CN114905413B - 一种砂轮靶向修整方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种砂轮靶向修整方法及系统，在计算机控制下使砂轮旋转，激光扫描仪实时获取砂轮表面反射率及点位数据；计算机依据砂轮表面反射率强弱，确定砂轮表面反射率最大的N个点位信息；当砂轮表面反射率达到或超过反射率阈值M时，确定需修整点位的信息；计算机依据砂轮转速和需修整的点位信息，向激光修整器和精密移动平台发出砂轮修整信息；激光修整器在砂轮下一转来到时，开始逐点发射激光，对砂轮表面需修整点位进行点蚀加工。本发明采用精准定位和点蚀加工，使砂轮修整仅限于砂轮表面局部磨损区域点位，修整局部不影响砂轮整体形貌，又能恢复砂轮磨削性能；不仅提高了砂轮利用率、延长了砂轮使用寿命，而且节省了能源、减小了污染。

Description

一种砂轮靶向修整方法及系统

技术领域

本发明涉及砂轮磨削的技术领域，尤其涉及一种砂轮靶向修整方法及系统，实现超硬磨料砂轮的定向修整。

背景技术

砂轮修整通常是指用修整工具将砂轮表面加工成形或修去磨损的表层，以恢复砂轮工作面的正确几何形状和磨削性能的过程。依据经典磨削理论，砂轮表面磨损大致可分为初期磨损、稳定磨损和剧烈磨损三个阶段，理论上砂轮修整往往希望在砂轮稳定磨损阶段的末期即尚未进入剧烈磨损阶段时进行。规范、合理、高效、科学的修整，是保证磨削质量和磨削经济性不可缺少的重要环节。

但是，砂轮是多元、多刃、多孔、非均质、硬脆复合材料，砂轮表面海量磨粒均处于多维不确定状态（磨粒形状、几何角度、空间位置、出刃高度、磨损自锐、是否有效等）。从微观上观察，砂轮表面磨损往往是由小变大、渐渐扩展，新磨粒依次出现、旧磨粒逐渐退出，砂轮表面慢慢更新的过程。砂轮表面磨损是先从个别磨粒钝化或砂轮局部堵塞开始。随着磨削加工的持续进行，砂轮表面失效面积随之变大，磨削锋利性渐渐下降，磨削力、磨削热逐渐增大。只有当磨削力、磨削热、磨削异常等达到一定程度，正常磨削系统被破坏，迫使砂轮表面磨削失稳，磨削精度下降、表面质量恶化（振纹、烧伤、裂纹）等。由此可知，砂轮表面失效往往是由点到面、由局部到整面，是个渐变扩展的过程；只有当砂轮表面失效面积达到一定程度或砂轮表面即将进入剧烈磨损阶段时，才会影响磨削质量而进行砂轮修整。

目前，砂轮修整方法有很多，主要有车削法、铣削法、滚压法、制动法、磨削法、研磨法、弹性法、喷射法、放电法、电解法、超声法等。但是，不管是普通磨料砂轮、还是超硬磨料砂轮，截止目前所有砂轮修整均是基于砂轮表面整体去除的修整思路。即通过修整工具去除砂轮表面一定深度（每次砂轮修整深度一般在0.001～1.0mm范围）的整个工作磨料层，从而获得新的理想的砂轮表面形貌，如图1所示。据有关文献统计，砂轮上约80%左右磨料是被修整掉的，砂轮有效利用率很低。也就是说，近百年来砂轮修整一直秉持“宁可错杀一千，不可放过一个”的传统砂轮修整理念，致使砂轮表层大部分磨料未达到充分利用而被修掉。由此可见，砂轮修整不仅带来了巨大的磨料磨具浪费和时间浪费，并且还增加了能耗、加大了污染。

需要特别说明的是，目前在专利文献中出现了许多涉及激光进行砂轮修整方面的技术方案。一方面，这些专利与以上砂轮修整方法一样，全部是基于一次修整去除砂轮整个工作表面的思路，带来了巨大的砂轮浪费、时间浪费、能耗浪费，且加大了污染。另一方面，激光修整多用于超硬磨料新砂轮整形，使砂轮表面形状达到理想轮廓。但是，由于整形面积大（通常不低于砂轮工作面积的50%以上），也会造成巨大的浪费。

总之，传统砂轮修整均为大面积修整，带来了巨大的资源浪费。

发明内容

针对现有砂轮修整均为大面积材料修整，带来大量磨料磨具和砂轮材料的浪费的技术问题，本发明提出一种砂轮靶向修整方法及系统，利用砂轮表面反射率等信息，只修去砂轮表面个别点位材料，便可恢复砂轮的磨削性能，大大节省磨料磨具材料，提高砂轮有效利用率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种砂轮靶向修整方法，其特征在于，在计算机控制下使砂轮伺服旋转，激光扫描仪实时获取砂轮表面反射率及其点位数据；计算机依据砂轮表面反射率强弱，确定砂轮表面反射率最大的N个点位信息；当砂轮表面反射率达到或超过反射率阈值M时，确定需修整点位的信息；计算机依据砂轮转速和需修整的点位信息，向激光修整器和精密移动平台发出砂轮修整信息；激光修整器在砂轮下一转来到时，开始逐点发射激光，对砂轮表面需修整点位进行点蚀加工，直至砂轮表面所有超过反射率阈值M的磨损点位全被修整。

进一步地，所述激光扫描仪跟踪扫描和采集砂轮的表面信息，激光修整器实时接收修整信息并进行靶向点蚀加工修整，实现砂轮的持续长时间磨削加工。

进一步地，所述反射率为砂轮表面材料反射的光量与接受的光量之比；反射率阈值M的取值在0.1-10%范围，反射率阈值M随砂轮的粒度、浓度、表面加工质量要求而变化，且粒度越粗、浓度越高，反射率阈值M取大值，表面加工质量要求越高，反射率阈值M取大值。

进一步地，所述反射率最大的N个点位是指砂轮每转反射率最大的前N个点，N的取值在1-10范围。

进一步地，所述计算机中反射率最大的N个点位的坐标信息随砂轮磨削和修整而不断更新。

一种砂轮靶向修整方法的砂轮靶向修整系统，其特征在于，包括主轴系统、激光扫描系统、激光修整系统、精密移动平台和计算机，主轴系统与待修整砂轮相连接，激光扫描系统和激光修整系统设置在精密移动平台上，计算机分别与主轴系统、激光扫描系统、激光修整系统和精密移动平台相连接。

进一步地，所述主轴系统包括数控磨床主轴，待修整砂轮设置在数控磨床主轴上，数控磨床主轴与伺服电机相连接，伺服电机与计算机相连接，精确控制待修整砂轮的旋转。

进一步地，所述激光扫描系统包括激光扫描仪和振镜，激光扫描仪和振镜均与计算机相连接；激光扫描仪包括激光发射器和激光接收器，激光发射器发出的激光瞄向待修整砂轮的表面，激光接收器与激光发射器相匹配；所述激光扫描仪用于激光发射、接收待修整砂轮的表面反光点位的反射率大小和对应的坐标信息；所述振镜用于待修整砂轮的宽度扫描和定位，振镜的扫描宽度大于待修整砂轮的宽度。

进一步地，所述激光修整系统包括激光修整器，激光修整器与计算机相连接，激光修整器用于待修整砂轮表面的点蚀加工。

进一步地，所述精密移动平台的数量设有两个且包括精密移动平台I和精密移动平台II，精密移动平台I和精密移动平台II均可三维移动且精密移动平台I和精密移动平台II均与计算机相连接；所述激光扫描仪设置在精密移动平台I上，激光修整器设置在精密移动平台II上。

本发明的有益效果：精确控制砂轮的转动、快速完成砂轮表面的三维扫描、采集，获取砂轮表面当下点位反射率及其坐标信息，提取砂轮表面最大N个反射率磨损区域点位信息，当反射率达到或超过预定指标M时，控制激光修整器对目标区域进行精准定位、点蚀加工，实现砂轮表面的靶向修整。本发明基于科学技术，特别是数控技术、激光技术、快扫技术、云计算、传感器技术、制造技术的进步，提出了一种基于激光反射的砂轮形貌精准定位、靶向加工的新的砂轮修整方法，采用精准定位和点蚀加工，使砂轮修整仅限于砂轮表面局部磨损区域点位，砂轮每转点蚀修整区域面积占砂轮工作表面积的比例很小（＜0.1%），修整局部不影响砂轮整体形貌，又能恢复砂轮磨削性能；不仅提高了砂轮利用率、延长了砂轮使用寿命，而且节省了能源、减小了污染。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统砂轮修整方法的示意图。

图2为本发明砂轮修整的示意图。

图3为本发明砂轮靶向修整系统的原理图。

图4为本发明砂轮靶向修整方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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付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。

实施例1

如图2和图3所示，一种砂轮靶向修整系统，修整系统设置在砂轮防护罩上，包括主轴系统、激光扫描系统3、激光修整系统4、精密移动平台5和计算机6，主轴系统与待修整砂轮1相连接，主轴系统用于带动待修整砂轮1精密旋转。激光扫描系统3和激光修整系统4均设置在精密移动平台5上，精密移动平台5实现激光扫描系统3和激光修整系统4的精确移动，计算机6分别与主轴系统、激光扫描系统3、激光修整系统4和精密移动平台5相连接，从而实现数据的采集和处理并发送砂轮修整指令，从而实现对待修整砂轮1的点蚀加工，从而达到靶向修整的目的。

进一步地，所述主轴系统包括数控磨床主轴2，待修整砂轮1设置在数控磨床主轴2上，数控磨床主轴2与伺服电机相连接，伺服电机与计算机6相连接，精确控制待修整砂轮1的旋转。

进一步地，所述激光扫描系统3包括激光扫描仪和振镜及其相关配件，激光扫描仪和振镜均与计算机6相连接；激光扫描仪包括激光发射器和激光接收器，激光发射器发出的激光瞄向待修整砂轮1的表面，激光接收器与激光发射器相匹配；激光扫描仪用于激光发射、接收砂轮表面反光点位的反射率大小和对应的坐标信息。所述振镜用于待修整砂轮1的宽度扫描和定位，振镜的扫描宽度大于待修整砂轮1的宽度。为了寻找砂轮局部磨损位置（旋转坐标系和三维定位），因此需扫描砂轮宽度、周向（转动）、径向信息。相关配件主要指非重点配件，可指反射率测试仪等。

所述激光修整系统4包括激光修整器和振镜II，激光修整器与计算机6相连接，激光修整器用于待修整砂轮1表面的点蚀加工。

所述精密移动平台5的数量设有两个且包括精密移动平台I和精密移动平台II，精密移动平台I和精密移动平台II均可三维移动且精密移动平台I和精密移动平台II均与计算机6相连接；所述激光扫描仪设置在精密移动平台I上，精密移动平台I用于激光扫描仪的精准对焦移动，激光修整器设置在精密移动平台II上，精密移动平台II用于激光修整器的精准对焦移动。对焦指光学中对焦点，在焦点位置附近扫描、测试、发射激光，系统判断相对清晰、精准；另外对焦还包括系统调整、测试等。

实施例2

如图2和图4所示，一种砂轮靶向修整方法，其步骤如下：在计算机控制下使砂轮伺服旋转，激光扫描仪实时获取砂轮表面反射率及其点位数据；计算机依据砂轮表面反射率强弱，确定砂轮表面反射率最大的N个点位的坐标信息；当砂轮表面反射率达到或超过反射率阈值M时，确定需修整点位的信息；计算机依据砂轮转速和需修整的点位信息，向激光修整器和精密移动平台发出砂轮修整信息；激光修整器在砂轮下一转来到时，开始逐点发射激光，对砂轮表面需修整的点位即反射率大于反射率阈值M的较大磨损电位进行点蚀加工，直至砂轮表面所有超过反射率阈值M的磨损点位全被修整。

所述激光扫描仪跟踪扫描和采集砂轮的表面信息，激光修整器实时接收修整信息并进行靶向点蚀加工修整，实现砂轮的持续长时间磨削加工。

材料反光大小通常用反射率来评价，所述反射率为砂轮材料反射的光量与接受的光量之比；反射率高则表示反射力强。影响反射率因素有很多，如颜色、材料、形貌等。砂轮表面主要是形貌因素（有无数磨粒、空穴组成，表面形貌及其复杂）。新磨粒顶端相对锋利，当光线照射时，光线几乎全为慢反射，反射率极低；当磨粒磨损出现小平面时，此磨损点出现全反射，随着小平面面积的增大，反射率增加。目前反射率测试非常成熟，有专门的测试仪器，激光扫描仪上可设置反射信息。

反射率阈值M的取值在0.1-10%范围，反射率阈值M随砂轮的粒度、浓度、表面加工质量要求而变化，且粒度越粗、浓度越高，反射率阈值M取大值，表面加工质量要求越高，反射率阈值M取大值。浓度指磨料在砂轮中的体积含量。

所述反射率最大的N个点位是指砂轮每转反射率最大的前N个点，N的取值在1-10范围。

所述计算机中反射率最大的N个点位的坐标信息随砂轮磨削和修整而不断更新。计算机存储信息可不断更新。可以根据多次处理的数据更新反射率阈值M。

实施例3

一种砂轮靶向修整方法，实施具体步骤如下：

1）信息输入。主要包括待修整砂轮1的基本特性（包括磨料、粒度、结合剂、浓度、组织和硬度）、待修整砂轮1的工作信息（直径、宽度、转速）、激光扫描仪的参数（包括采样频率、宽度和反射率）、激光修整器的参数（功率、脉宽、脉频）、激光扫描仪与激光修整器的安装角度β、修整工作参数，激光扫描仪和激光修整器的移动速度、最大磨损点数量N、反射率阈值M等。

2）系统调整。安装本发明砂轮靶向修整系统。特别是需调整激光修整器及激光扫描仪对焦点，主要通过调整二者对焦位置及系统调试，调试还包括砂轮转速、扫描速度、平台移动速度以及起点位置等，使扫描信息与激光修整器发射信息相匹配。待修整砂轮1转速、激光修整器、激光扫描仪、精密移动平台的精准定位、协同联动，以及激光修整器与激光扫描仪的安装角β。安装角β根据磨床安装空间而定，一般45⁰-90⁰。

3）启动砂轮靶向修整系统。在计算机6控制下启动本发明的砂轮靶向修整系统。

4）信息采集。在计算机6控制下激光扫描仪快速获取待修整砂轮1的工作表面的反射率及其点位数据等。

5）信息处理。计算机6依据砂轮表面激光反射强弱排序，确定待修整砂轮1表面N个磨损区域反射率较大的点位信息。

6）修整点位。计算机6判断反射率达到或超过预定指标反射率阈值M的点位信息，及时向激光修整器发出相关点位信息及修整能量信息等的控制指令。修整能量通过激光功率、脉宽、脉频、时间来计算。

7）点蚀加工。激光修整器按上述指令在待修整砂轮1下一转来到时，开始逐点发射激光，进行点蚀加工；随着待修整砂轮1的旋转，激光修整器逐步完成砂轮表面上所有超过反射率阈值M的较大磨损点位修整。

循环步骤以上4）-7），本发明可用于砂轮磨削全过程，及时采集砂轮表面反射率信息，随时点蚀修整，保障砂轮持续长时间磨削。

需要特别说明的是，本发明只针对砂轮表面磨损区域达到一定反射率阈值M的点位进行修整加工，使该区域堵塞部位快速烧蚀、融化、气化，钝化磨粒高温烧蚀、破碎、氧化或微结构化，使点蚀修整区域径向略低于砂轮工作表面；而未修整区域磨粒仍处于当下正常形态，可继续服役使用。由于砂轮表面存在海量磨粒，砂轮每转点蚀加工区域数量很少（＜10个），砂轮每转点蚀修整区域面积占砂轮工作表面积的比例很小（＜0.1%）；再加上单次点蚀能量很小（＜1W），修整去除深度很小（＜10μm），因此可确保点蚀修整不影响砂轮表面形位精度、磨削性能及其磨削质量。

本发明颠覆了百年来人们一直秉持的“宁可错杀一千，不可放过一个”的传统的砂轮修整理念，使砂轮表面大部分磨料未达到充分使用而被修掉之浪费现状。本发明采用精准定位、点蚀加工，使砂轮修整仅限于砂轮表面局部磨损区域点位的一种新的砂轮靶向修整方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种砂轮靶向修整方法，其特征在于，其步骤如下：在计算机控制下使砂轮伺服旋转，激光扫描仪实时获取砂轮表面反射率及其点位数据；计算机依据砂轮表面反射率强弱，确定砂轮表面反射率最大的N个点位信息及坐标信息；当砂轮表面反射率达到或超过反射率阈值M时，确定需修整点位的信息；计算机依据砂轮转速和需修整的点位信息，向激光修整器和精密移动平台发出砂轮修整信息；激光修整器在砂轮下一转来到时，开始逐点发射激光，对砂轮表面需修整点位进行点蚀加工，直至砂轮表面所有超过反射率阈值M的磨损点位全被修整；

所述反射率为砂轮表面材料反射的光量与接受的光量之比；反射率阈值M的取值在0.1-10%范围，反射率阈值M随砂轮的粒度、浓度、表面加工质量要求而变化，且粒度越粗、浓度越高，反射率阈值M取大值，表面加工质量要求越高，反射率阈值M取大值。

2.根据权利要求1所述的砂轮靶向修整方法，其特征在于，所述激光扫描仪跟踪扫描和采集砂轮的表面信息，激光修整器实时接收修整信息并进行靶向点蚀加工修整，实现砂轮的持续长时间磨削加工。

3.根据权利要求2所述的砂轮靶向修整方法，其特征在于，所述反射率最大的N个点位是指砂轮每转反射率最大的前N个点，N的取值在1-10范围。

4.根据权利要求3所述的砂轮靶向修整方法，其特征在于，所述计算机中反射率最大的N个点位的坐标信息随砂轮磨削和修整而不断更新。

5.利用权利要求1-4中任意一项所述的砂轮靶向修整方法的砂轮靶向修整系统，其特征在于，包括主轴系统、激光扫描系统（3）、激光修整系统（4）、精密移动平台（5）和计算机（6），主轴系统与待修整砂轮（1）相连接，激光扫描系统（3）和激光修整系统（4）设置在精密移动平台（5）上，计算机（6）分别与主轴系统、激光扫描系统（3）、激光修整系统（4）和精密移动平台（5）相连接。

6.根据权利要求5所述的砂轮靶向修整系统，其特征在于，所述主轴系统包括数控磨床主轴（2），待修整砂轮（1）设置在数控磨床主轴（2）上，数控磨床主轴（2）与伺服电机相连接，伺服电机与计算机（6）相连接，精确控制待修整砂轮（1）的旋转。

7.根据权利要求6所述的砂轮靶向修整系统，其特征在于，所述激光扫描系统（3）包括激光扫描仪和振镜，激光扫描仪和振镜均与计算机（6）相连接；激光扫描仪包括激光发射器和激光接收器，激光发射器发出的激光瞄向待修整砂轮（1）的表面，激光接收器与激光发射器相匹配；所述激光扫描仪用于激光发射、接收待修整砂轮（1）的表面反光点位的反射率大小和对应的坐标信息；所述振镜用于待修整砂轮（1）的宽度扫描和定位，振镜的扫描宽度大于待修整砂轮（1）的宽度。

8.根据权利要求7所述的砂轮靶向修整系统，其特征在于，所述激光修整系统（4）包括激光修整器，激光修整器与计算机（6）相连接，激光修整器用于待修整砂轮（1）表面的点蚀加工。

9.根据权利要求8所述的砂轮靶向修整系统，其特征在于，所述精密移动平台（5）的数量设有两个且包括精密移动平台I和精密移动平台II，精密移动平台I和精密移动平台II均可三维移动且精密移动平台I和精密移动平台II均与计算机（6）相连接；所述激光扫描仪设置在精密移动平台I上，激光修整器设置在精密移动平台II上。