本发明涉及一种带表面颤振监测的气压砂轮。
背景技术：
气压砂轮柔性磨削是指由柔性控制的空心半球基体进行磨削加工。其中空心半球体由橡胶构成，表面通过高分子粘结剂固结一层有一定厚度的磨粒，砂轮整体的柔性可以通过空心半球内部气压在线控制。相对传统刚性砂轮的刚性磨削和柔性工具的抛光加工，气压砂轮柔性磨削可以根据工件局部曲率的变化进行气压控制，从而实现工具与工件曲面大面积仿形接触的高效软磨削加工，并且可以精确控制砂轮对表面确定位置的材料去除量，获得高精密几何形态和高品质表面效果。气压砂轮磨削方法在面向在自由曲面精密加工中具有突出的技术特色和优势。
由于所接触工件表面的局部曲率的变化将导致气压砂轮表面的变形，从而导致接触面积和接触力的变化，这一点对磨削颤振是一个重要影响因素，无论是颤振机理研究还是软磨削过程稳定控制都需要获取相关信息。所以，要实现高品质的高硬度自由曲面柔性磨削，需要设计一种能够检测变形量及表面颤振的气压砂轮。
技术实现要素：
为了解决现有柔性磨削工具无法感知气压砂轮工具和表面磨粒层的宏观颤振行为和颤振信号，导致加工后的表面精度和质量不可控的问题，本发明提出了一种可以及时地获取砂轮变形量和表面颤振信息，确定气压砂轮的弯曲部位及变形大小的带表面颤振监测的气压砂轮。
本发明所述的带表面颤振监测的气压砂轮，其特征在于：包括用于磨削工件的柔性磨削工具、用于测定磨削工具变形量及表面颤振的附着有导电应变片的橡胶层、信号发射板和控制器，所述柔性磨削工具包括由空压机供气的绝缘气压砂轮、安装支座、磨粒层和旋转轴，所述气压砂轮为上端敞口的空心半球型结构，所述气压砂轮的半球形外表面作为工作表面，所述气压砂轮的工作表面粘附磨粒层；所述安装支座包括上端安装部、中部密封盖以及伸入所述气压砂轮内腔的下端支撑部，所述上端安装部与带动气压砂轮运动的旋转轴固接，所述中部密封盖覆盖在所述气压砂轮上端敞口处，并与之固接形成封闭的半球形腔；
所述橡胶层分为上、下两层，每层以圆周阵列形式阵列有多个应变片，两个橡胶层固接，下层的橡胶层贴覆在气压砂轮底部内表面的测试区；两层橡胶层其上贴覆的应变片形成电极。
所述信号发射板包括数据传输模块、无线发射器以及多个电流传感器，所述数据传输模块、所述无线发射器安装在安装支座的中部密封盖上，所述传感器分布在所述下端支撑部的空腔内，所述传感器的信号输入端与应变片引线电连，所述传感器的信号输出端与所述数据传输模块的信号输入端电连，所述数据传输模块的信号输出端与所述无线发射器的信号输入端电连，并且所述数据传输模块的供电端、所述无线发射器的供电端通过供电电路与外界电源电连；
所述控制器包括运算放大器、无线接受器和显示屏，所述无线接收器的信号输入端与所述无线发射器的信号输出端信号连接，所述的无线发射器的信号输出端与所述运算放大器的信号输入端电连，所述运算放大器的信号输出端与显示屏电连。
每层橡胶层的电极都成圆周排列，覆盖面积占气压砂轮内表面总面积的30％。
所述安装支座的上端安装部与所述中部密封盖一体成型，所述中部密封盖通过螺栓与所述下端支撑部固接。
所述下端支撑部为空心的半球形结构，并且所述下端支撑部的球心与所述气压砂轮的球心重合，所述下端支撑部上分布多个用于给气囊供气通孔，所述下端支撑部的弧形表面与所述气压砂轮的弧形内表面之间留有均匀的间隙。
所述无线发射器以及所述无线接收器均为蓝牙设备。
本发明的工作原理：因为在气压砂轮基体内表面贴敷附着有导电应变片的橡胶，首先，当气压砂轮加工表面曲率发生变化时，气压砂轮局部弯曲变形导致受力状态的变化，由于应变片的电阻值R(F)与其所受外力F之间满足二次项关系，关系如下式：
R(F)＝R0+AF+BF2 (1)
其中，A,B为(1)式子的两个系数，其具体计算方式见(2)、(3)式；l0为导电橡胶初始长度，其理想条件下满足胡克定律(单位为：m)，k1为弹性系数(单位为：N/m)，k2为比例系数，R0为导电橡胶未变形的电阻值(单位为：Ω)，为有效隧道势垒(单位为：m)，h为约化普朗克常数，m为电子质量(单位为：kg)；x为方便表述引入的参数，并没有实际含义。
砂轮的受力变化造成导电橡胶层受力的变化，上下两层电极之间导电橡胶在变形局部应变片的电阻值随之发生变化；信号发生变化，传感器接收到信号，传输到信号发射板上，在信号发射板上产生变化的电信号，该信号通过蓝牙无线传输给控制器；控制器通过蓝牙接受到信息，采取运算放大器，通过扫描法得到敏感单元阵列电极间“节点电阻”的变化数据，从而确定气压砂轮的弯曲部位及变形大小。
由于气压砂轮接触变形具有一定的规律性，该规律性呈非线性特征。因此，可通过人工神经网络方法，建立敏感单元阵列的导电状态与气压砂轮弯曲位置及表面变形量的定量关系映射模型。本项目拟通过RBF神经网络(径向基神经网络)建立该定量关系映射模型，并通过基于改进的GGAP-RBF算法(Generalized growing and pruning RBF)来增加或删减神经元，优化神经网络结构。
敏感单元阵列整体各个接触电阻变化反映接触区的变形情况，单个节点接触电阻的周期变化则可以反映接触区局部颤振的情况，因此，导电橡胶敏感单元阵列可以同时得到接触区的变形与局部颤振信息。为提高信息实时处理速度，设计专用的基于数字信号处理DSP的信息处理电路，使信息可实时应用于气压砂轮软磨削加工系统，配合完成颤振信号的进一步处理。
本发明的有益效果在于：针对气压砂轮柔性磨削的颤振机理研究和高品质的高硬度曲面柔性磨削的需求，设计了附着有导电应变片的橡胶的可以检测砂轮变形量及表面颤振的气压砂轮。该套装置可适用于针对气压砂轮柔性磨削变形量及表面颤振信息的采集，并可根据表面曲率的变化得到反馈信息，让控制系统第一时间得到接触区的变形与局部颤振信息，从而对砂轮进行控制，达到更好的加工效果。该装置的设计可为该发明可为柔性磨削的表面变形和颤振检测提供方法。
附图说明
图1是本发明的结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的带表面颤振监测的气压砂轮，包括用于磨削工件的柔性磨削工具1、用于测定磨削工具变形量及表面颤振的附着有导电应变片的橡胶2、信号发射板3和控制器4，所述柔性磨削工具1包括由空压机供气的绝缘气压砂轮11、安装支座12、磨粒层13和旋转轴14，所述气压砂轮11为上端敞口的空心半球型结构，所述气压砂轮11的半球形外表面作为工作表面，所述气压砂轮11的工作表面粘附磨粒12；所述安装支座12包括上端安装部121、中部密封盖122以及伸入所述气压砂轮内腔的下端支撑部123，所述上端安装部121与带动气压砂轮11运动的旋转轴固接，所述中部密封盖122覆盖在所述气压砂轮11上端敞口处，并与之固接形成封闭的半球形腔；
所述橡胶层2分为上、下两层(21、22)，每层以圆周阵列形式阵列有多个应变片(23)，两个橡胶层固接，下层的橡胶层22贴覆在气压砂轮11底部内表面的测试区；两层橡胶层以及其上贴覆的应变片形成电极。
所述信号发射板3包括数据传输模块、无线发射器以及多个电流传感器31，所述数据传输模块、所述无线发射器安装在安装支座的中部密封盖上，所述传感器31分布在所述下端支撑部的空腔内，所述传感器31的信号输入端与附着有导电应变片的橡胶的应变片2的电极引线电连，所述传感器31的信号输出端与所述数据传输模块的信号输入端电连，所述数据传输模块的信号输出端与所述无线发射器的信号输入端电连，并且所述数据传输模块的供电端、所述无线发射器的供电端通过供电电路与外界电源电连；
所述控制器4包括运算放大器、无线接受器和显示屏，所述无线接收器的信号输入端与所述无线发射器的信号输出端信号连接，所述的无线发射器的信号输出端与所述运算放大器的信号输入端电连，所述运算放大器的信号输出端与显示屏电连。
每层橡胶层的电极都成圆周排列，覆盖面积占气压砂轮内表面总面积的30％。
所述安装支座12的上端安装部121与所述中部密封盖122一体成型，所述中部密封盖122通过螺栓与所述下端支撑部123固接。
所述下端支撑部123为空心的半球形结构，并且所述下端支撑部123的球心与所述气压砂轮11的球心重合，所述下端支撑部123上分布多个通孔，所述通空用于给气囊供气，所述下端支撑部123的弧形表面与所述气压砂轮11的弧形内表面之间留有均匀的间隙。
所述无线发射器以及所述无线接收器均为蓝牙设备。
本发明的工作原理：因为在气压砂轮基体内表面贴敷导电橡胶敏感单元阵列，首先，当气压砂轮加工表面曲率发生变化时，气压砂轮局部弯曲变形导致受力状态的变化，由于应变片的电阻值R(F)与其所受外力F之间满足二次项关系，关系如下式：
R(F)＝R0+AF+BF2 (1)
其中，A,B为(1)式子的两个系数，其具体计算方式见(2)、(3)式。l0为导电橡胶初始长度，其理想条件下满足胡克定律(单位为：m)，k1为弹性系数(单位为：N/m)，k2为比例系数，R0为导电橡胶未变形的电阻值(单位为：Ω)，为有效隧道势垒(单位为：m)，h为约化普朗克常数，m为电子质量(单位为：kg)；x为方便表述引入的参数，并没有实际含义。
砂轮的受力变化造成导电橡胶层受力的变化，上下两层电极之间导电橡胶在变形局部的“节点电阻”随之发生变化；信号发生变化，传感器接收到信号，传输到信号发射板上，在信号发射板上产生变化的电信号，该信号通过蓝牙无线传输给控制器；控制器通过蓝牙接受到信息，采取运算放大器，通过扫描法得到敏感单元阵列电极间“节点电阻”的变化数据，从而确定气压砂轮的弯曲部位及变形大小。
由于气压砂轮接触变形具有一定的规律性，该规律性呈非线性特征。因此，可通过人工神经网络方法，建立敏感单元阵列的导电状态与气压砂轮弯曲位置及表面变形量的定量关系映射模型。本项目拟通过RBF神经网络(径向基神经网络)建立该定量关系映射模型，并通过基于改进的GGAP-RBF算法(Generalized growing and pruning RBF)来增加或删减神经元，优化神经网络结构。
敏感单元阵列整体各个接触电阻变化反映接触区的变形情况，单个节点接触电阻的周期变化则可以反映接触区局部颤振的情况，因此，导电橡胶敏感单元阵列可以同时得到接触区的变形与局部颤振信息。为提高信息实时处理速度，设计专用的基于数字信号处理DSP的信息处理电路，使信息可实时应用于气压砂轮软磨削加工系统，配合完成颤振信号的进一步处理。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。