CN111546235B - 内螺纹磨削过程的磨削力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，步骤包括安装待测工件、检测待测工件径向跳动量和磨削力测量，将待测工件固定在固定式测力计上，将固定式测力计安装在机床的头架卡盘上，并确保待测工件的轴线、固定式测力计的轴线以及头架卡盘的轴线在水平方向上重合，将固定式测力计与数据系统电连接；检测待测工件的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm；固定式测力计测得头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小。本发明的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法能够方便地对内螺纹磨削过程的磨削力进行测量，测量结果准确可靠，结构简单且装配方便。

Description

内螺纹磨削过程的磨削力测量方法

技术领域

本发明涉及传感器与测量技术领域，尤其是涉及一种内螺纹磨削过程的磨削力测量方法。

背景技术

相关技术中，依据测量环境的不同，测力计分为固定式测力计和旋转式测力计两种不同类型。固定式测力计主要竖向安装在机床台面上，而旋转测力计可通过主轴适配器安装在主轴上，并可以围绕主轴旋转，但旋转测力计的价格昂贵。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，能够方便地对内螺纹磨削过程的磨削力进行测量，测量结果准确可靠，结构简单且装配方便。

根据本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，包括如下步骤：

安装待测工件：将待测工件固定在固定式测力计上，将所述固定式测力计安装在机床的头架卡盘上，并确保待测工件的轴线、所述固定式测力计的轴线以及所述头架卡盘的轴线在水平方向上重合，将所述固定式测力计与数据系统电连接；

检测待测工件径向跳动量：检测待测工件的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm；

磨削力测量：所述固定式测力计测得头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给所述数据系统，所述数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小。

根据本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，通过将待测工件固定在固定式测力计上，并将固定式测力计安装在机床的头架卡盘上，机床的头架卡盘可以带动固定式测力计以及待测工件低速旋转，待测工件作用在固定式测力计上的力的大小可以通过固定式测力计测量出来；将待测工件、固定式测力计以及头架卡盘在水平方向上布置，并通过检测待测工件的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm，从而保证了待测工件的轴线、固定式测力计的轴线以及头架卡盘的轴线在水平方向上重合，由此，避免了由于重力因素影响测量结果，保证了测量得到的磨削力大小准确可靠；固定式测力计通过数据线将头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，得到磨削力大小，结果准确可靠。综上，本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法能够方便地对内螺纹磨削过程的磨削力进行测量，测量结果准确可靠，结构简单且装配方便。

根据本发明的一个实施例，所述固定式测力计包括力传感器和夹持工装，将待测工件与所述力传感器的一端固定，所述力传感器的另一端与所述夹持工装的一端固定，所述夹持工装的另一端与所述头架卡盘固定；所述力传感器与所述数据系统电连接。

根据本发明进一步的实施例，在所述磨削力测量步骤中，所述数据系统对原始数据进行处理，处理过程为：

头架卡盘带料空转数据处理：所述数据系统接收所述力传感器测得的头架卡盘带料空转时的x轴方向力F_xk，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_k并进行傅里叶变换，确定头架卡盘转速频率下的幅值为F_xk_1；

磨削加工的数据处理：所述数据系统接收所述力传感器测得的待测工件内螺纹磨削加工时的x轴方向力F_xm、y轴方向力F_ym、z轴方向力F_zm和z轴的力矩M_zm，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_m、F_y'_m、F_z'_m、M'_zm，并对截取后的数据F_x'_m和F_y'_m分别进行傅里叶变换，提取直流分量，并在时域中减去直流分量的干扰的数据F_x”_m和F_y”_m；

依据如下公式计算：

F_t＝M'_zm/R

F_s＝F’_zm

G＝F_{xk_1}

最终得到磨削力F_m：

其中，R为待测工件内圆半径，_x轴方向表示径向、y轴方向表示切向、z轴方向表示轴向，F_n、F_t、F_s分别是内螺纹磨削径向、切向和轴向磨削力。

根据本发明进一步的实施例，所述力传感器为六维力传感器。

根据本发明的一些实施例，所述磨削力测量的步骤中，具体测试流程如下：

打开所述数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录待测工件转速信息，点击链接按钮，清零力传感器示数；

设置头架卡盘带料空转实验的程序与采集软件记录的信息保持一致，开始采集头架卡盘带料空转时的原始数据并保存；

在线修整砂轮并对刀；

打开所述数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录砂轮转速、待测工件转速和进给量，点击链接按钮，清零力传感器示数；

设置数控程序参数，开始走刀，并采集内螺纹磨削时的原始数据并保存；

清零力传感器示数，为下次走刀做准备。

根据本发明的一些实施例，在所述安装待测工件的步骤之前，还包括如下步骤：检查并记录恒温恒湿车间的温度和湿度，开机检测所述机床状态，启动并热机至稳定状态。

根据本发明的一些实施例，在待测工件径向跳动检测的步骤之前，还包括如下步骤：测量待测工件的内圆半径。

根据本发明的一些实施例，待测工件径向跳动检测的步骤中，所述径向跳动量包括内侧跳动量和外侧跳动量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法的原理示意图。

图2为本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法中的固定式测力计和待测工件的装配示意图。

图3为本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法中采用的坐标变换示意图。

附图标记：

待测工件1

固定式测力计2力传感器(六维力传感器)201夹持工装202

头架卡盘3

砂轮电机4

砂轮5

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图3来描述根据本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法。

根据本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，包括如下步骤：

安装待测工件1：将待测工件1固定在固定式测力计2上，将固定式测力计2安装在机床的头架卡盘3上，并确保待测工件1的轴线、固定式测力计2的轴线以及头架卡盘3的轴线在水平方向上重合，将固定式测力计2与数据系统电连接；

检测待测工件1径向跳动量：检测待测工件1的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm；

磨削力测量：固定式测力计2测得头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小。

具体而言，将待测工件1固定在固定式测力计2上，待测工件1作用在固定式测力计2上的力的大小可通过固定式测力计2测量出来；将固定式测力计2安装在机床的头架卡盘3上，可以通过机床的头架卡盘3带动固定式测力计2以及待测工件1低速旋转，待测工件1的轴线、固定式测力计2的轴线以及头架卡盘3的轴线在水平方向上重合，即待测工件1、固定式测力计2以及头架卡盘3在水平方向上布置，避免由于重力因素影响测量结果，保证测量得到的磨削力大小准确可靠；将固定式测力计2与数据系统电连接，便于数据系统采集到固定式测力计2测得的原始数据。

需要说明的是，待测工件1与固定式测力计2间可以通过螺钉固定，装配简单可靠。

检测待测工件1的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm；这样，保证了待测工件1的轴线、固定式测力计2的轴线以及头架卡盘3的轴线在水平方向上重合。

固定式测力计2测得头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小，这样，磨削力的测量方式简单，测量结果准确可靠。

根据本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，通过将待测工件1螺钉固定在固定式测力计2上，并将固定式测力计2安装在机床的头架卡盘3上，机床的头架卡盘3可以带动固定式测力计2以及待测工件1低速旋转，待测工件1作用在固定式测力计2上的力的大小可以通过固定式测力计2测量出来；将待测工件1、固定式测力计2以及头架卡盘3在水平方向上布置，并通过检测待测工件1的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm，从而保证了待测工件1的轴线、固定式测力计2的轴线以及头架卡盘3的轴线在水平方向上重合，由此，避免了由于重力因素影响测量结果，保证了测量得到的磨削力大小准确可靠；固定式测力计2通过数据线将头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，得到磨削力大小，结果准确可靠。综上，本发明实施例的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法能够方便地对内螺纹磨削过程的磨削力进行测量，测量结果准确可靠，结构简单且装配方便。

根据本发明的一个实施例，固定式测力计2包括力传感器201和夹持工装202，将待测工件1与力传感器201的一端固定，力传感器201的另一端与夹持工装202的一端固定，夹持工装202的另一端与头架卡盘3固定；力传感器201与数据系统电连接。具体地，先将待测工件1、力传感器201和夹持工装202组装为一体，通过数据线将力传感器201和数据系统连接，再将夹持工装202装夹在头架卡盘3上，从而可以使得待测工件1和力传感器201被固定牢靠，方便进行磨削力的测量。

需要说明的是，力传感器201与夹持工装202可以通过螺钉连接，装配简单可靠。

根据本发明进一步的实施例，在磨削力测量步骤中，数据系统对原始数据进行处理，处理过程为：

头架卡盘带料空转数据处理：数据系统接收力传感器201测得的头架卡盘带料空转时的x轴方向力F_xk，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_k并进行傅里叶变换，确定头架卡盘3转速频率下的幅值为F_xk_1；

磨削加工的数据处理：数据系统接收力传感器201测得的待测工件1内螺纹磨削加工时的x轴方向力F_xm、y轴方向力F_ym、z轴方向力F_zm和z轴的力矩M_zm，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_m、F_y'_m、F_z'_m、M'_zm，并对截取后的数据F_x'_m和F_y'_m分别进行傅里叶变换，提取直流分量，并在时域中减去直流分量的干扰的数据F_x”_m和F_y”_m；

依据如下公式计算：

F_t＝M'_zm/R

F_s＝F’_zm

G＝F_{xk_1}

最终得到磨削力F_m：

其中，R为待测工件1内圆半径，x轴方向表示径向、y轴方向表示切向、z轴方向表示轴向，F_n、F_t、F_s分别是内螺纹磨削径向、切向和轴向磨削力。

可以理解的是，通过数据系统对力传感器201测得的头架卡盘带料空转时的原始数据和内螺纹磨削时的原始数据进行处理，能够计算得出磨削力且磨削力的测量结果准确可靠。

根据本发明进一步的实施例，力传感器201为六维力传感器201。可以理解的是，在六维力矩传感器中心建立坐标系O'-xyz，六维力矩传感器可以检测到六维力矩传感器在x轴方向受到的力、六维力矩传感器在y轴方向受到的力、六维力矩传感器在z轴方向受到的力、六维力矩传感器在x轴方向受到的力矩、六维力矩传感器在y轴方向受到的力矩和六维力矩传感器在z轴方向受到的力矩，通过六维力矩传感器的检测值可以准确地计算出内螺纹磨削过程中的磨削力，磨削力计算结果精确可靠。

根据本发明的一些实施例，磨削力测量的步骤中，具体测试流程如下：

打开数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录待测工件1转速信息，点击链接按钮，清零力传感器201示数，从而能够在头架卡盘带料空转时进行原始数据的采集和保存。

设置头架卡盘带料空转实验的程序与采集软件记录的信息保持一致，开始采集头架卡盘带料空转时的原始数据并保存；可以理解的是，根据实际情况的需要，头架卡盘带料空转实验的程序会发生改变，将头架卡盘带料空转实验的程序与采集软件记录的信息保持一致，能够方便数据系统对原始数据进行处理。

在线修整砂轮5并对刀；由此，保证砂轮5的轴线和待测工件1的轴线重合，从而使得砂轮5能够顺畅地对待测工件1进行内螺纹磨削，提高磨削力测量结果的准确性。

打开数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录砂轮5转速、待测工件1转速和进给量，点击链接按钮，清零力传感器201示数；从而能够在内螺纹磨削时进行原始数据的采集和保存。

设置数控程序参数，开始走刀，并采集内螺纹磨削时的原始数据并保存；可以理解的是，在内螺纹磨削过程中，砂轮电机4电驱动砂轮5高速转动并进给，同时头架卡盘3、夹持工装202、六维力矩传感器和待测工件1同步低速转动，六维力矩传感器采集内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给数据系统，数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小。

清零力传感器201示数，为下次走刀做准备。

根据本发明的一些实施例，在安装待测工件1的步骤之前，还包括如下步骤：检查并记录恒温恒湿车间的温度和湿度，可以理解的是，车间处于恒温恒湿状态下，六维力矩传感器的测量结果精确，避免由于车间内温度和湿度变化对测量结果造成影响；开机检测机床状态，启动并热机至稳定状态，从而保证机床正常工作并提高测量结果的准确性。

根据本发明的一些实施例，在待测工件1径向跳动检测的步骤之前，还包括如下步骤：测量待测工件1的内圆半径。这样，可以方便后续对原始数据进行处理从而计算出内螺纹磨削过程中的磨削力。

根据本发明的一些实施例，待测工件1径向跳动检测的步骤中，径向跳动量包括内侧跳动量和外侧跳动量。可以理解的是，对待测工件1内侧的径向跳动量和外侧的径向跳动量分别进行检测，保证待测工件1内侧的径向跳动量和待测工件1外侧的径向跳动量均不大于0.002mm，这样，保证了待测工件1的内圈轴线、待测工件1的外圈轴线、固定式测力计2的轴线以及头架卡盘3的轴线在水平方向上重合。

下面以一个具体的实施例来描述本发明的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法。

该实施例的测试流程如下：

步骤S1：检查并记录恒温恒湿车间的温度和湿度，开机检测机床状态，启动并热机至稳定状态；

步骤S2：力传感器201的一端与待测工件1固定，力传感器201的另一端与夹持工装202的一端固定，从而将待测工件1、力传感器201和夹持工装202组装为一体，通过数据线将力传感器201与数据系统电连接，并提供电压；

步骤S3：测量待测工件1的内圆半径；

步骤S4：将夹持工装202的另一端与头架卡盘3固定，并对待测工件1内侧的径向跳动量和外侧的径向跳动量分别进行检测；

步骤S5：打开数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录待测工件1转速信息，点击链接按钮，清零力传感器201示数；

步骤S6：设置头架卡盘带料空转实验的程序与采集软件记录的信息保持一致，开始采集头架卡盘带料空转时的原始数据并保存；

步骤S7：在线修整砂轮5并对刀；

步骤S8：打开数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录砂轮5转速、待测工件1转速和进给量，点击链接按钮，清零力传感器201示数；

步骤S9：设置数控程序参数，开始走刀，并采集内螺纹磨削时的原始数据并保存；

步骤S10：清零力传感器201示数，为下次走刀做准备；

步骤S11：如需要继续测量重复步骤6，如不需要卸下待测工件1并关机。

该实施例的数据系统处理测试数据的步骤如下：

坐标系转换：如图3所示，在工件主轴与工装连接位置建立坐标系O-F_tF_nF_s，在力传感器201中心位置建立坐标系O'-xyz，两个坐标系同轴，两坐标系之间相差转角ωτ。F_x、F_y、F_z是实测力，F_n、F_t、F_s分别是内螺纹磨削径向、切向和轴向磨削力，ω为头架角速度，保证磨削过程中砂轮5与工件接触点在垂直中心的正下方。磨削在轴截面的分力F_p为：

头架卡盘带料空转数据处理：数据系统接收力传感器201测得的头架卡盘带料空转时的x轴方向力F_xk，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_k并进行傅里叶变换，确定头架卡盘3转速频率下的幅值为F_xk_1；

磨削加工的数据处理：数据系统接收力传感器201测得的待测工件1内螺纹磨削加工时的x轴方向力F_xm、y轴方向力F_ym、z轴方向力F_zm和z轴的力矩M_zm，从中截取磨削力稳定状态的数据F_x'_m、F_y'_m、F_z'_m、M'_zm，并对截取后的数据F_x'_m和F_y'_m分别进行傅里叶变换，提取直流分量，并在时域中减去直流分量的干扰的数据F_x”_m和F_y”_m；

依据如下公式计算：

F_t＝M'_zm/R

F_s＝F’_zm

G＝F_{xk_1}

最终得到磨削力F_m：

其中，R为待测工件1内圆半径，x轴方向表示径向、y轴方向表示切向、z轴方向表示轴向，F_n、F_t、F_s分别是内螺纹磨削径向、切向和轴向磨削力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装待测工件：将待测工件固定在固定式测力计上，将所述固定式测力计安装在机床的头架卡盘上，并确保待测工件的轴线、所述固定式测力计的轴线以及所述头架卡盘的轴线在水平方向上重合，将所述固定式测力计与数据系统电连接；

检测待测工件径向跳动量：检测待测工件的径向跳动量，确保径向跳动量不大于0.002mm；

磨削力测量：所述固定式测力计测得头架卡盘带料空转时和内螺纹磨削时的原始数据，并将原始数据输送给所述数据系统，所述数据系统对原始数据进行处理，最终得到磨削力大小；

所述固定式测力计包括力传感器和夹持工装，将待测工件与所述力传感器的一端固定，所述力传感器的另一端与所述夹持工装的一端固定，所述夹持工装的另一端与所述头架卡盘固定；所述力传感器与所述数据系统电连接；

在所述磨削力测量步骤中，所述数据系统对原始数据进行处理，处理过程为：

头架卡盘带料空转数据处理：所述数据系统接收所述力传感器测得的头架卡盘带料空转时的x轴方向力F_xk，从中截取磨削力稳定状态的数据F'_xk并进行傅里叶变换，确定头架卡盘转速频率下的幅值为F_xk_1；

磨削加工的数据处理：所述数据系统接收所述力传感器测得的待测工件内螺纹磨削加工时的x轴方向力F_xm、y轴方向力F_ym、z轴方向力F_zm和z轴的力矩M_zm，从中截取磨削力稳定状态的数据F'_xm、F'_ym、F'_zm、M'_zm，并对截取后的数据F'_xm和F'_ym分别进行傅里叶变换，提取直流分量，并在时域中减去直流分量的干扰的数据F”_xm和F”_ym；

依据如下公式计算：

F_t＝M'_zm/R

F_s＝F'_zm

G＝F_{xk_1}

最终得到磨削力F_m：

其中，R为待测工件内圆半径，x轴方向表示径向、y轴方向表示切向、z轴方向表示轴向，F_n、F_t、F_s分别是内螺纹磨削径向、切向和轴向磨削力。

2.根据权利要求1所述的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，所述力传感器为六维力传感器。

3.根据权利要求1所述的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，所述磨削力测量的步骤中，具体测试流程如下：

打开所述数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录待测工件转速信息，点击链接按钮，清零力传感器示数；

设置头架卡盘带料空转实验的程序与采集软件记录的信息保持一致，开始采集头架卡盘带料空转时的原始数据并保存；

在线修整砂轮并对刀；

打开所述数据系统，选取通道，在设备名称一栏中记录砂轮转速、待测工件转速和进给量，点击链接按钮，清零力传感器示数；

设置数控程序参数，开始走刀，并采集内螺纹磨削时的原始数据并保存；

清零力传感器示数，为下次走刀做准备。

4.根据权利要求1所述的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，在所述安装待测工件的步骤之前，还包括如下步骤：检查并记录恒温恒湿车间的温度和湿度，开机检测所述机床状态，启动并热机至稳定状态。

5.根据权利要求1所述的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，在待测工件径向跳动检测的步骤之前，还包括如下步骤：测量待测工件的内圆半径。

6.根据权利要求1所述的内螺纹磨削过程的磨削力测量方法，其特征在于，待测工件径向跳动检测的步骤中，所述径向跳动量包括内侧跳动量和外侧跳动量。

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