一种在线监测砂轮磨钝状态的方法及其装置与流程

本发明涉及磨削加工在线监测的领域，特别是涉及一种在线监测砂轮磨钝状态的方法及装置。

背景技术：

磨削加工是改善工件表面质量的重要技术之一，很多精密零件需要使用砂轮进行磨削加工和超精密加工，而砂轮磨损钝化程度对工件表面质量有着重要的影响。在磨削加工过程中，随着磨削时间的增加，砂轮表面磨粒状态会不断的发生改变，比如出现磨粒磨损、磨粒破碎和砂轮堵塞等现象，造成砂轮磨削性能下降，从而使被加工工件的尺寸精度和表面质量受到严重影响。如果不及时更换和修整砂轮，将会造成产品废品率提高。因此实时了解砂轮表面所处的状态并及时修锐砂轮是非常重要的。随着磨削时间的积累，砂轮表面的磨粒会因持续的磨损、磨钝而丧失磨削能力，并导致磨削温度不断上升；而磨粒脱落或者砂轮堵塞会造成有效磨粒数减少，从而使磨粒热冲击信号的个数减少。因此利用砂轮有效磨粒数和砂轮磨削温度两个因素可以判断砂轮磨钝的状态，实现砂轮磨钝状态在线监测，从而达到控制磨削工件的质量。

有鉴于此，本发明人对砂轮在线检测进行深入研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磨削温度的在线监测砂轮磨钝状态的方法，从而能够及时修锐砂轮或者更换砂轮，达到控制磨削工件的质量的目的。

一种在线监测砂轮磨钝状态的方法，包括以下步骤：

步骤1，采集砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，并获得温度信号集；

步骤2，从所述温度信号集中提取砂轮磨削接触区温度和磨粒热冲击信号，以此识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态。

进一步地，步骤1中通过所述采样块和热电偶传感器，采集所述磨削温度信号，单位时间内采集到的所述磨削温度信号组合成所述温度信号集；步骤2中通过将所述砂轮磨削接触区温度和磨粒热冲击信号与对应的预设阈值进行比较，识别出砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态。

进一步地，所述温度信号集包括低频信号和高频信号，步骤2，从所述温度信号集中提取所述砂轮磨削接触区温度和所述磨粒热冲击信号的具体内容包括：提取一个所述温度信号集中的全部所述低频信号，并对所述低频信号求均值，通过所求均值识别出所述砂轮磨削接触区温度；砂轮的一个有效磨粒对所述采样块进行一次热冲击时产生一个所述高频信号；直接提取一个所述温度信号集中的全部所述高频信号作为所述磨粒热冲击信号。

进一步地，步骤1中砂轮磨削所述采样块的磨削深度取值范围为0.005mm至0.05mm；所述采样块根据所监测砂轮的种类采用不同的材料制成。

进一步地，所述热电偶传感器所采用的热电偶薄片根据砂轮型号和磨削参数的不同选择对应的厚度，且所述热电偶传感器所采用的热电偶薄片的厚度取值范围为0.004mm至0.1mm。

本发明还提供一种基于磨削温度的在线监测砂轮磨钝状态的装置，不仅能够有效的监测砂轮磨钝状态，且操作简单便于监测。

一种在线监测砂轮磨钝状态的装置，包括支撑架底座、支撑架上座、磨削深度调整机构、采样块和热电偶传感器，所述磨削深度调整机构连接所述支撑架底座和所述支撑架上座，且所述磨削深度调整机构能够调节所述支撑架上座与所述支撑架底座的距离，所述采样块固设于所述支撑架上座上，所述热电偶传感器固设于所述采样块上。

进一步地，所述热电偶传感器具有热电偶薄片，所述采样块包括两块采样板，所述热电偶薄片设于两块所述采样板间，且两块所述采样板挟持所述热电偶薄片，且所述采样块的待磨削面与所述热电偶薄片的顶端位于同一平面内。

进一步地，所述支撑架上座位于所述支撑架底座的上方，所述磨削深度调整机构包括相互垂直且相交的上柱和底柱，所述上柱和所述底柱的交合面均为倾斜面；所述上柱远离所述底柱的一端活动连接于所述支撑架上座上，所述底柱活动连接于所述支撑架底座上。

进一步地，所述支撑架上座的底面向内凹设有伸缩槽，所述上柱远离所述底柱的一端伸入所述伸缩槽内，且所述支撑架上座设有将所述上柱固定在所述伸缩槽内的锁紧结构；所述支撑架底座于所述上柱的正下方设置有导柱筒，所述上柱靠近所述底柱的一端可上下活动于所述导柱筒内，且所述上柱的外侧壁均贴合所述导柱筒的内侧壁。

进一步地，所述热电偶传感器的输出端连接有信号采集器，所述信号采集器的输出端连接pc机。

采用上述技术方案，本发明的一种在线监测砂轮磨钝状态的方法，通过定期监测砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态，可及时地对砂轮进行修锐或更换，延长了砂轮的使用寿命，进一步保证了工件的磨削质量，提高了生产效率。

采用上述技术方案，本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的装置不仅能够有效的监测砂轮磨钝状态，可及时提示对砂轮进行修锐或更换，且操作简单便于监测，提高了监测效率。

附图说明

图1为本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法所使用的信号采集器硬件系统；

图2为应用本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法的工作流程；

图3为本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的装置的示意图；

图4为本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的装置应用时的示意图。

标号说明：

支撑架底座1导柱筒11

导柱孔111

导向杆12支撑架上座2

第一旋转螺钉21第二旋转螺钉22

导线孔23

磨削深度调整机构3上柱31

底柱32

采样块4热电偶传感器5

信号采集器6pc机7

砂轮8

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述。

一种在线监测砂轮磨钝状态的方法

包括以下步骤：

步骤1，采集砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，并获得温度信号集；

步骤2，从所述温度信号集中提取砂轮磨削接触区温度和磨粒热冲击信号，以此识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态。

步骤1中通过所述采样块和热电偶传感器，采集所述磨削温度信号，所述磨削温度信号通过信号采集器转换成数字信号后输送至pc机内。单位时间内采集到的所述磨削温度信号组合成所述温度信号集。

所述温度信号集可呈现为单位时间内的一段电波，所述温度信号集包括低频信号和高频信号。

步骤2，从所述温度信号集中提取所述砂轮磨削接触区温度和所述磨粒热冲击信号的具体内容包括：

提取一个所述温度信号集中的全部所述低频信号，并对所述低频信号求均值，通过所求的所述低频信号的均值识别出所述砂轮磨削接触区温度。

砂轮的一个有效磨粒对所述采样块进行一次热冲击产生一个所述高频信号；直接提取所述温度信号集中的所述高频信号作为所述磨粒热冲击信号。

步骤2中采用pc机，通过将所述砂轮磨削接触区温度和磨粒热冲击信号与对应的预设阈值进行比较，识别出砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态。

步骤1中砂轮磨削所述采样块的磨削深度取值范围为0.005mm至0.05mm。所述采样块根据所监测砂轮的种类采用不同的材料制成。如此使得本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法适用更多的监测需求，扩大了应用范围。

例如：所监测的砂轮是cbn砂轮时所述采样块优选采用铸铁或者不锈钢制成；所监测的砂轮为金刚石砂轮时所述采样块优选采用硬质合金或者陶瓷制成。

在使用热电偶薄片测量磨削温度，其响应时间常数可推演为：

式中：δ为热电偶薄片的厚度；α为热电偶薄片的热扩散系数，τs为响应时间常数。根据上式可以确定所需要的热电偶厚度。

所述热电偶传感器所采用的热电偶薄片根据砂轮型号和磨削参数的不同选择对应的厚度，且所述热电偶传感器所采用的热电偶薄片的厚度取值范围为0.004mm至0.1mm。所述热电偶传感器包括两片所述热电偶薄片，两片所述热电偶薄片间采用pe薄膜绝缘；所述热电偶薄片与所述采样块间采用pe薄膜绝缘。以此降低监测干扰提高监测的准确性。

本发明信号采集器硬件系统，如图1所示，热电偶传感器输出的电压信号表示的是热电偶热端相对于冷端的温度，经过冷端温度补偿电路对电压进行冷端补偿获得对应的实际的磨削温度信号的电压值；然后经过信号放大电路转换后传输给微处理器，微处理器优选采用型号为stm32f767igt的微处理器。微处理器把磨削温度信号转换成数字量之后通过以太网接口将磨削温度信号传输到pc机，最后将分析好的数据上传到云存储，方便监测和查阅。

本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法的工作流程，如图2所示，当砂轮磨削到采样块，热电偶传感器产生电压信号(携带磨削温度信号)，电压信号通过热电偶连接线传出并被信号采集器转换成数字信号(携带磨削温度信号)，信号采集器再将数字信号(携带磨削温度信号)传给pc机；

然后pc机在线收集磨削温度信号组合成温度信号集，接着pc机在线分析温度信号集。提取信号中的高频信号数量(即磨粒热脉冲数量)来识别砂轮有效磨粒数；提取信号中的低频信号，并对低频信号求均值，通过所求均值识别出砂轮磨削接触区温度。

还可以通过网络连接将监测数据不断上传到云端存储，建立砂轮工作状态大数据，此大数据可供给智能制造、分析及决策系统使用。

本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法，通过定期监测砂轮磨削采样块产生的磨削温度信号，识别砂轮磨削状态和砂轮所处的磨钝状态，可及时地对砂轮进行修锐或更换，延长了砂轮的使用寿命，进一步保证了工件的磨削质量，提高了生产效率。

本发明人根据本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的方法的应用，还提供了以下技术方案。

本发明人在应用上述方案中，还发明了一种在线监测砂轮磨钝状态的装置。

一种在线监测砂轮磨钝状态的装置，如图1至4所示，包括支撑架底座1、支撑架上座2、磨削深度调整机构3、采样块4和热电偶传感器5，磨削深度调整机构3连接支撑架底座1和支撑架上座2，且磨削深度调整机构3能够调节支撑架上座2与支撑架底座1的距离；采样块4固设于支撑架上座2上，热电偶传感器5固设于采样块4上，进一步的磨削深度调整机构3能够调节采样块4与支撑架底座1的距离。

采样块4固设于支撑架上座2上，支撑架上座2的顶部端面向内凹设有采样槽，采样块4放置在采样槽内，支撑架上座2设置有第一旋转螺钉21，支撑架上座2通过第一旋转螺钉21将采样块4固设在采样槽内，支撑架上座2的中部开设有导线孔23，热电偶连接线通过导线孔23连接热电偶传感器5。

第一旋转螺钉21螺装在支撑架上座2的外侧壁上，且第一旋转螺钉21的底部能够从支撑架上座2的外侧壁旋入或旋出采样槽；第一旋转螺钉21的底部旋入采样槽内时第一旋转螺钉21的底部端面能够挤压采样块4的侧面，使得采样块4伸入采样槽的部分受到第一旋转螺钉21与采样槽内侧壁两个方向上的夹持，以此将采样块4固定在采样槽内。

热电偶传感器5具有热电偶薄片。采样块4包括两块采样板，热电偶薄片设于两块采样板间，且两块采样板紧紧挟持并固定热电偶薄片，且采样块4的待磨削面与热电偶薄片的顶端位于同一平面内。

支撑架上座2位于支撑架底座1的上方，磨削深度调整机构3包括相互垂直且相交的上柱31和底柱32，上柱31和底柱32的交合面均为倾斜面；上柱31的倾斜面与水平面间的夹角为α；底柱32的倾斜面与水平面间的夹角同样为α；α的优选取值范围为3°至13°。

上柱31远离底柱32的一端纵向活动连接于支撑架上座2上，底柱32横向活动连接于支撑架底座1上；支撑架上座2的底面向内凹设有伸缩槽，上柱31远离底柱32的一端伸入伸缩槽内，且支撑架上座2设有将上柱31固定在伸缩槽内的锁紧结构；支撑架底座1于上柱31的正下方设置有导柱筒11，上柱31靠近底柱32的一端可上下活动于导柱筒11内，且上柱31的外侧壁均贴合导柱筒11的内侧壁及伸缩槽的内侧壁。如此上柱31的周延方向均受到导柱筒11的限制，导柱筒11可限制上柱31的五个运动自由度。

导柱筒11面向底柱32的一侧面开设有导柱孔111，底柱32可通过导柱孔111伸入导柱筒11内。如此底柱32可在导柱筒11内与上柱31垂直相交。

将上柱31固定在伸缩槽内的锁紧结构，优选采用第二旋转螺钉22固定，第二旋转螺钉22螺装在支撑架上座2的外侧壁上，且第二旋转螺钉22的底部能够从支撑架上座2的外侧壁旋入或旋出伸缩槽；第二旋转螺钉22的底部旋入伸缩槽内时第二旋转螺钉22的底部端面能够挤压上柱31的侧面，使得上柱31伸入伸缩槽的部分受到第二旋转螺钉22与伸缩槽内侧壁两个方向上的夹持，以此将上柱31固定在伸缩槽内。

支撑架底座1上横向固定设置有导向杆12，底柱32滑动连接于导向杆12上，底柱32沿着导向杆12的在支撑架底座1上横向移动。

如此，底柱32在外加驱动装置的作用下横向移动一段距离时，相应的上柱31在竖直方向上会移动一段距离。例如当α＝5.71°时，底柱32横向移动0.1mm，则上柱31在竖直方向上会移动0.01mm,进一步地，支撑架上座2与支撑架底座1的高度差微调了0.01mm，则采样块4与支撑架底座1的高度差微调了0.01mm。

作为一种优选方案：

导向杆12为现有的常规丝杆，底柱32上开设有丝杆螺纹。通过丝杆和丝杆螺纹的配合，转动导向杆12能驱动底柱32滑动。所述的外加驱动装置优选采用常规的丝杆电机，通过丝杆电机驱动导向杆12，进一步控制底柱32的滑动。

以此，通过调整上柱31和/或底柱32的位置，能够调整支撑架上座2与支撑架底座1的高度差，方便砂轮8对采样块4进行不同磨削深度的磨削。

热电偶传感器5的输出端通过热电偶连接线连接有信号采集器6，信号采集器6的输出端连接pc机7。

本发明信号采集器6硬件系统，如图1所示，热电偶传感器5输出的电压信号表示的是热电偶热端相对于冷端的温度，经过冷端温度补偿电路对电压进行冷端补偿获得对应的实际的磨削温度信号的电压值；然后经过信号放大电路转换后传输给微处理器，微处理器优选采用型号为stm32f767igt的微处理器。微处理器把磨削温度信号转换成数字量之后通过以太网接口将磨削温度信号传输到pc机7，最后将分析好的数据上传到云存储，方便监测和查阅。

本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的装置的工作流程，如图2所示，当砂轮8磨削到采样块4，热电偶传感器5产生电压信号(携带磨削温度信号)，电压信号通过热电偶连接线传出并被信号采集器6转换成数字信号(携带磨削温度信号)，信号采集器6在将数字信号(携带磨削温度信号)传给pc机7；

然后pc机7在线收集磨削温度信号组合成温度信号集，接着pc机7在线分析温度信号集。提取信号中的高频信号数量(即磨粒热脉冲数量)来识别砂轮8有效磨粒数；提取信号中的低频信号，并对低频信号求均值，通过所求均值识别出砂轮磨削接触区温度。

最后，利用砂轮8有效磨粒数和砂轮磨削接触区温度两个因素与实验标定好的温度数据进行比较，以此来判断砂轮8磨钝的状态。实现了砂轮8磨钝状态在线监测。

采用本发明一种在线监测砂轮磨钝状态的装置不仅能够有效的监测砂轮磨钝状态，且操作简单便于监测，提高了监测效率。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，均属于本发明的保护范围。