廓线分为n₁段，取第i段轮廓线到最小二乘中线的高度为h_i，如图7所示，计算n₁段的轮廓算术平均值，即为工件表面粗糙度值Ra，计算公式为：

下面以其中一个时刻砂轮主轴系统振动量的计算方法为例，对各时刻砂轮主轴系统振动量变形值的计算方法进行说明，如图8所示：

(1)获取该时刻磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入上述砂轮磨削力模型，计算出加工过程中该时刻的砂轮磨削力；

将计算出的加工过程中该时刻的砂轮磨削力作为力信号F0代入频率响应函数，得到该时刻的砂轮主轴系统加速度，然后该砂轮主轴系统加速度进行二次积分，得到该时刻的主轴振动量；

将该时刻的主轴振动量与相应时刻的磨粒等效切深叠加以对该时刻的磨粒等效切深叠进行修正，将修正后的磨粒等效切深代入上述砂轮磨削力模型中，再次得到加工过程中的砂轮磨削力。

(2)判断连续两次计算出的砂轮磨削力之差是否小于设定值；

如果小于，则对得到的加速度进行二次积分，即可得到此时砂轮主轴系统振动变形值；

如果不小于，则重新执行上述步骤(1)。

系统实施例：

本实施例提供一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测系统，包括存储器和处理器，存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机系统；处理器执行所述计算机系统时实现如上述方法实施例中所提供的一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法。

Claims (8)

1.一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立用于表示磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度与砂轮磨削力之间的关系的砂轮磨削力模型；

(2)当力锤敲击磨削接触点时检测磨削接触点的拾振加速度信号，根据力锤激振力信号、拾振加速度信号和频率响应函数模型得到砂轮主轴系统的频率响应；

(3)获取加工过程中各时刻的磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入砂轮磨削力模型得到加工过程中各时刻砂轮磨削力；

(4)将各时刻砂轮磨削力输入到频率响函数模型，得到磨削力振动量；然后采用各磨削力振动量对相应时刻的磨粒等效切深进行修正，并将修正后的磨粒等效切深代入砂轮磨削力模型中，再次计算出加工过程中砂轮磨削力；

(5)判断连续两次计算出的砂轮磨削力与上次计算出的砂轮磨削力的差值是否小于设定值；如果不小于，则返回上述步骤(4)；如果小于则获取各时刻砂轮主轴系统振动值，并将各时刻砂轮主轴系统振动值映射到砂轮运行轨迹上，结合随机生成的砂轮表面形貌，得到磨粒在砂轮运行轨迹下形成的包络面；然后与工件进行布尔运算，得到工件表面形貌；选定取样长度，在工件形貌的横截面方向获取表面轮廓高度，得到轮廓算术平均值偏差表示的工件表粗糙度。

2.根据权利要求1所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，其特征在于，所述砂轮磨削力模型为

f(d_i,a_pi)＝ad_i ³+bd_i ²a_pi+cd_ia_pi ²+da_pi ³+ed_ia_pi+fd_i ²+ga_pi ²+hd_i+xa_pi+y

其中d_i为第i个单颗磨粒直径，a_pi为第i个磨粒等效切深，F为砂轮磨削力，f(d_i,a_pi)为第i个单颗磨粒的砂轮磨削力，a、b、c、d、e、f、g、h、x、y为磨削系数。

3.根据权利要求2所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，其特征在于，磨粒的等效切深为：

其中第一磨粒露出高度为c₁，第二磨粒露出高度为c₂，磨削速度为s，进给速度为f，网格竖列间距为1/k。

4.根据权利要求1所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测方法，其特征在于，所述频率响应函数模型为：

H(w)＝a₀/F₀

其中H(w)为主轴系统的频率响应函数，F₀为力信号，a₀为加速度信号。

5.一种刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机系统；其特征在于，所述处理器执行所述计算机系统时实现如下步骤：

(1)建立用于表示磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度与砂轮磨削力之间的关系的砂轮磨削力模型；

(2)当力锤敲击磨削接触点时检测磨削接触点的拾振加速度信号，根据力锤激振力信号、拾振加速度信号和频率响应函数模型得到砂轮主轴系统的频率响应；

(3)获取加工过程中各时刻的磨粒直径、磨粒等效切深、进给速度，将其代入砂轮磨削力模型得到加工过程中各时刻砂轮磨削力；

(4)将各时刻砂轮磨削力输入到频率响函数模型，得到磨削力振动量；然后采用各磨削力振动量对相应时刻的磨粒等效切深进行修正，并将修正后的磨粒等效切深代入砂轮磨削力模型中，再次计算出加工过程中砂轮磨削力；

(5)判断连续两次计算出的砂轮磨削力与上次计算出的砂轮磨削力的差值是否小于设定值；如果不小于，则返回上述步骤(4)；如果小于则获取各时刻砂轮主轴系统振动值，并将各时刻砂轮主轴系统振动值映射到砂轮运行轨迹上，结合随机生成的砂轮表面形貌，得到磨粒在砂轮运行轨迹下形成的包络面；然后与工件进行布尔运算，得到工件表面形貌；选定取样长度，在工件形貌的横截面方向获取表面轮廓高度，得到轮廓算术平均值偏差表示的工件表粗糙度。

6.根据权利要求5所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测系统，其特征在于，所述砂轮磨削力模型为

f(d_i,a_pi)＝ad_i ³+bd_i ²a_pi+cd_ia_pi ²+da_pi ³+ed_ia_pi+fd_i ²+ga_pi ²+hd_i+xa_pi+y

其中d_i为第i个单颗磨粒直径，a_pi为第i个磨粒等效切深，F为砂轮磨削力，f(d_i,a_pi)为第i个单颗磨粒的砂轮磨削力，a、b、c、d、e、f、g、h、x、y为磨削系数。

7.根据权利要求6所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙检度测系统，其特征在于，磨粒的等效切深为：

其中第一磨粒露出高度为c₁，第二磨粒露出高度为c₂，磨削速度为s，进给速度为f，网格竖列间距为1/k。

8.根据权利要求5所述的刀片周边刃磨后刀面粗糙度检测系统，其特征在于，所述频率响应函数模型为：

H(w)＝a₀/F₀

其中H(w)为主轴系统的频率响应函数，F₀为力信号，a₀为加速度信号。

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