航天惯性件双孔特征微细磨削温度测量装置的制作方法

本发明涉及了一种磨削温度测量装置，尤其是一种对航天惯性件的双孔微细磨削加工过程中所产生的磨削温度进行准确测量的装置。

背景技术

航天惯性件磨削加工双孔形成的关键特征是加工零件结构复杂，尺寸微小，且能量耗散在磨削区产生塑性变形，在微细磨削加工过程中，能量转换成热聚集在磨削接触区域，使砂轮或工件的温度以非常高的温度速率上升，根据材料的性质，过高的温度会引起工件表面的热损伤等一系列危害，使其产生塑性变形，影响零件精度。故而磨削温度是控制磨削加工过程后的零件表面质量的最重要因素之一，磨削温度极大地影响了机械加工零件经磨削加工后的表层的物理化学状态和尺寸形状的精度偏差。所以在磨削加工过程中需要把磨削温升限定在某一许可范围来保证控制磨削制件的质量。因此，非常有必要通过温度测试避免磨削热对零件表面的损伤，选择合理的温度测试方案，设计相应的测试系统，实现在加工过程中时刻检测零件的受热情况，通过设计合理的测试方案、测试及其他辅助机构等来提高磨削过程控制的可靠稳定性和精确性。

本研究所采用的航天惯性件如图9，10所示，对零件周向的凹槽内两小孔进行细微磨削加工，因为两小孔间距过小，故在加工过程中两小孔中间部分易受热在磨削区产生塑性变形，能量转换成热聚集在磨削接触区域，使砂轮或工件的温度以非常高的温度速率上升，影响加工质量，使得零件报废，故亟需测量出小孔间薄弱部分温度，建立准确测量磨削过程中温度所需的必要条件的模型，避免在加工过程中温度达到警戒值，对加工质量的保证有着非常重要的意义。

本发明所研究的航天惯性件的形状结构十分精密，待加工的两小孔间距十分近，结构十分脆弱。因此普通的温度测试方案设计无法满足测温要求，即无法准确测量小孔薄壁处的磨削温度。故需要针对小孔特征专门进行温度测试方案设计，需主要解决的问题有：

1）选择准确的测温方法，可以精准、实时测得磨削弧区的最高温度，有效避免热损伤；

2）设计合理的测温传感器及其装夹定位装置，最大限度减小干扰；

3）精准放置温度传感器，达到测温要求。

温度对零件微细磨削加工的重要特性决定了磨削温度的测定一直是磨削零件质量控制及加工原理的研究重点，学界对此进行了大量深入的研究。目前对于磨削温度的测量方法主要是从两方面进行的，一个是直接测量，另一种是间接测量，即是通过分析磨削加工过的零件表面的成分变化来推导出磨削加工过程中的温度变化，这种方法因为受加工材料，加工时间等多因素干扰所以很难精准地推断出磨削过程中温度变化的情况。故本发明采用直接测量的方法来进行温度的检测，即采用热电偶来测量磨削温度。在零件上刻槽打孔，将热电偶的丝材或者箔材夹入或埋入槽或者孔中，在磨削过程中，热电偶输出的热电势经放大、采集等技术处理即可转化成温度信号。

技术实现要素：

本发明是要提供一种航天惯性件双孔特征微细磨削温度测量装置，采用圆柱体型的温度测试传感器，在磨削加工过程中，将其契合入待加工的孔洞内，形成完整的没有形状突变的整合体，能够测量出零件薄弱处的温度，大大简化了温度测试方案并且提高了温度测量的精度，避免了对工件薄弱处的损害，能够将工件自身形状特征对温度测量的干扰降低到最小。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种航天惯性件双孔特征微细磨削温度测量装置，由温度传感器和辅助装置组成，辅助装置包括夹紧部件、xyz位移部件、光栅及其固定件部件，所述温度传感器通过夹紧部件安装在xyz位移部件上，且温度传感器位于xyz位移部件一侧，xyz位移部件另一侧放置光栅及其固定件部分，且光栅中的三个光栅尺分别摆放在xyz三轴的方向上来测量位移；所述温度传感器包含双极热电偶和圆柱形金属棒，金属棒由相对称的两部分粘合而成，双极热电偶通过环氧树脂固定在金属棒的外圆周面上的小孔内，使得热电偶丝在金属棒外圆周面形成测量点；所述夹紧部件的镰刀型曲杆通过曲杆定位零件插入夹紧部件的底板中，镰刀型曲杆一端连接螺杆及螺母，另一端连接温度传感器；所述xyz位移部件的z向上的气缸通过活塞杆与夹紧部件的底板连接，用于驱动夹紧部件及温度传感器上下移动，所述z向上的气缸安装在x轴向托件上，x轴向托件连接x向上的气缸，并置于y轴向托件，x轴向托件与y轴向托件形成导轨配合连接，由x向上的气缸驱动x轴向托件在y轴向托件上沿x轴向运动；所述y轴向托件连接y向上的两个气缸，由y向上的两个气缸驱动y轴向托件在导轨上沿y轴向运动。

进一步，所述金属棒的两个半圆形部分上均匀钻布个.mm×.mm的小圆孔。

进一步，所述双极热电偶置于金属棒小孔中后，其热电偶丝通过金属棒的空心内圆心导出连接到信号采集卡上。

进一步，所述夹紧部分由固定挡板、镰刀形曲杆、垫圈、螺杆和螺母组成；固定挡板通过销固定在底板上；固定挡板的两侧挡板呈直角，所述镰刀形曲杆前端部均开有间槽，所述垫圈、螺母旋在螺杆一端部，所述螺杆穿在固定挡板的滑动槽中；所述曲杆定位零件插入到底板中，使镰刀型曲杆可绕其转动；所述镰刀型曲杆通过连接件连接螺纹杆，且连接件与镰刀型曲杆和螺纹杆之间通过六角薄螺母、圆柱头内六角螺栓固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

针对航天惯性件的结构特点，创新性地设计出圆柱体型的温度测试传感器，在磨削加工过程中，将其契合入待加工的孔洞内，形成完整的没有形状突变的整合体，能够测量出零件薄弱处的温度，大大简化了温度测试方案并且提高了温度测量的精度，避免了对工件薄弱处的损害，能够将工件自身形状特征对温度测量的干扰降低到最小。可以基于合适的温度计算方法，确定实验测温的验证方法，对过量的磨削热产生预警，可有效保证加工质量。

在温度测试装置的装夹方案上，利用机电控制xyz轴方向的运动，并设计了将三轴向方向的零件整合在一起的设计方案，在保证运动功能实现的同时有效地降低了运动部分装置的空间，并且采用光栅尺位移传感器测量运动位置，并将位置坐标信息编程，保证了运动效率和位置精度。在温度传感器的夹紧方案上，采取气动和手动相结合的方式，在运动上采取精确度更高的气动方式，通过手动螺旋螺母的方式夹紧或放松曲杆实现对温度传感器的装卸，装置简单，容易操作效率高并且可有效保证精度。

附图说明

图1为本发明的航天惯性件微细磨削温度测量装置结构总装配图；

图2为本装置的俯视图；

图3为本装置的左视图；

图4为图1中的ⅰ处的局部放大图；

图5为图3中的ⅲ处的局部放大图；

图6为图2中的ⅱ处的局部放大图；

图7为温度传感器结构剖视图；

图8为图7中沿a－a的部视图；

图9为本发明所研究的加工零件图；

图10为图9的左视图；

图11为镰刀形曲杆夹紧温度传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细的说明本发明的工作原理。

如图1至图6所示，一种航天惯性件双孔特征微细磨削温度测量装置，由温度传感器100和辅助装置组成，辅助装置包括夹紧部件200、xyz位移部件300、光栅及其固定件部件400。

温度传感器100通过夹紧部件200安装在xyz位移部件300上，且温度传感器100位于xyz位移部件300一侧，xyz位移部件300另一侧放置光栅及其固定件部分400，且光栅中的三个光栅尺3分别摆放在xyz三轴的方向上来测量位移。如图7，8所示，温度传感器100包含双极热电偶17和圆柱形金属棒18，金属棒18由相对称的两部分粘合而成，双极热电偶17通过环氧树脂固定在金属棒18的外圆周面上的小孔内，使得热电偶丝在金属棒外圆周面形成测量。

夹紧部分200由固定挡板23、镰刀形曲杆29、垫圈22、螺杆20和螺母21组成；固定挡板23通过销固定在底板19上；固定挡板23的两侧挡板呈直角，所述镰刀形曲杆29前端部均开有间槽，所述垫圈22、螺母21旋在螺杆20一端部，螺杆20穿在固定挡板23的滑动槽中；曲杆定位零件30插入到底板19中，使镰刀型曲杆29可绕其转动；所述镰刀型曲杆29通过连接件27连接螺纹杆20，且连接件27与镰刀型曲杆29和螺纹杆20之间通过六角薄螺母28、圆柱头内六角螺栓26固定连接。夹紧部分200中的镰刀形曲杆29夹紧温度传感器100，如图11所示。

夹紧部件200的镰刀型曲杆29通过曲杆定位零件30插入在底板19中，镰刀型曲杆29一端连接螺杆20及螺母28，另一端连接温度传感器100，在测量过程中通过手动旋紧螺母28使得镰刀型曲杆29夹紧温度传感器100；所述xyz位移部件300的z向上的气缸4通过活塞杆25和销24与夹紧部件200的底板19连接，用于驱动夹紧部件200及温度传感器100上下移动，所述z向上的气缸4安装在x轴向托件12上，x轴向托件12连接x向上的气缸4，并置于y轴向托件14，x轴向托件12与y轴向托件14形成导轨配合连接，由x向上的气缸4驱动x轴向托件12在y轴向托件14上沿x轴向运动；所述y轴向托件14连接y向上的两个气缸4，y向上的两个气缸4的活塞杆32通过销33与y轴向托件14固定连接，由y向上的两个气缸4驱动y轴向托件14在导轨上沿y轴向运动。

三轴向上均使用气缸4作为动力源，y向的两气缸4之间通过气缸稳固件9与导轨底板1固定位置，y向的两气缸4通过推动活塞杆32来控制y轴向上的零件。在y向上，y轴向托件14与x轴向托件12形成导轨配合，带着y轴向托件14上的z轴向零件在xy轴上运动。在z向上，z向上的气缸4通过活塞杆25和销24与夹紧部件的底板19连接，控制着温度传感器100的空间位置。

对航天惯性件的温度测试装置的设计分为两个部分，一个是温度传感器的设计，根据工件形状，采取一个内部装填热电偶丝的圆柱体型作为温度测试的载体。在加工过程中将其填充进去，避免了因工件形状而造成的温度测量的不便。另外则是装夹温度传感器的辅助部分，主要分为光栅尺位移传感器部分、气缸运动部分、连杆推力夹紧部分。采取手动和气动相结合，计算机编程和机械原件运动相结合的设计方案，容易操作效率高，符合高精度机床加工的要求。

针对加工特征与特点，采取向未加工的圆孔内填充内含热电偶的金属圆柱体，将双极k型热电偶置于工件里，在磨削过程中通过热电偶量磨削区温度的热电偶方法。本研究方案采用圆柱体型传感器，优势在于可在其轴向方向镶入若干根热电偶丝。

采取圆柱体型传感器，如图7，8所示，其可将热电偶契合进圆柱孔内，避免了对工件薄弱处的损害。能够将工件自身形状特征对温度测量的干扰降低到最小，可以根据实验所测得的数据建立起温度模型，对工件的磨削温度做出合理的预测，保护工件的加工质量。

由于温度传感器由圆柱体的两部分拼合而成，故在磨削加工过程中需要夹紧装置夹紧温度传感器，并且能够准确将此温度传感器放入到被测位置。由于各工件实际尺寸不同，所以需要根据各个零件的不同情况调整温度测试传感器的位置，这就要求装置能够在xyz三轴方向移动，并且能够精准控制其位置坐标。并且在磨削加工的过程中能够稳定夹持住温度测试传感器。

本设计方案中的温度测试装置主要分为四部分，分别为夹紧部分，xyz位移部分，光栅及其固定件部分，信号采集部分。能够实现xyz方向的移动，将温度测试传感器准确放入到被测孔洞内并保持在加工过程中温度测试传感器的稳定，达到准确测量磨削过程中的温度的目的。

1夹紧部分：

夹紧部分采用连杆推力夹紧装置，设有固定挡板、曲柄连杆、垫圈、螺杆和螺母；固定挡板为固定在底板上的固定件。固定挡板的两侧挡板呈直角，各杆件之间由连接件连接。曲杆呈镰刀形，曲杆前端部均开有间槽。曲杆固定杆低端固定在底板上；垫圈、螺母旋在螺杆一端部，螺杆穿在固定挡板的滑动槽中；使用时将温度测试传感器先靠近两镰刀形曲杆之中，手动控制旋动螺母转动一角度，使与曲杆连在一起的垫圈与温度测试传感器的表面慢慢接触，通过调节螺母控制曲杆之间角度的张合，用螺母将螺杆与曲杆固定住，即可完成温度测试传感器的夹紧工作。本装置结构简单，使用方便。其原理为当旋转螺母使得推动螺纹杆向前运动，连杆之间夹角变大，此时前端张开。同理当螺旋螺母使得螺纹杆向后运动时，其两连杆之间的夹角变小，前端夹紧，即可完成对温度测试传感器的夹持。

2xyz轴方向运动控制部分：

在xyz轴方向均使用气缸作为动力源，y向的运动由两个气缸控制一个零件，其上承载着控制x和z轴方向的气缸及滑动件，相互交叉形成统一体。y向的气缸承载件与导轨形成配合。在z向上，气功控制上下运动，并采用导轨控制其运动方向，可保证在z方向上平稳准确地运动，气缸活塞与零件采用连接件连接并用键紧固。

栅测量系统是由光栅尺、光栅数显表和稳固件组成。光栅尺采集到的位移信号经光电二极管可转化为弦波信号，然后经过细分电路和整形电路转化为单片机能够识别的方波信号，最后传输到光栅数显表来显示测量结果。光栅尺位移传感器光栅尺传感器采用基恩士安全光栅gl-s20sh-r型号。其具有检测精度高，反应速度快的特点。由于它可用作检测直线位移或者角位移因此在数控机床的闭环伺服系统中光栅尺被广泛使用。

针对航天惯性件微细磨削工的加工特征与特点，采取向未加工的圆孔内填充内含热电偶的金属圆柱体，采用打孔的方式，将双极k型热电偶置于工件里，孔的尺寸约为0.8mm×0.4mm。将热电偶片放入零件加工好的孔中，并用环氧树脂将其固定。在其轴向方向镶入若干跟热电偶丝。这种热电偶装配方式较为简单，尺寸较小，且能有效反映出磨削层表面的温度，重复性较好，测试精度和可靠性高。在加工过程中通过热电偶来测量磨削区的温度变化。

因为工件两小孔之间脆弱部分形状不规则，尺寸微小，受热易变。所以为了测量出该部分的温度，并建立起相应的温度模型，实时监控温度变化，以防止因温度超过限范围而引起的工件热变形。需要将与小孔形状向契合的温度测试传感器放置于小孔中，使其内嵌的热电偶丝产生的热电势经放大、采集等技术处理转化成温度信号，进而可通过实验数据建立起温度模型，对工件小孔周围的温度变化进行可靠的预测。

在加工时，为使得温度测试传感器准确嵌入待测小孔内，需温度测试辅助装置将其准确放入指定坐标位置，具体操作如下：通过手动旋动螺母来夹紧温度测试传感器，利用机电控制来调节辅助装置的空间位置，通过光栅尺位移传感器来测量温度测试传感器的实时坐标并利用编程使其到达指定坐标后停止运动，来使其准确到达待测位置。

热电偶信号经放大滤波器后得到较为清晰的信号，再经数据采集卡收集记录。然后通过软件进行信号分析，最终得到温度信号的显示。