一种磨削过程快速精密对刀装置及其对刀方法与流程

本发明涉及一种磨削过程快速精密对刀装置及方法，属于精密、高效、高质量磨削领域。

背景技术：

具有深孔薄壁结构的套筒和作动筒等是构成飞机起落架振动缓冲单元和收放运动单元的重要支撑件和液压运动件，是飞机起落架的核心部件。飞机起落架作为飞机在地面停放、起飞滑行、降落着陆时的主要承力运动部件，承担着支撑飞机重力、缓冲飞机起飞和降落过程中与地面的巨大冲击载荷的重要任务，是现代飞机不可缺少的关键部件。为保证飞机起落架高可靠、高质量的使用性能，防止起落架在使用过程中出现高压油泄露或运动件卡死等故障，对用于起落架的套筒和作动筒等深孔薄壁结构件的内孔加工精度和表面质量提出了较高的要求。

目前，该类零件主要采用普通手动式深孔磨床或普通数控深孔磨床进行精密磨削加工。由于该套筒和作动筒等深孔薄壁类零件具有孔径小(小于100mm)、深径比大(深径比超过10:1)、壁薄(小于5mm)，且内部结构复杂，包括多个阶梯孔和过度圆弧及台阶面等特征。磨削过程需要根据工件内表面结构设计要求进行分段磨削，对于每一段的磨削加工，又需要根据磨削后的测量结果重新进行对刀，并反复修磨，通过测量再修磨再测量的方式，来严格保证工件的内孔加工精度和表面质量。同时，为保证该类零件所需要的强度，套筒、作动筒等运动承力部件通常采用超高强度钢等难加工材料加工而成，造成磨削过程中砂轮堵塞和磨损严重，需要反复进行砂轮修整或更换砂轮，然后重新进行对刀后再进行磨削加工。整个磨削过程中需要频繁的进行砂轮对刀。

当前该类零件的精密磨削加工主要是采用人工对刀，依靠操作者的经验和听觉分辨磨削过程中砂轮与工件接触时产生的磨削声音进行砂轮对刀。由于该类零件磨削用磨杆为细长结构，刚性差，当磨削深度较大时，磨杆易振动失稳，造成工件报废或磨杆损坏，甚至引发安全事故，故对刀过程需十分细心，缓慢操作，且该方法对刀精度和效率低下，产品质量不稳定，废品率高，对操作者技术要求极高，劳动强度大，对刀过程十分危险。

针对上述存在的问题，需要寻找一种适用于该类复杂深孔零件磨削过程的快速精密对刀装置及方法。

目前国内外对砂轮磨削过程的对刀方法开展了大量的研究工作。除人工对刀外，主要还包括对刀仪对刀、阻力对刀、导电对刀和声发射对刀等方法。其中对刀仪对刀、阻力对刀和导电对刀均很难满足该类零件的对刀要求，且对刀精度较低；现已报道的声发射对刀，通过监测砂轮与工件接触发出的声发射信号，判断砂轮与工件接触，能获得较高的对刀精度，但由于存在系统延时，砂轮与工件接触后将继续保持原有的接近速度向工件靠近，如此时砂轮接近工件速度较快，导致砂轮切深较大，对于此类细长、刚性较差的磨杆，易引发振动失稳造成安全事故，若接近速度较慢，由于砂轮到工件的距离很难控制，当距离较大时，将大大延长对刀时间，导致对刀效率低下，且对于此类深孔件对刀十分危险，工人劳动强度大，当砂轮到工件的距离较小时，距离控制不当将增加对刀风险；况且，目前已报道的声发射对刀技术主要是采用表面接触式声发射传感器，不能直接用于检测该类旋转式运动物体的声发射信号，其安装不便，声发射信号传播途径复杂，传播过程中信号能量衰减大，干扰信号多。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种对刀精度高、对刀效率高、操作简单、劳动强度小、对刀过程安全的磨削过程快速精密对刀装置及其对刀方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种磨削过程快速精密对刀装置，包括位置检测模块、声发射检测系统和测量与可视系统；

所述的位置检测模块包括支座、光电发射器和光电接收器；所述的光电发射器和光电接收器分别固定在支座上；所述的位置检测模块通过螺栓固定在Z轴工作台上；

所述的声发射检测系统包括流体声发射传感器、信号放大器、控制与显示单元、夹持器、声发射传感器支座、流量计、稳压阀和水泵；

所述的控制与显示单元通过导线C和导线B分别连接到位置检测模块和开关式接触检测模块；

所述的控制与显示单元经信号放大器通过信号线与流体声发射传感器连接；所述的流体声发射传感器通过管道经流量计、稳压阀和水泵连接到水箱；所述的流体声发射传感器安装在声发射传感器支座上的夹持器上，夹持器具有在声发射传感器支座上进行上下前后位置调节的功能；所述的声发射传感器支座固定在Z轴工作台上；

所述的测量与可视系统包括测量模块和可视模块；所述的测量模块由开关式传感器和测针组成，所述的测针通过内六角螺钉与开关式传感器连接；所述的可视模块由工业内窥镜和显示器组成，所述的工业内窥镜通过导线A与显示器连接；所述的测量模块和可视模块共同集成在测杆上；所述的测杆通过胀紧套夹紧固定在X轴工作台上。

进一步地，所述的声发射传感器支座通过强力磁铁固定在Z轴工作台上。

进一步地，所述的工业内窥镜通过柔性可调支架夹持固定，柔性可调支架和开关式传感器分别通过螺母C和螺钉固定在铜头上，铜头通过螺纹和测杆紧固连接；所述的工业内窥镜的角度和位置通过柔性可调支架进行调整；所述的测针绕内六角螺钉旋转任意角度。

一种磨削过程快速精密对刀装置的对刀方法，包括以下步骤：

A、将位置检测模块、开关式接触检测模块、工业内窥镜、显示器、流体声发射传感器、测杆和砂轮按照要求安装固定；调整测针的球头与砂轮中心等高；

B、控制机床的X轴工作台和Z轴工作台使测针的球头快速移动至光电发射器和光电接收器之间，当位置检测模块检测到信号时，记录此时机床光栅坐标值(X1,Z1)，X1和Z1分别为光电发射器检测到测针的球头时，测针的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值；

C、启动砂轮至工作转速，控制机床的X轴工作台和Z轴工作台使砂轮移动至光电发射器和光电接收器之间，当位置检测模块检测到信号时，记录此时机床光栅坐标值(X2,Z2)，X2和Z2分别为光发射感器检测到砂轮外圆和砂轮头部前端面时，砂轮在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值；

D、快速移动机床的X轴工作台和Z轴工作台，并通过工业内窥镜观查测针的球头位置，使测针的球头快速靠近目标磨削位置，当测针的球头接触工件时，将发出脉冲信号，记录此时测针的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X3,Z3)；

E、根据步骤B中得到的测针的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X1,Z1)和步骤C中得到的砂轮在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X2,Z2)，计算得到砂轮与测针的球头之间的相对位置关系：

ΔX＝X2-X1

ΔZ＝Z2-Z1

并根据步骤D中得到的机床光栅坐标值(X3,Z3)，得到砂轮的目标对刀位置的坐标位置：

X4＝X3+ΔX+Δ1

Z4＝Z3+ΔZ+Δ2

其中：Δ1为X方向的安全余量，Δ2为Z方向的安全余量；

F、控制机床的X轴工作台和Z轴工作台使砂轮快速移动至目标对刀位置(X4，Z4)，切换至缓慢移动，并通过流体声发射传感器监测砂轮与工件之间的接触状态，当砂轮与工件接触时，砂轮与工件的摩擦以及工件材料去除产生瞬态弹性波即声发射信号，通过流体声发射传感器检测砂轮与工件接触时的声发射信号，完成砂轮与工件的精密对刀。

进一步地，步骤E所述的X方向的安全余量Δ1取值范围为0.20～0.50mm；Z方向的安全余量Δ2取值范围为0.15～0.30mm。

与现有技术比较，本发明具有以下优点：

1、本发明通过运用测杆测针的球头与砂轮之间相对固定的物理关系，实现砂轮与被加工工件之间的快速粗定位，然后采用流体声发射技术进行精密对刀，能快速实现砂轮的精密对刀，该过程中，运用测杆上加装的工业内窥镜，可以通过显示器实时观查测针的球头和工件内表面的相对位置关系，易实现测针的球头的快速精密定位，能很好的适用于内表面形状十分复杂的工件对刀，例如内表面存在多个阶梯孔和过度圆弧的复杂内腔，通过可视模块能方便快捷的找到阶梯孔或圆弧位置，实现快速定位。

2、本发明使得复杂内孔的对刀过程可视化，并巧妙的将对刀过程拆分为粗对刀和精密对刀两个步骤，其安全性和可靠性高，可操作性强，对操作者的技术要求较低，极大的减轻了工人劳动强度，易于实现自动化加工。

3、本发明通过改进后亦可运用于单磨杆机床的精密对刀，其实用性和通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例的快速精密对刀装置及其布局示意图。

图2为本发明实施例的测量与可视系统安装示意图。

图3为本发明实施例的位置检测模块示意图。

图4为本发明实施例的声发射夹持装置示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为本发明实施例的快速精密对刀方法流程图。

图中：1、X轴工作台，2、测杆，3、磨杆，4、位置检测模块，5、中心架，6、工业内窥镜，7、开关式接触检测模块，8、砂轮，9、信号线，10、流体声发射传感器，11、管道，12、工件，13、三爪卡盘，14、Z轴工作台，15、床身，16、支座，17、光电发射器，18、光电接收器，19、夹持器，20、螺母A，21、螺母B，22、声发射传感器支座，23、铜头，24、柔性可调支架，25、开关式传感器，26、测针，27、导线A，28、导线B，29、导线C，30、螺母，31、螺钉，32、内六角螺钉，33、U型槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。如图1-4所示，一种磨削过程快速精密对刀装置，包括位置检测模块4、声发射检测系统和测量与可视系统；

所述的位置检测模块4包括支座16、光电发射器17和光电接收器18；所述的光电发射器17和光电接收器18分别固定在支座16上；所述的位置检测模块4通过螺栓固定在Z轴工作台14上；

所述的声发射检测系统包括流体声发射传感器10、信号放大器、控制与显示单元、夹持器19、声发射传感器支座22、流量计、稳压阀和水泵；

所述的控制与显示单元通过导线C29和导线B28分别连接到位置检测模块4和开关式接触检测模块7；

所述的控制与显示单元经信号放大器通过信号线9与流体声发射传感器10连接；所述的流体声发射传感器10通过管道11经流量计、稳压阀和水泵连接到水箱；所述的流体声发射传感器10安装在夹持器19上，夹持器19通过尾端长螺杆及螺母A20和螺母B21锁紧固定在声发射传感器支座22上的U型槽33处，通过调整夹持器19在声发射传感器支座22的U型槽33上固定的前后和上下位置，调整声发射传感器10相对工件12的前后和上下位置；所述的声发射传感器支座22固定在Z轴工作台14上；

所述的测量与可视系统包括测量模块和可视模块；所述的测量模块由开关式传感器25和测针26组成，所述的测针26通过内六角螺钉32与开关式传感器25连接；所述的可视模块由工业内窥镜6和显示器组成，所述的工业内窥镜6通过导线A27与显示器连接；所述的测量模块和可视模块共同集成在测杆2上；所述的测杆2通过胀紧套夹紧固定在X轴工作台1上。

进一步地，所述的声发射传感器支座22通过强力磁铁固定在Z轴工作台14上。

进一步地，所述的工业内窥镜6通过柔性可调支架24夹持固定，柔性可调支架24和开关式传感器25分别通过螺母C30和螺钉31固定在铜头23上，铜头23通过螺纹和测杆2紧固连接；所述的工业内窥镜6的角度和位置通过柔性可调支架24进行调整；所述的测针26绕内六角螺钉32旋转任意角度。

本发明的工作原理如下：

位置检测模块4将接收到的信号传输给控制与显示单元。

水泵将水箱中的水泵出，流经稳压阀和流量计后，进入流体声发射传感器10，并通过流体声发射传感器10喷射在被测工件12上，声发射信号通过流体声发射传感器10喷洒在工件12上的流体传播回流体声发射传感器10，流体声发射传感器10将接受到的信号输出到信号放大器，信号经放大器处理后传输至控制与显示单元，组成完整的声发射检测系统。

测量系统的测针26与开关式接触检测模块7相连，工业内窥镜6通过柔性可调支架24进行夹持，开关式接触检测模块7和柔性可调支架24分别固定在铜头23上，铜头23与测杆2前端相连。通过柔性可调支架24可以灵活调整工业内窥镜6的照射位置，并在显示器上获得清晰的图像。

如图5所示，一种磨削过程快速精密对刀装置的对刀方法，包括以下步骤：

A、将位置检测模块4、开关式接触检测模块7、工业内窥镜6、显示器、流体声发射传感器10、测杆2和砂轮8按照要求安装固定；调整测针26的球头与砂轮8中心等高；

B、控制机床的X轴工作台1和Z轴工作台14使测针26的球头快速移动至光电发射器17和光电接收器18之间，当位置检测模块4检测到信号时，记录此时机床光栅坐标值(X1,Z1)，X1和Z1分别为光电发射器17检测到测针26的球头时，测针26的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值；

C、启动砂轮8至工作转速，控制机床的X轴工作台1和Z轴工作台14使砂轮8移动至光电发射器17和光电接收器18之间，当位置检测模块4检测到信号时，记录此时机床光栅坐标值(X2,Z2)，X2和Z2分别为光发射感器检测到砂轮8的外圆和砂轮8的头部前端面时，砂轮8在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值；

D、快速移动机床的X轴工作台1和Z轴工作台14，并通过工业内窥镜6观查测针26的球头位置，使测针26的球头快速靠近目标磨削位置，当测针26的球头接触工件12时，将发出脉冲信号，记录此时测针26的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X3,Z3)；

E、根据步骤B中得到的测针26的球头在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X1,Z1)和步骤C中得到的砂轮8在机床坐标系中的X方向和Z方向的坐标值(X2,Z2)，计算得到砂轮8与测针26的球头之间的相对位置关系：

ΔX＝X2-X1

ΔZ＝Z2-Z1

并根据步骤D中得到的机床光栅坐标值(X3,Z3)，得到砂轮8的目标对刀位置的坐标位置：

X4＝X3+ΔX+Δ1

Z4＝Z3+ΔZ+Δ2

其中：Δ1为X方向的安全余量，Δ2为Z方向的安全余量；

F、控制机床的X轴工作台1和Z轴工作台14使砂轮8快速移动至目标对刀位置(X4，Z4)，切换至缓慢移动，并通过流体声发射传感器10监测砂轮8与工件12之间的接触状态，当砂轮8与工件12接触时，砂轮8与工件12的摩擦以及工件12材料去除产生瞬态弹性波即声发射信号，通过流体声发射传感器10检测砂轮8与工件12接触时的声发射信号，完成砂轮8与工件12的精密对刀。

进一步地，步骤E所述的X方向的安全余量Δ1取值范围为0.20～0.50mm；Z方向的安全余量Δ2取值范围为0.15～0.30mm。

本发明的实施例如下：

如图1至图4所示，一种磨削过程快速精密对刀装置主要包括位置检测模块4、测杆2、工业内窥镜6、显示器、开关式接触检测模块7、流体声发射传感器10、信号放大器、控制与显示单元、流量计、稳压阀、水泵、水箱、支座16、光电发射器17和光电接收器18。

X轴工作台1和Z轴工作台14位于机床床身15上，X轴工作台1可沿床身15的X轴方向运动，Z轴工作台14可沿床身15的Z轴方向运动。

磨杆3和测杆2分别通过胀紧套夹紧固定在X轴工作台1上，砂轮8安装在磨杆3上，测量与可视系统集成安装在测杆2上。如图2所示，测量与可视系统主要包括工业内窥镜6、开关式传感器25、测针26、铜头23和柔性可调支架24，工业内窥镜6通过柔性可调支架24夹持固定，测针26通过内六角螺钉32固定在开关式传感器25上，柔性可调支架24和开关式传感器25分别通过螺母C30和螺钉31固定在铜头23上，铜头23通过螺纹和测杆2紧固连接，工业内窥镜6的角度和位置可通过柔性可调支架24进行调整，测针26可绕内六角螺钉32任意旋转。工业内窥镜6采集的图像信息通过导线A27连接至显示器进行观测，测针26和开关式传感器25组成开关式接触检测模块7，开关式接触检测模块7采集到的信号通过导线B28连接至控制与显示单元，通过控制与显示单元可以观测开关式接触检测模块7的工作状态。

细长薄壁工件12通过Z轴工作台14上的三爪卡盘13和中心架5固定支撑；位置检测模块4通过螺栓固定在Z轴工作台14上，如图3所示，位置检测模块4由支座16、光电发射器17和光电接收器18组成，其中支座16通过螺栓固定在Z轴工作台14上，位置检测模块4采集的信号通过导线C29连接至控制与显示单元，控制与显示单元可以对位置检测模块4采集的信号进行监测和显示；

如图4所示，流体声发射传感器10安装在夹持器19上，夹持器19通过螺母A20和螺母B21固定在声发射传感器支座22上，声发传感器支架设计有U型槽，通过调整螺母A20和螺母B21的锁紧位置，可以调整声发射传感器在水平面内的前后位置和在竖直面内的上下位置，声发射传感器支座22通过强力磁铁固定在Z轴工作台14上。

水泵将液体从水箱中泵出经稳压阀和流量计后，通过管道11流入流体声发射传感器10，声发射传感器采集的声信号通过信号线9连接至信号放大器，声信号经信号放大器处理后接入控制与显示单元，控制与显示单元可以实时显示采集到的声发射波形，并对波形进行处理，用于判断砂轮8与工件12接触状态。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。