一种固结磨具硬度检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及光学超精密磨削/研磨加工技术领域，更具体的说是涉及一种固结磨具硬度检测装置及其检测方法。

背景技术：

在光学元件超精密磨削加工过程中，采用超硬磨料固结磨具，如金刚石砂轮，实现复杂曲面光学元件的成形加工，具有材料去除速率快、成形精度高等优点。但是，固结磨具的硬度，即磨料从磨具表面脱落的难易程度，对元件的加工质量，尤其是亚表面缺陷质量存在重要的影响。磨具硬度太低，磨料容易从磨具表面脱落成为游离颗粒，在磨削力的作用下被挤入光学元件表面，形成深裂纹缺陷；同时也导致磨具磨损严重，增加制造成本。磨具硬度太高，加工过程中磨具的自锐效果不明显，磨具表面气孔堵塞严重，会使磨削力急剧增加，除了影响成形精度外，也会使元件亚表面缺陷层深度增大。因此，在光学元件超精密磨削加工之前，使用相应的技术手段准确测量磨具的硬度，并根据具体工艺条件选取合适硬度的磨具，对提高光学元件的加工精度与表面质量，降低制造成本，具有重要的工程应用价值。

我国国家标准gb/t2490-2007提供了两种检测粒度范围在f36-f1200之间的陶瓷结合剂和树脂结合剂固结磨具硬度的方法。第一种方法采用喷砂硬度机，使用一定压强的压缩空气，将一定粒度的石英石高压喷至磨具表面，然后测量磨具表面被石英砂冲击产生的凹坑深度来获得磨具的硬度。该方法操作简单，但在光学超精密加工现场，石英砂颗粒极大地降低环境的洁净度，影响元件的加工质量。第二种方法采用洛氏硬度计，在一定的载荷下，使用球形压头在磨具表面静态印压出一个凹坑，通过测量凹坑深度来反映磨具的硬度。该方法得到的是磨具表面结合剂的静态硬度，不能准确表面磨料从磨具表面脱落的难易程度。

采用纳米压痕仪在磨具表面进行划痕实验，可以准确获得磨具的硬度。但该方法需要价格高昂的纳米压痕仪，并且光学加工现场的高湿度环境也不适合纳米压痕仪的长期使用，因此该方法也难以实现磨具硬度的在位测量。

中国专利cn101183062a公开了一种半固着磨粒磨具硬度的检测方法。该方法使用邵氏硬度计，在保持压足与磨具表面平行时，将压针垂直压入磨具表面，保持压足与磨具完全接触后1s内读取硬度计的读数，即可获得磨具的硬度值。同样，该方法测量得到的是磨具表面结合剂的静态硬度，不能完全表面磨粒从磨具表面脱落的难易程度。

中国专利cn203732382u公开了一种敲击法砂轮硬度检测系统，使用敲击器敲击砂轮后，通过粘接在砂轮上的振动传感器，获得砂轮受击振动的模态信息，间接反映砂轮的硬度。刘芳、焦金旭(参考文献：刘芳，焦金旭.基于声学原理陶瓷砂轮硬度表征方法的探讨[j],中原工学院学报,2014,25(3):33-37)通过敲击砂轮并采集砂轮的声信号，提取特征参数降噪处理后得到相对纯净的砂轮振动波形，以此间接反映砂轮的硬度。该两种方法均采用物理信号间接测量磨具的硬度，不能直观表征磨粒从磨具表面脱落的难易程度。

中国专利cn204330511u和cn206095841u均采用喷砂的方法来测量磨具的硬度，同样也不适合光学加工现场高洁净环境的要求。

因此，如何提供一种能够应用到光学超精密加工现场直接、准确测量磨具硬度的装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种固结磨具硬度检测装置，解决了上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种固结磨具硬度检测装置，包括：

基座，基座上具有贯穿的操作空间；基座底部远离操作空间的位置安装有可升降高度支腿；

水平推动机构，水平推动机构安装于基座顶部，且不覆盖操作空间；

下压推动机构，下压推动机构竖直布置，可滑动于水平推动机构上，且其底部延伸至操作空间内；

压头，压头安装于下压推动机构底部，且位于操作空间内可沿竖直方向和水平方向上移动；

及控制器，控制器电性连接水平推动机构和下压推动机构。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种固结磨具硬度检测装置，由于本申请中通过可升降高度支腿能够调节基座的高低，使检测装置适应不同尺寸规格和表面形状的磨具；本申请控制器控制水平推动机构带动下压推动机构沿水平方向上移动，可以使压头对磨具表面进行均匀划刻，检测磨粒脱落的难易程度；控制器控制下压推动机构带动压头压入磨具表面，结构简单、控制方便、噪音小，适合在光学加工现场高洁净环境下应用；控制器通过内部程序控制推动器工作，控制精确，测量精度高。

其中，控制器为单片机，集成采集信号、分析及处理数据等功能。

优选地，基座为正三角形，三角形的稳定性好，为测试的精准度提供保证；其内部贯穿的操作空间可以为三角形、圆形、椭圆形、矩形等。

优选地，可升降高度支腿包括下部支腿、上部支腿、锁止片及调节环；

下部支腿上沿竖直方向上设置有第一矩形孔；且下部支腿的顶部外壁上设置有第一左旋螺纹；

上部支腿顶端与基座一体连接；其底部沿竖直方向设置有与第一矩形孔相同的第二矩形孔；且上部支腿的底部外壁上设置有第一右旋螺纹；

锁止片为矩形，其上部安装在第一矩形孔内，其底部安装在第二矩形孔内；

调节环的内壁上部具有第二右旋螺纹，下部具有第二左旋螺纹；第二右旋螺和第一右旋螺纹连接，第二左旋螺纹和第一左旋螺纹连接。

其中，上部支腿和下部支腿可以为圆柱形；采用此方案，由于调节环的内壁上部具有第二右旋螺纹，下部具有第二左旋螺纹；第二右旋螺和上部支腿的第一右旋螺纹连接，第二左旋螺纹和下部支腿的第一左旋螺纹连接；锁止片处于第一矩形孔和第二矩形孔内，防止上部支腿和下部支腿之间径向位移，因此调节环手动调节旋转时，锁止片限制了上部支腿和下部支腿的相对旋转运动，因调节环与上部支腿为右旋螺纹连接，调节环与下部支腿之间为左旋螺纹调节，因此旋转调节环时下部支腿会相对于上部支腿之间产生轴向相对移动，实现了高度的调节；使检测装置适合不同表面形状的磨具表面硬度检测。

下部支腿底部可以为平面也可以为球面，分别适用平面或曲面磨具的硬度测量。

优选地，水平推动机构包括安装板、水平滑轨、运动平台及水平推动器；

安装板固定在基座顶部，占基座顶部面积的一部分；

水平滑轨为两个相互平行且具有一定距离的支滑轨，通过安装板固定于一体，其底面与安装板底面平行且抵接基座顶部；

运动平台可滑动于水平滑轨上，且下压推动机构固定在运动平台上；

水平推动器固定在安装板上，其输出端通过连接件连接运动平台，并推动运动平台沿水平方向上移动；控制器电性连接水平推动器。

其中运动平台上开设有中心孔和螺纹孔；中心孔用于下压推动机构下部穿入，螺纹孔通过螺栓将下压推动机构固定于运动平台上，螺纹孔可以为4-6个，具体孔径根据下压推动机构尺寸规格选择；

两个支滑轨之间的距离用于下压推动机构下部伸入操作空间内。

优选地，水平推动机构还包括水平光栅尺和水平光栅读数头；

水平光栅尺安装在任一支滑轨侧，水平光栅读数头安装在运动平台对应水平光栅尺侧；水平光栅读数头与控制器电性连接。采用此方案，有利于水平光栅读数头将运动平台沿水平方向上运动位置坐标及运动距离发送至至控制器。

优选地，水平推动机构还包括水平仪，水平仪固定于运动平台上。采用此方案的效果为：保证调节支腿高度后，运动平台处于水平状态；有利的可以包括横向水平仪和纵向水平仪。

优选地，每一个支滑轨两侧分别安装有限位块。采用此方案的效果为防止运动平台移出导轨，起到限制出起始点和终点作用，保证运动平台带动下压推动机构处于操作空间内移动。

优选地，下压推动机构包括安装支架、下压轴、下压直线轴承、下压推动器、下压光栅尺及下压光栅读数头；

安装支架固定于运动平台上；

下压轴贯穿安装支架和运动平台且伸入操作空间内；其底部与压头之间为可拆卸连接；便于更换压头；

下压直线轴承顶部固定于运动平台底部，且与下压轴外圆周配合限制下压轴沿竖直方向运动；

下压推动器安装于安装支架顶部，其与下压轴顶部通过连接销可拆卸连接；且下压推动器与控制器电性连接；

下压光栅尺竖直固定于安装支架内侧；

光栅读数头安装于下压轴上与下压光栅尺位置对应；其中光栅读数头与控制器电性连接，获得在测量运动时下压轴的位置坐标。

其中，安装支架为类似n形，底部安装在运动平台上，顶部固定下压推动器；下压轴顶部穿入运动平台进入安装支架内，通过连接销与下压推动器输出端连接，下压轴下部中空通过侧向的锁紧螺栓将压头固定在下压轴底部；下压光栅尺安装在安装支架的内侧，下压光栅读数头位于下压轴上与下压光栅尺位置对应，下压光栅读数头将下压轴下压的距离反馈至控制器。

优选地，水平推动器和下压推动器均为气缸，气缸和外部压缩空气气源连通；方便控制。也可以选择液压活塞结构，与液压源连通。

优选地，每一个气缸上均设置有气压传感器；气压传感器与控制器电性连接；便于控制器收集气压大小，用于内部运算。

本发明还提供了一种固结磨具硬度检测方法，包括以下步骤：

s1、清洁、平整待测磨具表面；确保磨具表面无空间尺度在10d至10d的加工沟槽，其中d为磨具磨粒的粒度，d为压头尖端半径；具体为磨具表面沟槽的宽度不能在10d至10d范围内；磨具表面使用过滤水冲洗并晾干；

s2、将检测装置固定在s1中清洁、平整的磨具表面，确保检测装置和磨具表面无相对位移；并在下压轴上安装位移传感器，并将位移传感器与控制器连接；

其中，如需检测大规格磨具表面，将检测装置通过辅助工具固定在磨具表面；若其为曲面磨具可采用下部支腿为球形支腿，若为平面即采用下部支腿为平面的支腿进行检测；

如需检测小规格磨具表面，将磨具放置于检测装置下方即可；

s3、通过移动水平推动器和/或下压推动器带动s2中安装的位移传感器在磨具表面匀速移动，测量出磨具表面原始的轮廓f0，并发送至控制器；

s4、拆除位移传感器，安装压头；并将水平推动器和下压推动器均回至起始点位置，分别向水平推动器和下压推动器供压缩空气，使压头不接触磨具表面，并使压头进行水平匀速运动和竖向匀速运动，控制器接收气压传感器反馈的水平推动器内压缩空气压强pf0和下压推动器内压缩空气的压强pd0；

s5、然后分别向水平推动器和下压推动器供压缩空气，使压头在磨具表面均速划刻；控制器接收此时气压传感器发送的水平推动器内压缩空气的压强pf和下压推动器内压缩空气的压强pd；水平光栅读数头发送的压头水平移动的距离，下压光栅读数头发送的压头下压的距离f；控制器根据下述公式处理计算出磨具表面的硬度值；

式中h为被测磨具表面硬度，s为下压气缸活塞受力面积，pd为下压推动器下压时对应的压强，pf为水平推动器水平运动中对应的压强，f为压头下压的距离，f0为磨具表面原始轮廓，其中当被测磨具表面为平面时，f0＝0。

本发明还可以包括显示器，用于显示检测数据和计算结果，并能够累计显示检测多个同批磨具的均值，可用于磨具出厂一致性检测测量。

本申请同样可采用人工计算方式；将控制器替换为采集装置，各推动器采用人工控制开启或关闭；并记录测量的磨具表面原始轮廓f0、水平推动器压强pf、下压推动器压强pd、下压距离等参数，根据上述公式计算磨具表面硬度值。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的水平推动机构的结构示意图；

图3附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的下压推动机构的结构示意图；

图4附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的下部支腿的一个实施例的透视图；

图5附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的下部支腿的另一个实施例的透视图；

图6附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的锁止片的透视图；

图7附图为本发明提供的一种固结磨具硬度检测装置的控制原理框图。

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。

本发明实施例公开了一种固结磨具硬度检测装置，检测精度高，结构简单，适合光学加工现场高洁净环境下应用。

参见附图1，一种固结磨具硬度检测装置，包括：

基座1，基座1上具有贯穿的操作空间；基座1底部远离操作空间的位置安装有可升降高度支腿2；

水平推动机构3，水平推动机构3安装于基座1顶部，且不覆盖操作空间；

下压推动机构4，下压推动机构4竖直布置，可滑动于水平推动机构3上，且其底部延伸至操作空间内；

压头5，压头5安装于下压推动机构4底部，且位于操作空间内可沿竖直方向和水平方向上移动；

及控制器，控制器电性连接水平推动机构3和下压推动机构4。

本发明公开提供了一种固结磨具硬度检测装置，由于本申请中通过可升降高度支腿2能够调节基座1水平面高度，使检测装置适应不同尺寸规格和表面形状的磨具；本申请控制器控制水平推动机构3带动下压推动机构4沿水平方向上移动，可以使压头5对磨具表面进行均匀划刻，检测磨粒脱落的难易程度；控制器控制下压推动机构4带动压头5完成下压磨具表面，结构简单、控制方便、噪音小，适合在光学加工现场高洁净环境下应用；控制器通过内部程序控制推动器工作，控制精确，测量精度高。

其中，控制器为单片机，集成采集信号、处理数据等功能。

在本发明的一个实施例中，参见附图1，基座1为正三角形，三角形的稳定性好，为测试的精准度提供保证；其内部贯穿的操作空间可以为三角形、圆形、椭圆形、矩形等。

有利的是，可升降高度支腿2包括下部支腿21、上部支腿22、锁止片23及调节环24；

下部支腿21上沿竖直方向上设置有第一矩形孔；且下部支腿21的顶部外壁上设置有第一左旋螺纹；

上部支腿22顶端与基座1一体连接；其底部沿竖直方向设置有与第一矩形孔相同的第二矩形孔；且上部支腿22的底部外壁上设置有第一右旋螺纹；

参见图6，锁止片23为矩形，其上部安装在第一矩形孔内，其底部安装在第二矩形孔内；

调节环24的内壁上部具有第二右旋螺纹，下部具有第二左旋螺纹；第二右旋螺和第一右旋螺纹连接，第二左旋螺纹和第一左旋螺纹连接。

其中，上部支腿22和下部支腿21可以为圆柱形；由于调节环24的内壁上部具有第二右旋螺纹，下部具有第二左旋螺纹；第二右旋螺和上部支腿22的第一右旋螺纹连接，第二左旋螺纹和下部支腿21的第一左旋螺纹连接；锁止片23处于第一矩形孔和第二矩形孔内，防止上部支腿22和下部支腿21之间径向位移，因此调节环24手动调节旋转时，锁止片23限制了上部支腿22和下部支腿21的相对旋转运动，因调节环24与上部支腿22为右旋螺纹连接，调节环24与下部支腿21之间为左旋螺纹调节，因此旋转调节环24时下部支腿21会相对于上部支腿22之间产生轴向移动，实现了高度的调节；使检测装置适合不同厚度的磨具表面硬度检测。

参见附图4和5，下部支腿21底部可以为平面也可以为球面，分别适用平面或曲面磨具的硬度测量。

在本发明的一个实施例中，参见附图2，水平推动机构3包括安装板31、水平滑轨32、运动平台33及水平推动器34；

安装板31固定在基座1顶部，占基座1顶部面积的一部分；

水平滑轨32为两个相互平行且具有一定距离的支滑轨，通过安装板31固定于一体，其底面与安装板31底面平行且抵接基座1顶部；

运动平台33可滑动于水平滑轨32上，且下压推动机构4固定在运动平台33上；

水平推动器34固定在安装板31上，通过连接件(可以为连接销)连接运动平台33，并推动运动平台33沿水平方向上移动；控制器电性连接水平推动器34。

其中运动平台33上开设有中心孔和螺纹孔；中心孔用于下压推动机构4下部穿入，螺纹孔通过螺栓将下压推动机构4固定于运动平台33上，螺纹孔可以为4-6个，具体孔径根据下压推动机构4尺寸规格选择；

两个支滑轨之间的距离用于下压推动机构4下部伸入操作空间内。

有利的是，水平推动机构3还包括水平光栅尺35和水平光栅读数头36；

水平光栅尺35安装在任一支滑轨侧，水平光栅读数头36安装在运动平台33对应水平光栅尺35侧；水平光栅读数头36与控制器电性连接。采用此方案，有利于水平光栅读数头36将运动平台33沿水平方向上运动位置坐标及运动距离发送至控制器。

有利的是，水平推动机构3还包括水平仪，水平仪固定于运动平台33上。采用此方案的效果为：保证调节支腿高度后，基座1处于水平状态；有利的可以包括横向水平仪37和纵向水平仪38。

在本发明的另一个实施例中，每一个支滑轨两侧分别安装有限位块39。为防止运动平台33移出滑轨，起到限制出起始点和终点作用，保证运动平台33带动下压推动机构4处于操作空间内移动。

参见附图3，下压推动机构4包括安装支架41、下压轴42、下压直线轴承46、下压推动器43、下压光栅尺44及下压光栅读数头45；

安装支架41固定于运动平台33上；

下压轴42贯穿安装支架41和运动平台33且伸入操作空间内；其底部与压头5可拆卸连接；便于更换压头；

下压直线轴承46顶部固定于运动平台33底部，且与下压轴42外圆周配合限制下压轴42沿竖直方向运动，防止下压轴42发生偏移；

下压推动器43安装于安装支架41顶部，其与下压轴42顶部通过连接销可拆卸连接；且与控制器电性连接；

下压光栅尺44竖直固定于安装支架41内侧；

光栅读数头安装于下压轴42上与下压光栅尺44位置对应；其中下压光栅读数头45与控制器电性连接，获得在测量运动时下压轴42的位置坐标。

其中，安装支架41为类似n形，底部安装在运动平台33上，顶部固定下压推动器43；下压轴42顶部穿入运动平台33进入安装支架41内，通过连接销与下压推动器43输出端连接；下压光栅尺44安装在安装支架41的内侧，下压光栅读数头45位于下压轴42上与下压光栅尺44位置对应，下压光栅读数头45将下压轴42下压的距离反馈至控制器。

下压轴42底部中空，通过锁紧螺栓将压头5固定在下压轴42底部。

在本发明的另一些实施例中，水平推动器34和下压推动器43均为气缸，气缸和外部压缩空气气源连通；方便控制。

水平推动器34和下压推动器43也可以选择液压活塞结构，与液压源连通。

有利的是，每一个气缸上均设置有气压传感器；第一气压传感器(水平方向气缸)、第二气压传感器(下压方向气缸)均与控制器电性连接；便于控制器收集气压大小，用于内部运算。

本发明还提供了一种固结磨具硬度检测方法，包括以下步骤：

s1、清洁、平整待测磨具表面；确保磨具表面无空间尺度在10d至10d的加工沟槽，其中d为磨具磨粒的粒度，d为压头尖端半径；具体为磨具表面沟槽的宽度不能在10d至10d范围内；磨具表面使用过滤水冲洗并晾干；

s2、将检测装置固定在s1中清洁、平整的磨具表面，确保检测装置和磨具表面无相对位移；并在下压轴上安装位移传感器，并将位移传感器与控制器连接；

其中，如需检测大规格磨具表面，将检测装置通过辅助工具固定在磨具表面；若其为曲面磨具可采用下部支腿为球形支腿，若为平面即采用下部支腿为平面的支腿进行检测；

如需检测小规格磨具表面，将磨具放置于检测装置下方即可；

s3、通过移动水平推动器和/或下压推动器带动s2中安装的位移传感器在磨具表面匀速移动，测量出磨具表面原始的轮廓f0，并发送至控制器；

s4、拆除位移传感器，安装压头；并将水平推动器和下压推动器均回至起始点位置，分别向水平推动器和下压推动器供压缩空气，使压头不接触磨具表面，并使压头进行水平匀速运动和竖向匀速运动，控制器接收气压传感器反馈的水平推动器内压缩空气压强pf0和下压推动器内压缩空气的压强pd0；

s5、然后分别向水平推动器和下压推动器供压缩空气，使压头在磨具表面均速划刻；控制器接收此时气压传感器发送的水平推动器内压缩空气的压强pf和下压推动器内压缩空气的压强pd；水平光栅读数头发送的压头水平移动的距离，下压光栅读数头发送的压头下压的距离f；控制器根据下述公式处理计算出磨具表面的硬度值；

式中h为被测磨具表面硬度，s为下压气缸活塞受力面积，pd为下压推动器下压时对应的压强，pf为水平推动器水平运动中对应的压强，f为压头下压的距离，f0为磨具表面原始轮廓，其中当被测磨具表面为平面时，f0＝0。

本发明还可以包括显示器，用于显示检测数据和计算结果，并能够累计显示检测多个同批磨具的均值，可用于磨具出厂一致性检测测量。

本申请同样可采用人工计算方式；将控制器替换为采集装置，各推动器采用人工控制开启或关闭；并记录测量的磨具表面原始轮廓f0、水平推动器压强pf、下压推动器压强pd、下压距离等参数，根据上述公式计算磨具表面硬度值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。