CN115684183A

CN115684183A - 一种砂轮修整质量检测与评价方法

Info

Publication number: CN115684183A
Application number: CN202211527766.6A
Authority: CN
Inventors: 母德强; 田尚雨; 吴奎; 司苏美; 褚笛轲; 赵伟; 王震; 苍鹏; 李晓东; 宋文明; 李帅; 司泽凯; 张继轩
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明公开了一种砂轮修整质量检测与评价方法，属于磨削加工技术领域，本发明的方法：首先，利用手持式扫描仪对修整后砂轮表面所要评价区域的表面进行三维数据采集。然后，对采集的三维数据的奇异点进行剔除和插值补充数据处理、并对修补处理后的三维数据组进行曲面拟合得到其中心面。最后，根据中心面与数据处理后的砂轮表面三维数据组，计算得到评价砂轮修整质量的相关参量值，实现对砂轮的修整质量快速检测与评价。该方法克服了目前砂轮修整质量检测方法成本高、操作复杂、或数据采集精度不高等问题，可为砂轮修整工艺的改进提供依据，对提高磨削加工质量和效率具有重要意义。

Description

一种砂轮修整质量检测与评价方法

技术领域

本发明涉及精密超精密加工和精密测试技术领域，尤其涉及砂轮修整质量检测与评价方法。

背景技术

磨削加工所用的砂轮一般是用磨料和结合剂等制作而成的。对于新安装的砂轮和在磨削过程中砂轮表面钝化不能进行有效磨削的砂轮，都必须对砂轮进行修整。修整后的砂轮表面质量影响磨削加工质量和效率，需要对修正后的砂轮表面质量进行检测与评价，因此，快速准确地检测砂轮修整后的表面质量，不仅有助于进一步认识磨削机理，而且，对磨削加工质量和效率的提高有着重要意义。

对砂轮表面质量进行检测的方法主要包括：（1）凭借视觉和触觉人为的检测方法，一般依靠工人的经验，通过加工时的声音及工件的表面质量进行判断，这需要工人具备较高的加工经验，主观性较强，并且增加了人工成本。而且受人为因素影响极大，检测准确性无法保证。（2）利用轮廓仪等接触式量仪对砂轮表面的轮廓进行测量；这种方法虽然理论上可以测量砂轮表面粗糙度，但由于量仪的测头需要接触砂轮粗糙表面，测量时极易造成测头磨损从而损坏量仪，尤其是在砂轮粒度大、尺寸大的条件下，情况更为恶劣，这种方法耗时费力，受限因素多，也无法实现在机检测，而且这种方法的操作比较复杂。（3）利用CCD相机或激光传感器对砂轮表面质量进行检测，这种方法虽然可以测量砂轮表面质量，但是，由于CCD相机和激光传感器的三维数据采集精度不高，鲁棒性不够，会给砂轮质量检测结果带来较大偏差，检测准确性无法保证。

综上所述，当砂轮在修整后，需要对其修整质量进行检测，由于目前的砂轮修整质量检测操作复杂、耗时费力、数据采集精度不高等原因，因此，砂轮修整质量检测与评价方法也是磨削加工技术领域的研究问题之一。

发明内容

本发明提供了一种利用手持式扫描仪进行砂轮修整质量检测与评价方法，具有快速、精度高等特点，克服了目前砂轮表面质量的检测检测成本高、耗时费力等问题。

本发明提供的技术方案为：

本发明提供了一种利用手持式扫描仪进行砂轮修整质量检测与评价方法，其检测系统主要包括：被测砂轮（1）、固定胶带（2）、开有矩形通孔的弹性透明塑料薄片（3）、反光标记点（4）、手持式扫描仪（5）、电源数据线（6）和计算机（7）。在弹性透明塑料薄片矩形通孔周边贴有一定数量的反光标记点（4）；透明塑料薄片的两端是用固定胶带（2）粘贴固定在被测砂轮（1）表面上，且保证透明塑料薄片矩形通孔长边沿砂轮表面的圆周方向；手持式扫描仪（5）通过电源数据线（6）与计算机（7）相连。

砂轮修整质量检测与评价方法主要步骤有：

步骤1：选取评定表面。在修整后砂轮工作面上，选取一定弧长的面积作为评定表面区域；用胶带将带有反光标记点（4）的弹性透明塑料薄片（3）粘贴固定在所选取的评定表面上。

步骤2：点云数据采集与数据处理。利用手持式扫描仪（5）对弹性透明塑料薄片矩形通孔露出的砂轮工作面进行三维数据采集，直到数据采集完备，计算机（7）得到修整后砂轮工作面的三维数据A₀ ；计算机对三维数据进行分析处理，剔除数据A₀中的奇异点（奇异点的特征在于相比于正常点来说奇异点与其他点离得较远）。

然后，利用空间点插值方法对剔除的数据点进行补充处理，得到数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁ 。

步骤3：获取中心面。根据数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁ ，利用最小二乘法方法求得三维数据组A₁ 的中心面S_面。

步骤4：砂轮修整质量评价参数获取。利用数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁和中心面S_面，根据需要求得评价砂轮修整质量的相关参数（如：砂轮磨粒等高性、砂轮表面粗糙度等）。通过对得到相关参数的分析，实现对砂轮修整质量的评价。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种砂轮修整质量检测与评价方法。综合利用手持式扫描仪高效率、高精度的特点，对砂轮进行非接触式扫描获得三维点云数据以及计算机的高效数据处理能力，克服了操作复杂、耗时费力又采集精度不足的困难。检测对象可以是陶瓷、树脂等各种结合剂类型的砂轮，也不受砂轮大小和粒度型号等因素的限制，检测通用性强。

附图说明

图1为本发明所述的检测系统的组成原理示意图。

图1中：1、被测砂轮；2、固定胶带；3、开有矩形通孔的弹性透明塑料薄片；4、反光标记点；5、手持式扫描仪；6、电源数据线；7、计算机。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的具体实施方案做进一步的详细说明。

本发明提供的一种砂轮修整质量检测与评价方法，其检测系统（如图1所示）主要包括：被测砂轮（1）、固定胶带（2）、开有矩形通孔的弹性透明塑料薄片（3）、反光标记点（4）、手持式扫描仪（5）、电源数据线（6）和计算机（7）。为了数据处理和最后的评价能够顺利进行，要根据精度需要和扫描仪说明书规定，两点相距一定的距离，无规则、均匀的在弹性透明塑料薄片矩形通孔周边贴有一定数量的反光标记点（4），透明塑料薄片的两端是用固定胶带（2）粘贴固定在被测砂轮（1）表面上，且保证透明塑料薄片矩形通孔长边沿砂轮表面的圆周方向，手持式扫描仪（5）通过电源数据线（6）与计算机（7）相连。

准备工作，为了确保良好的数据质量，在手持式激光扫描仪（5）开始使用前，利用快速标定板对手持式激光扫描仪（5）进行校准，将手持式激光扫描仪（5）正对标定板，根据需要在一定距离内开始标定。

步骤1：选取评定表面。在修整后砂轮工作面上，选取一定弧长的面积作为评定表面区域；用固定胶带（2）将带有反光标记点（4）的弹性透明塑料薄片（3）粘贴固定在所选取的评定表面上。

步骤2：点云数据采集与数据处理。利用手持式扫描仪（5）对弹性透明塑料薄片矩形通孔露出的砂轮工作面进行三维数据采集，缓慢移动手持式扫描仪（5），并实时调整手持式扫描仪（5）与被测砂轮评定表面区域之间距离，直到数据采集完备，计算机（7）得到修整后砂轮工作面的三维数据 A₀。

计算机对三维数据 A₀进行分析处理，剔除数据A₀ 中的奇异点（奇异点的特征在于相比于正常点来说奇异点与其他点离得较远），滤波原理为：对于点云 A₀中某一点p_j ，离它最近的第 k个点p_jk ，则两点间距离表示为：

求离某个点附近的K个点可以使用空间二叉树(KD-tree)进行搜索，而KD-tree是一种对空间中实例点快速检索的树形数据结构；然后计算这K个点与p_j距离的平均值d_j：

对于整个点云，求所有d_j的均值 μ和方差σ²，其计算公式如下：

其中N表示A₀ 中点的数量。

求出均值和方差后，所有

的点p_j都是奇异点，将其从A₀中剔除。然后，利用空间点插值方法对剔除的数据点进行补充处理，得到数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁。

步骤3：获取中心面。根据数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁ ，利用最小二乘法方法求得三维数据组A₁ 的中心面S_面；

中心面S_面为圆柱面，根据圆柱面的几何模型，对于一个圆柱面，面上各点到中心轴线的距离为一个常值R ，若能确定中心轴线以及半径，就能确定圆柱面，中心轴线可通过其方向矢量以及轴线上某个点坐标决定，所以圆柱面主要参数可认为是中心轴线方向(a,b,c) ，中心轴线上一点（x₀,y₀,z₀）以及半径 R，由此可得，该圆柱的中心轴线的参数式方程为：

其中P_t（x_t,y_t,z_t）是A₁ 中数据点，P₀（x₀,y₀,z₀）是中轴线上一点，T(a,b,c)则是中轴线的方向矢量。 θ是 P_tP₀和轴线之间的夹角，然后建立以 v为残差值的误差方程：

为了约束中心轴线的正方向，设定约束条件方程：

由于误差方程是非线性的，参数间相关性较强，对初值选择较为敏感，故对误差方程稍作修改，减少其相关性，降低初值的选择要求。对误差方程修改为:

故选取初值为：

且a=1或b=1或c=1（a，b，c不能同时为0）。

对v 进行线性化，得：

式中，

R₀为代入初始参数计算出的圆柱半径。假设点云均匀分布在圆柱面上，即圆柱面上各点权值相同，故不需要额外为数据点设计权值。根据最小二乘法，当v为最小值时，此时所求参数达到最优值，故有

，对式子求解参数X：

一般来说，非线性拟合需要多次迭代拟合后才能收敛到最优值，将初始参数值加上X中对应的修正值作为下次迭代的初始值，再次迭代操作，直至X中修正值满足最低要求时，停止迭代。但由于误差方程并不是基于

实现的，当取得最优值后，还需要代入

中，求取精确解，进而确定唯一圆柱面。

步骤4：砂轮修整质量评价参数获取。利用数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁和中心面S_面，根据需要求得评价砂轮修整质量的相关参数（如：砂轮磨粒等高性、砂轮表面粗糙度等）。

步骤4.1，计算砂轮磨粒等高性，可以从三维数据组A₁中提取磨粒轮廓的峰点，作为特征点，这些特征点基本上代表了磨粒的高度，特征点的选取方法：某采样点的高度大于邻域内的所有的点即认为该采样点是特征点，例如，选取一个圆周方向的特征点，如果该圆周方向上某采样点的高度大于前后位置的点即认为该采样点是特征点；这些特征点综合反映了砂轮表面磨粒的分布规律，将特征点的分布范围和离散程度进行量化评价，就可以定量砂轮磨粒等高性。

截取砂轮所要评价区域表面圆周某一段一个圆周方向的特征点，设截取的特征点的集合为X=(x1,x2,…,xn) ，分别计算其极差Hr和均方差Hs，作为砂轮表面磨粒等高性的表征参数， Hr和Hs越小，则磨粒等高性越好，计算公式如下：

其中，

对截取砂轮所要评价区域表面圆周某一段一个圆周方向的特征点进行分析，可以获得磨粒高度的分布状态，结合砂轮粒度，实现砂轮磨粒等高性的评价，为了保证良好的修整质量，修整后Hr 值不宜大于砂轮磨粒直径的8%，并且修整后 Hs值减少量不能大于磨粒直径的20%。

步骤4.2，计算砂轮表面粗糙度，轮廓平均偏差 Ra用来评价砂轮表面圆周方向的整体或局部的粗糙程度，根据步骤3中计算出的中心面S_面，通过计算数据组A₁中各点数据到中心面S_面的法向量，即A₁中各点数据到中心面S_面距离绝对值，然后对获得的法向量求和，再均值，得到轮廓平均偏差Ra ，其计算公式如下：

其中，P_s ^‘（x_s,y_s,z_s）是A₁ 中点云P(x_i,y_i,z_i) ，∣d_i∣为A₁ 各点数据到中心面S_面距离绝对值。 P_s ^‘（x_s,y_s,z_s）在中轴线上，则有：

式中，（x₀,y₀,z₀）是中轴线上一点坐标，(a,b,c)是中轴线的方向矢量，R 是圆柱面的半径。

通过对得到相关参数的分析，可实现对砂轮修整质量的评价。

Claims

1.一种砂轮修整质量检测与评价方法，其特征在于，检测系统主要包括：被测砂轮（1）、固定胶带（2）、开有矩形通孔的弹性透明塑料薄片（3）、反光标记点（4）、手持式扫描仪（5）、电源数据线（6）和计算机（7）;

在弹性透明塑料薄片矩形通孔周边贴有一定数量的反光标记点（4）；透明塑料薄片的两端是用固定胶带（2）粘贴固定在被测砂轮（1）表面上，且保证透明塑料薄片矩形通孔长边沿被测砂轮（1）表面的圆周方向；手持式扫描仪（5）通过电源数据线（6）与计算机（7）相连;

砂轮修整质量检测与评价方法主要步骤有：

步骤1: 选取评定表面,在修整后砂轮工作面上，选取一定弧长的面积作为评定表面区域；用固定胶带（2）将带有反光标记点（4）的弹性透明塑料薄片（3）粘贴固定在所选取的评定表面上;

步骤2: 点云数据采集与数据处理,利用手持式扫描仪（5）对弹性透明塑料薄片矩形通孔露出的砂轮工作面进行三维数据采集，直到数据采集完备，计算机（7）得到修整后砂轮工作面的三维数据 A₀；计算机对三维数据 A₀进行分析处理，剔除数据 A₀中的奇异点（奇异点的特征在于相比于正常点来说奇异点与其他点离得较远）;

然后，利用空间点插值方法对剔除的数据点进行补充处理，得到数据处理后的砂轮工作面三维数据组A₁ ;

步骤3: 获取中心面,根据数据处理后的砂轮工作面三维数据组 A₁，利用最小二乘法方法求得三维数据组A₁ 的中心面S_面 ;

步骤4: 砂轮修整质量评价参数获取,利用数据处理后的砂轮工作面三维数据组 A₁和中心面S_面，根据需要求得评价砂轮修整质量的相关参数（如：砂轮磨粒等高性、砂轮表面粗糙度等）;

通过对得到相关参数的分析，实现对砂轮修整质量的评价。