CN113524039B - 一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法。本发明包括激光传感器、砂轮驱动部件、数控磨床，激光传感器安装在磨床主轴的右侧，并与数控磨床的控制装置相连，数控磨床的控制系统包括坐标存储模块和数据处理模块，砂轮驱动部件基于控制系统发出的指令行进或停止，坐标存储模块用于存储当前机床坐标以及砂轮移动过程中的触发点坐标，激光传感器用于采集砂轮边缘轮廓点信息，数据处理模块用于基于激光传感器采集的信息计算砂轮圆弧圆心在数控系统中的坐标，通过磨削作业不同阶段中砂轮圆弧半径的数值变化，得到砂轮的使用情况。采用非接触式在位测量法，通过数控磨床的在位集成提高了测量精度和测量效率，极大的提高了数据的可信度。

Description

一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法

技术领域

本发明涉及精密超精密加工领域，尤其涉及一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法。

背景技术

磨削加工是一种能稳定保证加工质量的加工方式，磨削加工得到的工件加工精度高、加工质量好，这也使得磨削常被用于精加工或工艺过程中的最后一道工序。磨削加工过程中，工件精度主要依赖于砂轮的轮廓精度，砂轮轮廓精度变化情况不仅与加工工件的表面质量密切相关，还直接反映了砂轮的使用寿命，在磨削加工过程中适时对砂轮轮廓进行检测，可以及时判断砂轮是否需要修整、补偿或更换，保证工件的加工质量。

复杂曲面砂轮轮廓检测极为困难，由于砂轮表面遍布众多磨粒，接触式测量会磨损探头，非接触式测量法的测量精度由于测量方法和设备不同而差别很大，目前尚无普遍适用的高精度高质高效在机检测方法，工件的质量得不到保证，存在废品率高、加工效率低、加工周期长的问题，不能适应大批量零件加工的需求。

目前国内外对盘形砂轮单一直径测量方法的研究较为成熟，而对球面砂轮如圆弧形、球形以及异形砂轮等复杂轮廓砂轮的轮廓测量方法研究较少，且测量精度较差。

发明内容

本发明旨在克服现有砂轮轮廓接触式测量法容易磨损探头、测量效率低，非接触式测量法受测量方法和测量设备影响较大，复杂型面砂轮轮廓难以测量且测量精度差的技术缺陷与不足，面向生产需求和数控磨床复杂型面砂轮轮廓的精密高效高质量的在机测量需求，发明了一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法，利用激光传感器实现复杂曲面砂轮轮廓的在机测量。该方法可广泛应用于砂轮轮廓的高精度测量中，克服了复杂轮廓砂轮测量效率低、测量精度差等缺陷和不足，为砂轮的磨削精度和使用寿命的提高提供保障，对指导实际的生产加工具有重要意义。本发明采用的技术手段如下：

一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置，包括激光传感器、砂轮驱动部件、数控磨床，所述激光传感器安装在磨床主轴的右侧，并与数控磨床的控制装置相连，所述数控磨床的控制系统包括坐标存储模块和数据处理模块，所述砂轮驱动部件基于控制系统发出的指令行进或停止，所述坐标存储模块用于存储当前机床坐标以及砂轮移动过程中的触发点坐标，所述激光传感器用于采集砂轮边缘轮廓点信息，所述数据处理模块用于基于激光传感器采集的信息计算砂轮圆弧圆心在数控系统中的坐标，通过磨削作业不同阶段中砂轮圆弧半径的数值变化，得到砂轮的使用情况。

进一步地，所述砂轮驱动部件安装在数控磨床X轴导轨上，所述激光传感器通过转接板安装在所述数控磨床主轴右侧，所述激光传感器和数控磨床主轴安装在数控磨床Z轴导轨上，所述激光传感器、数控磨床主轴和砂轮驱动部件均在数控磨床运动范围内。

本发明还公开一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，包括如下步骤：

步骤1、安装激光传感器，使用标准棒对激光传感器进行标定，确定激光传感器中点在数控磨床坐标中的精确位置；

步骤2、安装待测砂轮，将砂轮轴心移动至待测量中心位置，基于激光传感器反馈的信息得到砂轮长度和半径最大值，并将该数值存储于机床数控系统；

步骤3、选取多个砂轮轮廓待测点，逐个对砂轮轮廓待测点进行坐标采集，根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，根据砂轮圆弧起止点坐标求得圆弧对应的圆心角、圆心坐标及圆弧半径。

进一步地，所述步骤3后还包括如下步骤：

步骤4、事先根据砂轮特性在机床数控系统中输入砂轮磨损评价标准；在砂轮首次经过磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径，砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角输出到数控系统中；

步骤5、在砂轮每次磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径、砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角，将测得的数据与砂轮首次执行测量步骤得到的数据做差，计算出砂轮磨损值，得到砂轮实测圆弧半径变化量；

步骤6、比较实测圆弧半径变化量与砂轮磨损评价标准的公差大小，对砂轮磨损状况进行评价。

进一步地，所述对激光传感器进行标定具体包括如下步骤：

步骤11、将校准棒移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时距激光束距离为Ls，然后沿X轴将校准棒移动至待测量位置；

步骤12、沿Z轴将校准棒移动至待测量平面；

步骤13、将校准棒以快速进给速度Vmax沿X轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿X轴将校准棒回退距离X1’至左侧测量位M1，记录M1点坐标为(Xm1，Zm1)；

步骤14、将校准棒自左侧测量位M1处以最小进给速度Vmin多次移入激光光束，将多次测量测得的M1与激光信号变化点处距离的平均值记为X1；

步骤15、在激光束右侧重复步骤13和步骤14，确定右侧测量位M2，记录M2点坐标为(Xm2，Zm2)，回退距离X2’，并测得M2与激光信号变化点处距离X2；

步骤16、确定激光束在最小进给速度Vmin下的中心位置X0，其满足 X0＝(X1+X2)/2，将该位置记录于数控系统中；

步骤17、确定激光束在最大进给速度Vmax下的中心位置X0’，其满足 X0’＝(X1’+X2’)/2，将该位置记录于数控系统中；

步骤18、同理确定上方测量位M3(Xm3，Zm3)，测得激光束在不同进给速度下Z轴的中心位置Z0和Z0’，将该位置记录于数控系统中；

步骤19、确定激光变化点在数控磨床坐标系的精确位置为(X0，Z0)，将标准棒在激光光束长度中点处分别沿X轴、Z轴工作平面穿过激光光束，在工作平面中激光信号发生变化点的坐标值即测量点坐标为(Xm，Zm)，将该位置记录于数控系统中；

步骤110、将校准棒沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

进一步地，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21、测量前估算待测砂轮的长度L0，考虑砂轮的长度L0，手动将砂轮移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤22、由测量时的进给速率V计算得到该速率下激光束的测量中心，然后沿X轴将砂轮轴心移动至待测量中心位置X0，

步骤23、将砂轮以快速进给速度Vmax沿Z轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿Z轴将校准棒回退距离Z1’至上方测量位M3(Xm3，Zm3)；

步骤24、将砂轮自上侧测量位M3处以测量速度V多次移入激光光束，将多次测量测得的M3与激光信号变化点处距离的平均值记为Zs1；

步骤25、读取激光信号变化点处机床坐标(Xml，Zml)，其中Xml＝X0， Zml＝Zs1，该坐标即为当前砂轮最高点在机床内部的坐标，并据此计算出砂轮总长度L0，砂轮长度L0与砂轮柄长度做差后得到砂轮半径估算值R；

步骤26、将砂轮沿Z轴返回到测量位M3，然后沿X轴偏移R+S，开始测量砂轮半径R0，其中，S为扫描区域，测量时Z轴测量范围为自测量位 M3处Xm3沿负方向移动至Xm3-R-S，在此区域内进行扫描，以δS为测量单位，进行步进扫描；在偏移位Xm3-R-S处沿Z轴下移，直至砂轮直径与激光束近似处于同一Z平面，之后移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，若激光信号不发生变化，继续移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，此步骤一直到发现激光信号发生变化为止，记录此时机床坐标(Xmr，Zmr)，Xmr与Xm3做差得到砂轮半径最大值 R0max；

步骤27、停用激光并用吹干工具进行清洁。

步骤28、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤31、根据步骤2得到砂轮长度L0和半径最大值R0max，将数据输入机床数控系统，将砂轮移动至数控磨床Z轴安全距离位置，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤32、测量点计算：要测量的砂轮圆弧范围角度为θ，砂轮半径为R，选取n个砂轮轮廓待测点P，将砂轮轮廓均匀分为n-1段，每段对应角度为(θ /(n-1))，据此计算出n个观测点在机床坐标中的X坐标分别为(Xθ1，Xθ2，…， Xθn)，接下来测量观测点对应的Z轴坐标；

步骤33、测量点坐标采集：将砂轮沿X轴移动到第一测量点坐标Xθ1 处，之后以测量速度V沿Z轴向下运动，直到激光信号发生变化时停止运动，并记录此时对应的Z轴坐标Zθ1，之后以测量速度V沿Z轴向上运动至测量位M3同一Z轴坐标处，得到第一个测量点坐标(Xθ1，Zθ1)；

步骤34、重复第三步，依次采集各测量点Z轴坐标，得到各测量点机床坐标值：(Xθ1，Zθ1)，(Xθ2，Zθ2)，…，(Xn，Zθn)；

步骤35、根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，分析其变化规律，求得测量点代表的砂轮实测圆弧半径r；

步骤36、根据砂轮轮廓边缘处测量点坐标求得一般砂轮圆弧圆心在数控磨床上的坐标(Xci，Zci)，同理测得根据砂轮圆弧起止点可求得圆弧对应的圆心角θm，得到砂轮轮廓面型误差和砂轮圆弧圆度误差，将测得的砂轮圆弧半径r、砂轮圆弧圆心坐标(Xci，Zci)，砂轮圆弧对应圆心角θm输出到数控系统中；

步骤37、停用激光并用吹干工具进行清洁；

步骤38、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

本发明克服了现有砂轮轮廓接触式测量法容易磨损探头、非接触式测量法受测量方法和测量设备影响较大的难题，采用非接触式在位测量法，通过数控磨床的在位集成提高了测量精度和测量效率，极大的提高了数据的可信度。该方法面向球面砂轮如圆弧形、球形以及异形砂轮等复杂轮廓砂轮，且可用于静态和动态测量，尤其适用于采用包络磨削技术加工零件的砂轮。该方法可广泛应用于砂轮轮廓的高精度测量中，克服了复杂轮廓砂轮测量效率低、测量精度差等缺陷和不足，针对不同的加工材料和应用场合，满足不同轮廓砂轮的测量需求，为砂轮的磨削精度和使用寿命的提高提供保障，对高精度工件的获得具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明数控磨床砂轮轮廓在位测量流程图。

图2为本发明实施例中数控磨床砂轮轮廓在位测量装置安装示意图。

图3为本发明实施例中激光传感器安装示意图。

图4为本发明实施例中砂轮轮廓测量示意图。

图5为本发明实施例中X轴测量点位置示意图。

图6为本发明实施例中X轴测量动作示意图。

图7为本发明实施例中激光遮蔽区示意图。

图8为本发明实施例中砂轮长度测量示意图。

图9为本发明实施例中砂轮最大半径测量示意图。

图10为本发明实施例中砂轮轮廓测量点选取示意图，其中，(a)为半球状砂轮，(b)为盘形砂轮。

图11为本发明实施例中数据处理后获得的测量点。

图12为本发明实施例中砂轮全轮廓测量点拟合过程示意图。

图13为本发明实施例中砂轮半轮廓测量点拟合过程示意图。

图中：1、激光传感器；2、激光束；3、砂轮驱动部件；4、转接板；5、数控磨床Z轴导轨；6、数控磨床X轴导轨；7、激光传感器线缆接口；8、数控磨床主轴；9、容屑槽；10、激光发射端；11、激光接收端；12、砂轮实际观测轮廓；13、选取的测量点P；1301、砂轮轮廓边缘处测量点Pe；14、测量点Pmin；15、测量点Pmin决定的最小砂轮轮廓；16、测量点Pmax；17、测量点Pmax决定的最大砂轮轮廓；18、拟合得到的理想砂轮圆弧轮廓；19、拟合得到的砂轮圆弧圆心。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着激光传感器技术的发展，其具有操作灵活、装置简单、高精度等优点，已广泛应用于工业的测量领域。因此若能利用激光位移传感器实现复杂曲面砂轮轮廓的在机测量，通过在数控磨床上安装在机激光测量位移传感器，就能够实现砂轮轮廓在位测量，能在保证测量精度的同时大大提高测量效率，也有利于提高产品生产质量和生产效率。

基于此，本发明采用的技术方案一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置及方法，该方法通过在数控磨床上安装在机激光传感器，利用激光传感器的高精度和磨床数控系统的通讯，在开始磨削前检测砂轮轮廓，确定砂轮加工的正确基准，取代手动试磨过程。使砂轮修整和轮廓测量过程全程在数控磨床上进行，砂轮不需拆卸，避免了安装误差，提高测量精度的同时极大的提高了磨削的作业效率。通过数控磨床的在位集成提高了测量精度和测量效率，极大的提高了数据的可信度，且可用于静态和动态测量，尤其适用于采用包络磨削技术加工零件的砂轮。

激光系统从原理上讲是一个高精度光栅，其输出信号可以被NC或PLC 使用以确定测量值。此系统针对加工中心内的恶劣环境进行设计，可在机床整个工作区域内实现极小刀具的破损监控，也可对静止或旋转的刀具进行μm级精度的长度和半径测量。其测量精度由测量时磨床主轴转速S和进给速度F决定，其测量精度A＝F/S。这是数控磨床磨削轴旋转一圈时所覆盖的值，是激光检测时原理上可以达到的精度值。

具体地，如图2所示，本发明实施例公开了一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量装置，包括激光传感器、砂轮驱动部件、数控磨床，所述激光传感器1通过转接板4安装在数控磨床主轴8的右侧，并与数控磨床的控制装置相连，所述数控磨床的控制系统包括坐标存储模块和数据处理模块，所述砂轮驱动部件3基于控制系统发出的指令行进或停止，所述坐标存储模块用于存储当前机床坐标以及砂轮移动过程中的触发点坐标，所述激光传感器用于采集砂轮边缘轮廓点信息，所述数据处理模块用于基于激光传感器采集的信息计算砂轮圆弧圆心在数控系统中的坐标，通过磨削作业不同阶段中砂轮圆弧半径的数值变化，得到砂轮的使用情况。所述激光传感器的安装如图3、图5所示，其中，在激光传感器线缆接口7通电后，激光发射端10和激光接收端11中激发激光束2，激光束轴线为12；

所述砂轮驱动部件安装在数控磨床X轴导轨6上，所述激光传感器通过转接板安装在所述数控磨床主轴右侧，所述激光传感器和数控磨床主轴安装在数控磨床Z轴导轨5上，所述激光传感器、数控磨床主轴和砂轮驱动部件均在数控磨床运动范围内，磨削后的废物排入容屑槽9中。

如图4所示，本发明对常规砂轮如圆柱砂轮、盘形砂轮、蝶形砂轮轮廓等都可进行在位测量，本实例以较为复杂的圆弧砂轮为例，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。如图1所示，本发明还公开一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，包括如下步骤：

步骤1、安装激光传感器，使用标准棒对激光传感器进行标定，确定激光传感器中点在数控磨床坐标中的精确位置；

步骤2、安装待测砂轮，将砂轮轴心移动至待测量中心位置，基于激光传感器反馈的信息得到砂轮长度和半径最大值，并将该数值存储于机床数控系统；

步骤3、选取多个砂轮轮廓待测点，逐个对砂轮轮廓待测点进行坐标采集，根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，根据砂轮圆弧起止点坐标求得圆弧对应的圆心角、圆心坐标及圆弧半径。

进一步地，所述步骤3后还包括如下步骤：

步骤4、事先根据砂轮特性在机床数控系统中输入砂轮磨损评价标准；在砂轮首次经过磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径，砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角输出到数控系统中；

步骤5、在砂轮每次磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径、砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角，将测得的数据与砂轮首次执行测量步骤得到的数据做差，计算出砂轮磨损值，得到砂轮实测圆弧半径变化量；

步骤6、比较实测圆弧半径变化量与砂轮磨损评价标准的公差大小，对砂轮磨损状况进行评价。

具体地，所述对激光传感器进行标定具体包括如下步骤：

砂轮测量过程中达到的精度取决于校准频率和机器状态。为了获得较好的测量精度，必须在与待测砂轮相同的机床状态下校准激光(室温，主轴温度，机器发热量等)，实现通过计算机软件设定激光传感器的信号数据存储量 Q和采样周期T。极高精度要求下必须在测量之前立即校准激光器。

校准激光传感器前，确定安装基准，确保激传感器光束中心与磨床主轴旋转中心处于同一水平面(L1＝L2)，且激光光束垂直于砂轮轮廓观测面和数控磨床XZ平面，如图1、图4所示。

为了确定激光传感器中点(最佳测量点)在数控磨床坐标中的精确位置，使用标准棒对激光传感器进行标定。用于标定的标准棒直径为dm，长度为 Lm，标定时将标准棒安装在数控磨床磨削轴上。

步骤11、将校准棒移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时距激光束距离为Ls，然后沿X轴将校准棒移动至待测量位置；

步骤12、沿Z轴将校准棒移动至待测量平面；

步骤13、将校准棒以快速进给速度Vmax沿X轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿X轴将校准棒回退距离X1’至左侧测量位M1，记录M1点坐标为(Xm1，Zm1)；

步骤14、如图6所示，在校准结果中获得尽可能最高的精度，将校准棒自左侧测量位M1处以最小进给速度Vmin多次移入激光光束，将多次测量测得的M1与激光信号变化点处距离的平均值记为X1为，了精确检测激光束，在调试期间，本实施例中，重复此步骤3-5次；

步骤15、在激光束右侧重复步骤13和步骤14，确定右侧测量位M2，记录M2点坐标为(Xm2，Zm2)，回退距离X2’，并测得M2与激光信号变化点处距离X2；

步骤16、确定激光束中遮蔽区长度：如图7所示，遮蔽区长度是指在激光信号发生变化前，校准棒在光束中必须经过的距离。其长度是由第四步和第五步在主轴的相同位置的两侧确定的，因此主轴和校准工具的同心度误差不起作用。由步骤14和步骤15确定激光束在最小进给速度Vmin下的中心位置X0，其满足X0＝(X1+X2)/2，将该位置记录于数控系统中；

步骤17、同理由步骤13、步骤14和步骤15确定激光束在最大进给速度 Vmax下的中心位置X0’，其满足X0’＝(X1’+X2’)/2，在数控系统中存储 Vmin-X0、Vmax-X0’的值，以用于随后的中间速度插值；

步骤18、同理确定上方测量位M3(Xm3，Zm3)，测得激光束在不同进给速度下Z轴的中心位置Z0和Z0’，在数控系统中存储Vmin-Z0、Vmax-Z0’的值，以用于随后的中间速度插值；

步骤19、确定激光变化点在数控磨床坐标系的精确位置为(X0，Z0)，由于只有当光强发生一定变化时激光信号才会发生改变，因此为确定激光变化点在数控数控磨床坐标系中的坐标，将标准棒在激光光束长度中点处分别沿X轴、Z轴工作平面穿过激光光束，在工作平面中激光信号发生变化点的坐标值即测量点坐标为(Xm，Zm)，将该位置记录于数控系统中；将此坐标存储在数控系统中方便后续调用。对于在矢量方向上的长度测量(如确定砂轮圆弧轮廓的圆心等)，需要此测量点坐标精确值(X0，Z0)。

步骤110、将校准棒沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

所述步骤2、测量砂轮总长度L0和砂轮最大半径R0max：

具体包括如下步骤：

如图8所示，步骤21、测量前估算待测砂轮的长度L0，考虑砂轮的长度 L0，手动将砂轮移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤22、由测量时的进给速率V计算得到该速率下激光束的测量中心，方法同步骤17和不走18。然后沿X轴将砂轮轴心移动至待测量中心位置X0，

步骤23、将砂轮以快速进给速度Vmax沿Z轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿Z轴将校准棒回退距离Z1’至上方测量位M3(Xm3，Zm3)；

步骤24、将砂轮自上侧测量位M3处以测量速度V多次移入激光光束，将多次测量测得的M3与激光信号变化点处距离的平均值记为Zs1，该测量速度是根据主轴转速和测量精度要求计算出来的，以实现所需的精度。为得到较为精确的读数，在长度测量期间，本实施例中，重复此步骤3-5次，取其均值作为Zs1；

步骤25、读取激光信号变化点处机床坐标(Xml，Zml)，其中Xml＝X0， Zml＝Zs1，该坐标即为当前砂轮最高点在机床内部的坐标，并据此计算出砂轮总长度L0，砂轮长度L0与砂轮柄长度做差后得到砂轮半径估算值R；

如图9所示，步骤26、将砂轮沿Z轴返回到测量位M3，然后沿X轴偏移R+S，开始测量砂轮半径R0，其中，S为扫描区域(1mm)，测量时Z轴测量范围为自测量位M3处Xm3沿负方向移动至Xm3-R-S，在此区域内进行扫描，以δS(10μm)为测量单位，进行步进扫描；在偏移位Xm3-R-S处沿Z轴下移，直至砂轮直径与激光束近似处于同一Z平面，之后移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，若激光信号不发生变化，继续移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，此步骤一直到发现激光信号发生变化为止，记录此时机床坐标(Xmr，Zmr)，Xmr 与Xm3做差得到砂轮半径最大值R0max；

此步骤测量单位δS根据测量精度选取，为确定砂轮半径最大值，此步骤可重复测量3-5次。

步骤27、停用激光并用吹干工具进行清洁。

步骤28、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

所述步骤3测量砂轮轮廓得到砂轮圆弧半径r和圆心坐标(Xci，Zci)

最小二乘法拟合算法适用于计算圆弧轮廓半径和通过测量点的形状精度。在此通过最小二乘法拟合算法得到砂轮圆弧半径和圆心坐标，具体包括如下步骤：

步骤31、根据步骤2得到砂轮长度L0和半径最大值R0max，将数据输入机床数控系统，将砂轮移动至数控磨床Z轴安全距离位置，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤32、测量点计算：要测量的砂轮圆弧范围角度为θ，砂轮半径为R，选取n个砂轮轮廓待测点P(测量点P的数量n可根据待测砂轮直径大小、数据处理能力和测量精度选取)，将砂轮轮廓均匀分为n-1段，每段对应角度为(θ/(n-1))，据此计算出n个观测点在机床坐标中的X坐标分别为(Xθ1， Xθ2，…，Xθn)，接下来测量观测点对应的Z轴坐标；

步骤33、测量点坐标采集：如图10(a)、(b)所示，将砂轮沿X轴移动到第一测量点坐标Xθ1处，之后以测量速度V沿Z轴向下运动，直到激光信号发生变化时停止运动，并记录此时对应的Z轴坐标Zθ1，之后以测量速度V沿Z轴向上运动至测量位M3同一Z轴坐标处，得到第一个测量点坐标 (Xθ1，Zθ1)；本步测量速度V是根据主轴转速和测量精度要求计算出来的，以实现所需的精度。

步骤34、重复第三步，依次采集各测量点Z轴坐标，如图11所示，13 为选取的测量点P，1301为砂轮轮廓边缘处测量点Pe，得到各测量点机床坐标值：(Xθ1，Zθ1)，(Xθ2，Zθ2)，…，(Xn，Zθn)；

步骤35、如图12所示，14为测量点距圆心最小值Pmin，15为测量点Pmin决定的最小砂轮轮廓，16为测量点距圆心最大值Pmax，17为测量点 Pmax决定的最大砂轮轮廓，18为拟合得到的理想砂轮圆弧轮廓，19为拟合得到的砂轮圆弧圆心。根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，分析其变化规律，求得测量点代表的砂轮实测圆弧半径r，最小二乘法拟合精度反映了砂轮轮廓的跳动程度；

步骤36、根据砂轮轮廓边缘处测量点坐标求得一般砂轮圆弧圆心在数控磨床上的坐标(Xci，Zci)，同理测得根据砂轮圆弧起止点可求得圆弧对应的圆心角θm，得到砂轮轮廓面型误差和砂轮圆弧圆度误差，将测得的砂轮圆弧半径r、砂轮圆弧圆心坐标(Xci，Zci)，砂轮圆弧对应圆心角θm输出到数控系统中；

步骤37、停用激光并用吹干工具进行清洁；

步骤38、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

可选地，本步骤砂轮轮廓测量方法除可应用于半球砂轮外，也可应用于一般圆弧砂轮，考虑到砂轮大小和计算机端显示界面大小差异，为使得砂轮轮廓和计算机端显示界面相匹配，满足使用精度要求，除可测量砂轮全轮廓，如图12所示外，也可选取砂轮半轮廓测量，如图13所示。一般圆弧砂轮轮廓测量方法与上述类似。

所述步骤4～6具体包括如下步骤：

S1、事先根据砂轮特性在机床数控系统中输入砂轮磨损评价标准：磨损公差Δw、破损公差Δb，其中Δb>Δw。

S2、在砂轮首次经过磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度L0 和砂轮最大圆弧半径R0max，砂轮实测圆弧半径r、砂轮圆弧圆心坐标(Xci， Zci)，砂轮圆弧对应圆心角θm输出到数控系统中。

S3、在砂轮每次磨削作业后执行测量步骤，得到本步测量砂轮总长度L0’和砂轮最大圆弧半径R0max’，砂轮实测圆弧半径r’、砂轮圆弧圆心坐标(Xci’， Zci’)，砂轮圆弧对应圆心角θm’，将测得的数据与砂轮首次执行测量步骤得到的数据做差，计算出砂轮磨损值，得到砂轮实测圆弧半径变化量Δr。

S4、比较Δr与上述设置的公差大小，对砂轮磨损状况进行评价：

当Δr<Δw时，砂轮工作正常，为保证工件磨削精度只需在每次磨削作业时考虑砂轮轮廓磨损Δr，在磨削轨迹规划时进行磨损量为Δr的补偿即可。

当Δw<Δr<Δb时，砂轮出现较大磨损，此时需要将砂轮进行修整，修整后重新执行上述第二步、第三步，并更新相关数值。

当Δr>Δb时，此时砂轮出现剧烈磨损，达到使用寿命，此时需要更换砂轮在进行磨削作业。

本方法在砂轮不转动的静态测量过程中测量点由外向内的选择方法使测量点能够真实反映磨削加工过程中的砂轮轮廓形状。

本发明也可应用于转动中的砂轮，由于转动过程中的砂轮轮廓变化情况为整个砂轮圆周的轮廓变动，包含了砂轮径向跳动、周向跳动、磨削轴振动等因素，需要提高容差Δd，同时满足砂轮轮廓精度测量需求。

本发明对于复杂型面砂轮也有一定适用性，除在数据处理阶段砂轮圆弧可采用分段拟合法外，其余方法同上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，其特征在于，测量方法基于如下装置实现：包括激光传感器、砂轮驱动部件、数控磨床，所述激光传感器安装在磨床主轴的右侧，并与数控磨床的控制装置相连，所述数控磨床的控制系统包括坐标存储模块和数据处理模块，所述砂轮驱动部件基于控制系统发出的指令行进或停止，所述坐标存储模块用于存储当前机床坐标以及砂轮移动过程中的触发点坐标，所述激光传感器用于采集砂轮边缘轮廓点信息，所述数据处理模块用于基于激光传感器采集的信息计算砂轮圆弧圆心在数控系统中的坐标，通过磨削作业不同阶段中砂轮圆弧半径的数值变化，得到砂轮的使用情况；

包括如下步骤：

步骤1、安装激光传感器，使用标准棒对激光传感器进行标定，确定激光传感器中点在数控磨床坐标中的精确位置；

步骤2、安装待测砂轮，将砂轮轴心移动至待测量中心位置，基于激光传感器反馈的信息得到砂轮长度和半径最大值，并将该数值存储于机床数控系统；

步骤3、选取多个砂轮轮廓待测点，逐个对砂轮轮廓待测点进行坐标采集，根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，根据砂轮圆弧起止点坐标求得圆弧对应的圆心角、圆心坐标及圆弧半径；

所述对激光传感器进行标定具体包括如下步骤：

步骤11、将校准棒移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时距激光束距离为Ls，然后沿X轴将校准棒移动至待测量位置；

步骤12、沿Z轴将校准棒移动至待测量平面；

步骤13、将校准棒以快速进给速度Vmax沿X轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿X轴将校准棒回退距离X1’至左侧测量位M1，记录M1点坐标为（Xm1，Zm1）；

步骤14、将校准棒自左侧测量位M1处以最小进给速度Vmin多次移入激光光束，将多次测量测得的M1与激光信号变化点处距离的平均值记为X1；

步骤15、在激光束右侧重复步骤13和步骤14，确定右侧测量位M2 ，记录M2点坐标为（Xm2，Zm2），回退距离X2’，并测得M2与激光信号变化点处距离X2；

步骤16、确定激光束在最小进给速度Vmin下的中心位置X0，其满足X0=(X1+X2)/2，将该位置记录于数控系统中；

步骤17、确定激光束在最大进给速度Vmax下的中心位置X0’，其满足X0’=(X1’+X2’)/2，将该位置记录于数控系统中；

步骤18、同理确定上方测量位M3（Xm3，Zm3），测得激光束在不同进给速度下Z轴的中心位置Z0和Z0’，将该位置记录于数控系统中；

步骤19、确定激光变化点在数控磨床坐标系的精确位置为（X0，Z0），将标准棒在激光光束长度中点处分别沿X轴、Z轴工作平面穿过激光光束，在工作平面中激光信号发生变化点的坐标值即测量点坐标为（Xm，Zm），将该位置记录于数控系统中；

步骤110、将校准棒沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，其特征在于，所述步骤3后还包括如下步骤：

步骤4、事先根据砂轮特性在机床数控系统中输入砂轮磨损评价标准；在砂轮首次经过磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径，砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角输出到数控系统中；

步骤5、在砂轮每次磨削作业后执行测量步骤，得到测量砂轮总长度和砂轮最大圆弧半径、砂轮实测圆弧半径、砂轮圆弧圆心坐标，砂轮圆弧对应圆心角，将测得的数据与砂轮首次执行测量步骤得到的数据做差，计算出砂轮磨损值，得到砂轮实测圆弧半径变化量；

步骤6、比较实测圆弧半径变化量与砂轮磨损评价标准的公差大小，对砂轮磨损状况进行评价。

3.根据权利要求2所述的用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21、测量前估算待测砂轮的长度L0，考虑砂轮的长度L0，手动将砂轮移动至数控磨床的Z轴安全距离，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤22、由测量时的进给速率V计算得到该速率下激光束的测量中心，然后沿X轴将砂轮轴心移动至待测量中心位置X0，

步骤23、将砂轮以快速进给速度Vmax沿Z轴移动到激光光束中，待数控系统检测到激光信号发生变化时，沿Z轴将校准棒回退距离Z1’至上方测量位M3（Xm3，Zm3）；

步骤24、将砂轮自上侧测量位M3处以测量速度V多次移入激光光束，将多次测量测得的M3与激光信号变化点处距离的平均值记为Zs1；

步骤25、读取激光信号变化点处机床坐标（Xml，Zml），其中Xml=X0，Zml= Zs1，该坐标即为当前砂轮最高点在机床内部的坐标，并据此计算出砂轮总长度L0，砂轮长度L0与砂轮柄长度做差后得到砂轮半径估算值R；

步骤26、将砂轮沿Z轴返回到测量位M3，然后沿X轴偏移R+S，开始测量砂轮半径R0，其中，S为扫描区域，测量时Z轴测量范围为自测量位M3处Xm3沿负方向移动至Xm3-R-S，在此区域内进行扫描，以δS为测量单位，进行步进扫描；在偏移位Xm3-R-S处沿Z轴下移，直至砂轮直径与激光束近似处于同一Z平面，之后移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，若激光信号不发生变化，继续移动X轴使偏移位距离减少δS，观察激光信号是否发生变化，此步骤一直到发现激光信号发生变化为止，记录此时机床坐标（Xmr，Zmr），Xmr与Xm3做差得到砂轮半径最大值R0max；

步骤27、停用激光并用吹干工具进行清洁；

步骤28、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

4.根据权利要求3所述的用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤31、根据步骤2得到砂轮长度L0和半径最大值R0max，将数据输入机床数控系统，将砂轮移动至数控磨床Z轴安全距离位置，此时砂轮最低点距激光束距离为Ls；

步骤32、测量点计算：要测量的砂轮圆弧范围角度为θ，砂轮半径为R，选取n个砂轮轮廓待测点P，将砂轮轮廓均匀分为n-1段，每段对应角度为（θ/(n-1)），据此计算出n个观测点在机床坐标中的X坐标分别为（Xθ1，Xθ2，…，Xθn），接下来测量观测点对应的Z轴坐标；

步骤33、测量点坐标采集：将砂轮沿X轴移动到第一测量点坐标Xθ1处，之后以测量速度V沿Z轴向下运动，直到激光信号发生变化时停止运动，并记录此时对应的Z轴坐标Zθ1，之后以测量速度V沿Z轴向上运动至测量位M3同一Z轴坐标处，得到第一个测量点坐标（Xθ1，Zθ1）；

步骤34、重复第三步，依次采集各测量点Z轴坐标，得到各测量点机床坐标值：（Xθ1，Zθ1），（Xθ2，Zθ2），…，（Xn，Zθn）；

步骤35、根据各测量点坐标采用最小二乘法拟合出测量点圆弧轮廓，分析其变化规律，求得测量点代表的砂轮实测圆弧半径r；

步骤36、根据砂轮轮廓边缘处测量点坐标求得一般砂轮圆弧圆心在数控磨床上的坐标（Xci，Zci），同理测得根据砂轮圆弧起止点可求得圆弧对应的圆心角θm，得到砂轮轮廓面型误差和砂轮圆弧圆度误差，将测得的砂轮圆弧半径r、砂轮圆弧圆心坐标（Xci，Zci），砂轮圆弧对应圆心角θm输出到数控系统中；

步骤37、停用激光并用吹干工具进行清洁；

步骤38、将砂轮沿Z轴、X轴返回到起始安全位置，然后依次关闭激光传感器、数控磨床磨削轴。

5.根据权利要求1所述的用于数控磨床的砂轮轮廓在位测量方法，其特征在于，所述砂轮驱动部件安装在数控磨床X轴导轨上，所述激光传感器通过转接板安装在所述数控磨床主轴右侧，所述激光传感器和数控磨床主轴安装在数控磨床Z轴导轨上，所述激光传感器、数控磨床主轴和砂轮驱动部件均在数控磨床运动范围内。

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