CN111189379A - 一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法，将带有摩擦球的摩擦组件和微型直流无刷电机集成在一起作为指形探头，通过机械运动部件将指形探头送达指定测量表面。调整好指形探头与测量表面位置后，指形探头上的摩擦球将按设定的法向载荷压在测量表面，最后电机带动摩擦球在测量表面旋转摩擦，通过反馈的电机电流大小来推定表面粗糙度的大小。一方面由于设备结构简单，环境要求不高，很容易集成到机床等设备上实现在位测量；另外一方面直流无刷电机可以做到很小(直径毫米量级)，所以集成的指形探头可以做成指形大小，适合于内腔表面的测量。本发明的摩擦球易于更换，且对力传感器的精度要求不高，造价相对较低。

Description

一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于双点旋转摩擦的表面粗糙度在位检测方法，可适用于内腔表面的检测，属于表面粗糙度检测领域。

背景技术

零件的表面质量很大程度上反映了物体表面的功能特性，这在机械、电子、生物医学和光学等诸多领域都有重要体现。同时，零件的表面质量也会直接影响到仪器的精度、可靠性、抗震性及使用寿命。作为评价表面质量的重要指标之一，表面粗糙度的快速评定和测量对零件的加工效率及质量控制具有重要意义。

近年来，精密加工行业的发展推动了表面粗糙度测量技术的长足进步。然而，一方面机械加工工业中多有深槽、内孔或其它具有内腔结构的零件，内腔表面粗糙度对产品质量和设备功能特性的影响作用也越来越巨大。现有的大多数表面粗糙度测量结构较为复杂，设备体积较大，针对的主要是外表面的检测，内腔表面粗糙度测量技术的研究因其复杂性和困难性，发展还远远不够。另一方面，为了提高加工效率和质量，表面粗糙度在线测量在生产过程中也非常重要，在线测量对测量速度、抗干扰能力、设备复杂程度具有一定的要求。目前，以光学测量为代表的非接触式测量虽然具有较高的精度，但设备昂贵，抗干扰能力有待提高；以触针式轮廓仪为代表的接触式测量速度慢。综上，考虑到内腔形状的复杂性、设备成本、测量环境和测量效率等要求，现有的表面粗糙度测量方法应用于在位测量，特别是内腔表面的测量上仍然具有一定的局限性。因此，提出一种适用于内腔表面粗糙度的在位检测方法具有重要的现实意义。

针对内腔表面粗糙度检测问题，国内外学者和工程技术人员也做了大量工作，其中以光学式测量方法最为常见。例如，在《内表面粗糙度测量仪》(徐彧；四川大学学报32(2000)45-47)文章中应用光散射原理开展了内表面粗糙度测量仪的研制工作，可实现直径100mm以上的内孔表面测量。测量仪对大粗糙度值试件的测量不够精确，只适合粗糙度十纳米级以下光滑表面的测量。在《一种新型的微小型构件内表面三维形貌检测系统》(张广军；仪器仪表学报27(2006)302-306)文章中基于光学三角法测量原理，搭建了一套应用结构光三维视觉检测技术的测量系统，应用于内部空间宽度为5mm～20mm的工件内表面。该测量系统的单点坐标测量误差在20～50μm，还不能满足表面粗糙度测量精度的要求，需要进一步提高其分辨率和测量精度。此外，德国ISIS Sentronic GmbH公司基于干涉测量技术和光纤传感技术已经开发出一系列成熟地商业设备—Ray Dex系列内表面测量仪，其传感头最小直径可达1mm左右，能够进行复杂结构内表面粗糙度的测量。但是这种仪器价格昂贵，在人民币百万元以上，且实验条件要求很高，只适用于抽样检测和实验室研究用，应用范围受到很大限制。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计既能够实现加工表面快速的测量，又适用于内腔表面测量的一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法。

为了实现上述目的，本发明的基本思路是：将带有摩擦球的摩擦组件和微型直流无刷电机集成在一起作为指形探头，通过机械运动部件将指形探头送达指定测量表面。调整好指形探头与测量表面位置后，指形探头上的摩擦球将按设定的法向载荷压在测量表面，最后电机带动摩擦球在测量表面旋转摩擦，通过反馈的电机电流大小来推定表面粗糙度的大小。一方面由于设备结构简单，环境要求不高，很容易集成到机床等设备上实现在位测量；另外一方面直流无刷电机可以做到很小(直径毫米量级)，所以集成的指形探头可以做成指形大小，适合于内腔表面的测量。

本发明的技术方案如下：一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法，利用指形探头进行测量，所述的指形探头包括压力传感器、微型直流无刷电机、弹性联轴器、摩擦组件、直流稳压电源和示波器。

所述的压力传感器通过螺纹连接在微型直流无刷电机与机械臂之间，实现摩擦组件法向压力的监控。

所述的微型直流无刷电机的直径为毫米量级，带动摩擦组件在测量表面旋转产生摩擦运动。

所述的摩擦组件包括夹套、弹簧组件、导杆、摩擦球和通孔螺帽，所述的夹套上有两个呈中心对称的台阶通孔，所述的台阶通孔内安装弹簧组件及导杆；所述的弹簧组件与台阶通孔的大孔端螺纹连接，所述的导杆为台阶圆杆，台阶圆杆的大端直径大于台阶通孔的小孔端孔径，所述的导杆上带有螺纹的细端从台阶通孔的小孔端伸出，导杆的另一端与弹簧组件的自由端相接触。所述的导杆的细端与通孔螺帽的一端螺纹连接，通孔螺帽的另一端孔径比摩擦球直径小，通孔螺帽内放置摩擦球。所述的导杆与摩擦球接触的端部中心有一个球窝结构，直径比摩擦球直径小，用于摩擦球的定位。

所述的弹性联轴器将微型直流无刷电机输出轴与摩擦组件连接在一起，并起到减震的作用。

所述的弹簧组件包括弹簧和开口无头螺钉，将弹簧固定在开口无头螺钉的底部。

所述的直流稳压电源为微型直流无刷电机提供恒定的电压，实现对微型直流无刷电机的控制。

所述的示波器对微型直流无刷电机的电流信号进行采集，为后续表面粗糙度的判定提供数据。

所述的内腔表面在位检测方法包括以下步骤：

A、确定微型直流无刷电机工作参数

在微型直流无刷电机带动摩擦组件在工件表面上滑动时，微型直流无刷电机达到稳态时理论上电磁转矩T为：

T＝K_tΦI_a＝T_f+T₀ (1)

其中，K_t为微型直流无刷电机转矩系数，与微型直流无刷电机的结构有关，Ф为对磁极磁通，I_a为微型直流无刷电机电流，T_f为摩擦球在工件表面滑动产生的摩擦转矩，T₀为微型直流无刷电机空载转矩。当微型直流无刷电机电流I_a较小时，Ф看作不变，电磁转矩T与电流I_a成正比。但随着电流I_a的增加，磁通Ф略有减少。利用JB/T 9544-1999中提供的相关测试标准，用拟合的方法求得电流I_a与摩擦转矩T_f之间的关系。

B、施加法向接触载荷w

在进行测量之前先对指形探头进行预加载调整，即通过调节弹簧组件上的开槽无头螺钉在夹套内的深度，调整弹簧的初始压缩量。保证在正常测量过程中弹簧组件具有一定的伸缩空间，起到保压作用。

多自由度机械臂将指形探头送达到指定测量表面，并对指形探头与测量表面角度进行调整，直到两个摩擦球都与表面发生接触。通过压力传感器设定摩擦球与测量表面之间的法向接触载荷w。

C、标定表面粗糙度R_a与摩擦转矩T_f的关系

表面粗糙度的大小与摩擦转矩有着直接的联系，先对材料加工表面粗糙度与摩擦转矩之间的关系进行标定，然后根据材料表面摩擦转矩推定表面粗糙度的大小。标定过程如下：

C1、取几种不同加工参数下的粗糙表面，测量每块样品的表面粗糙度R_a；

C2、利用指形探头在同样的法向接触载荷w下记录每种粗糙度表面对应的电流I_a，并由步骤A得到对应的摩擦转矩T_f。

C3、将表面粗糙度R_a与对应的摩擦转矩T_f进行拟合。

D、计算表面粗糙度R_a的大小

通过直流稳压电源启动微型无刷直流电机后，示波器上会显示实时电流变化，计算电流稳定后的平均电流。根据微型直流无刷电机电流与转矩的关系式(1)计算出摩擦转矩T_f：

T_f＝K_tΦI_a-T₀ (2)

再由步骤C的标定结果计算出此电流对应下的粗糙度R_a大小。

进一步地，所述的摩擦球为硅胶球。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出基于双点接触旋转摩擦转矩的表面粗糙度检测方法，由于直流无刷电机可以做到毫米量级，探头可集成为指形大小，适合内腔表面这类空间比较有限的环境。

2、本发明摩擦球为硅胶材料不会对样品表面产生破坏，且配有弹簧减震组件能保证法向接触压力的稳定，对震动、水雾、位置度等不敏感，抗干扰性强，适合集成到机床实现工件的在位检测。

3、本发明除了能反映表面粗糙度的差异，通过分析电流的实时大小也能反映出表面的一些其他特征，如纹理特征。

4、本发明以电机为主体，结构简单，操作容易。摩擦球易于更换，且对力传感器的精度要求不高，造价相对较低。

5、本发明的示波器采集电流信号方便且精度高，可以实时反映电流的变化，便于多角度准确的对表面粗糙度进行分析。

6、本发明的摩擦组件装有两个中心对称的摩擦球是用来平衡力矩的影响，同时也可减少单个摩擦球接触压力，减少磨损。注意，摩擦球过多不利于安装调整。

7、本发明的夹套与接触表面不平行时，两个对称摩擦球在测量表面旋转时高度变化量是相等的，又由于弹簧是线弹性，所以能保证总的接触压力是一样的。弹簧组件的存在起到一个保压的作用，减少了夹套与测量表面平行度要求。

附图说明

图1是本发明的指形探头结构示意图。

图2是本发明的摩擦组件示意图。

图3是在45#钢标准磨削样块上电流与表面粗糙度关系图。

图中：1、压力传感器；2、微型直流无刷电机；3、弹性联轴器；4、摩擦组件；41、夹套；42、弹簧组件；43、导杆；44、摩擦球；45、通孔螺帽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1、2所示，一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法，利用指形探头进行测量，所述的指形探头包括压力传感器1、微型直流无刷电机2、弹性联轴器3、摩擦组件4、直流稳压电源和示波器。

所述的压力传感器1通过螺纹连接在微型直流无刷电机2与机械臂之间，实现摩擦组件4法向压力的监控。

所述的微型直流无刷电机2的直径为毫米量级，带动摩擦组件4在测量表面旋转产生摩擦运动。

所述的摩擦组件4包括夹套41、弹簧组件42、导杆43、摩擦球44和通孔螺帽45，所述的夹套41上有两个呈中心对称的台阶通孔，所述的台阶通孔内安装弹簧组件42及导杆43；所述的弹簧组件42与台阶通孔的大孔端螺纹连接，所述的导杆43为台阶圆杆，台阶圆杆的大端直径大于台阶通孔的小孔端孔径，所述的导杆43上带有螺纹的细端从台阶通孔的小孔端伸出，导杆43的另一端与弹簧组件42的自由端相接触。所述的导杆43的细端与通孔螺帽45的一端螺纹连接，通孔螺帽45的另一端孔径比摩擦球44直径小，通孔螺帽45内放置摩擦球44。所述的导杆43与摩擦球44接触的端部中心有一个球窝结构，直径比摩擦球44直径小，用于摩擦球44的定位。

所述的弹性联轴器3将微型直流无刷电机2输出轴与摩擦组件4连接在一起，并起到减震的作用。

所述的弹簧组件42包括弹簧和开口无头螺钉，将弹簧固定在开口无头螺钉的底部。

所述的直流稳压电源为微型直流无刷电机2提供恒定的电压，实现对微型直流无刷电机2的控制。

所述的示波器对微型直流无刷电机2的电流信号进行采集，为后续表面粗糙度的判定提供数据。

所述的内腔表面在位检测方法包括以下步骤：

A、确定微型直流无刷电机2工作参数

在微型直流无刷电机2带动摩擦组件4在工件表面上滑动时，微型直流无刷电机2达到稳态时理论上电磁转矩T为：

T＝K_tΦI_a＝T_f+T₀ (1)

其中，K_t为微型直流无刷电机2转矩系数，与微型直流无刷电机2的结构有关，Ф为对磁极磁通，I_a为微型直流无刷电机2电流，T_f为摩擦球44在工件表面滑动产生的摩擦转矩，T₀为微型直流无刷电机2空载转矩。当微型直流无刷电机2电流I_a较小时，Ф看作不变，电磁转矩T与电流I_a成正比。但随着电流I_a的增加，磁通Ф略有减少。利用JB/T 9544-1999中提供的相关测试标准，用拟合的方法求得电流I_a与摩擦转矩T_f之间的关系。

B、施加法向接触载荷w

在进行测量之前先对指形探头进行预加载调整，即通过调节弹簧组件42上的开槽无头螺钉在夹套41内的深度，调整弹簧的初始压缩量。保证在正常测量过程中弹簧组件42具有一定的伸缩空间，起到保压作用。

多自由度机械臂将指形探头送达到指定测量表面，并对指形探头与测量表面角度进行调整，直到两个摩擦球44都与表面发生接触。通过压力传感器1设定摩擦球44与测量表面之间的法向接触载荷w。

C、标定表面粗糙度R_a与摩擦转矩T_f的关系

表面粗糙度的大小与摩擦转矩有着直接的联系，先对材料加工表面粗糙度与摩擦转矩之间的关系进行标定，然后根据材料表面摩擦转矩推定表面粗糙度的大小。标定过程如下：

C1、取几种不同加工参数下的粗糙表面，测量每块样品的表面粗糙度R_a；

C2、利用指形探头在同样的法向接触载荷w下记录每种粗糙度表面对应的电流I_a，并由步骤A得到对应的摩擦转矩T_f。

C3、将表面粗糙度R_a与对应的摩擦转矩T_f进行拟合。

D、计算表面粗糙度R_a的大小

通过直流稳压电源启动微型无刷直流电机后，示波器上会显示实时电流变化，计算电流稳定后的平均电流。根据微型直流无刷电机2电流与转矩的关系式(1)计算出摩擦转矩T_f：

T_f＝K_tΦI_a-T₀ (2)

再由步骤C的标定结果计算出此电流对应下的粗糙度R_a大小。

进一步地，所述的摩擦球44为硅胶球。

下面通过实施方法的效果进行进一步地说明。

用一个额定电压为12V直径为38mm的直流无刷电机，法向载荷为w＝10N，摩擦球44为直径5mm硅胶球，距离旋转中心距离r＝5mm，按上述方法在力学试验台上对45钢标准粗糙度样块进行测量。实验结果如图3所示，按上述方法直流无刷电机电流与表面粗糙度之间的关系：

I＝3.31Ra^-0.97+302.8

与实验结果吻合良好。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法，其特征在于：利用指形探头进行测量，所述的指形探头包括压力传感器(1)、微型直流无刷电机(2)、弹性联轴器(3)、摩擦组件(4)、直流稳压电源和示波器；

所述的压力传感器(1)通过螺纹连接在微型直流无刷电机(2)与机械臂之间，实现摩擦组件(4)法向压力的监控；

所述的微型直流无刷电机(2)的直径为毫米量级，带动摩擦组件(4)在测量表面旋转产生摩擦运动；

所述的摩擦组件(4)包括夹套(41)、弹簧组件(42)、导杆(43)、摩擦球(44)和通孔螺帽(45)，所述的夹套(41)上有两个呈中心对称的台阶通孔，所述的台阶通孔内安装弹簧组件(42)及导杆(43)；所述的弹簧组件(42)与台阶通孔的大孔端螺纹连接，所述的导杆(43)为台阶圆杆，台阶圆杆的大端直径大于台阶通孔的小孔端孔径，所述的导杆(43)上带有螺纹的细端从台阶通孔的小孔端伸出，导杆(43)的另一端与弹簧组件(42)的自由端相接触；所述的导杆(43)的细端与通孔螺帽(45)的一端螺纹连接，通孔螺帽(45)的另一端孔径比摩擦球(44)直径小，通孔螺帽(45)内放置摩擦球(44)；所述的导杆(43)与摩擦球(44)接触的端部中心有一个球窝结构，直径比摩擦球(44)直径小，用于摩擦球(44)的定位；

所述的弹性联轴器(3)将微型直流无刷电机(2)输出轴与摩擦组件(4)连接在一起，并起到减震的作用；

所述的弹簧组件(42)包括弹簧和开口无头螺钉，将弹簧固定在开口无头螺钉的底部；

所述的直流稳压电源为微型直流无刷电机(2)提供恒定的电压，实现对微型直流无刷电机(2)的控制；

所述的示波器对微型直流无刷电机(2)的电流信号进行采集，为后续表面粗糙度的判定提供数据；

所述的内腔表面在位检测方法包括以下步骤：

A、确定微型直流无刷电机(2)工作参数

在微型直流无刷电机(2)带动摩擦组件(4)在工件表面上滑动时，微型直流无刷电机(2)达到稳态时理论上电磁转矩T为：

T＝K_tΦI_a＝T_f+T₀ (1)

其中，K_t为微型直流无刷电机(2)转矩系数，与微型直流无刷电机(2)的结构有关，Ф为对磁极磁通，I_a为微型直流无刷电机(2)电流，T_f为摩擦球(44)在工件表面滑动产生的摩擦转矩，T₀为微型直流无刷电机(2)空载转矩；当微型直流无刷电机(2)电流I_a较小时，Ф看作不变，电磁转矩T与电流I_a成正比；但随着电流I_a的增加，磁通Ф略有减少；利用JB/T 9544-1999中提供的相关测试标准，用拟合的方法求得电流I_a与摩擦转矩T_f之间的关系；

B、施加法向接触载荷w

在进行测量之前先对指形探头进行预加载调整，即通过调节弹簧组件(42)上的开槽无头螺钉在夹套(41)内的深度，调整弹簧的初始压缩量；保证在正常测量过程中弹簧组件(42)具有一定的伸缩空间，起到保压作用；

多自由度机械臂将指形探头送达到指定测量表面，并对指形探头与测量表面角度进行调整，直到两个摩擦球(44)都与表面发生接触；通过压力传感器(1)设定摩擦球(44)与测量表面之间的法向接触载荷w；

C、标定表面粗糙度R_a与摩擦转矩T_f的关系

表面粗糙度的大小与摩擦转矩有着直接的联系，先对材料加工表面粗糙度与摩擦转矩之间的关系进行标定，然后根据材料表面摩擦转矩推定表面粗糙度的大小；标定过程如下：

C1、取几种不同加工参数下的粗糙表面，测量每块样品的表面粗糙度R_a；

C2、利用指形探头在同样的法向接触载荷w下记录每种粗糙度表面对应的电流I_a，并由步骤A得到对应的摩擦转矩T_f；

C3、将表面粗糙度R_a与对应的摩擦转矩T_f进行拟合；

D、计算表面粗糙度R_a的大小

通过直流稳压电源启动微型无刷直流电机后，示波器上会显示实时电流变化，计算电流稳定后的平均电流；根据微型直流无刷电机(2)电流与转矩的关系式(1)计算出摩擦转矩T_f：

T_f＝K_tΦI_a-T₀ (2)

再由步骤C的标定结果计算出此电流对应下的粗糙度R_a大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于双点旋转摩擦的内腔表面粗糙度在位检测方法，其特征在于：所述的摩擦球(44)为硅胶球。

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