一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测方法及其装置与流程

本发明涉及磨具检测领域，具体涉及一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测方法及其装置。

背景技术：

磨削加工是磨粒对工件材料的去除过程。由于超硬磨料耐磨性高，磨粒分布均匀性直接影响加工精度和表面质量。理想情况是磨粒在胎体中均匀分布，然而，在实际单层超硬材料制品中，往往是磨粒在胎体中随机分布，甚至产生局部堆积。在磨粒堆积的区域，单颗磨粒受力小，磨损量小，同时阻碍加工排屑，致使加工效率下降，甚至产生局部烧伤。在磨粒稀少的区域，单颗磨粒承受负载大，磨粒容易破碎或脱落，不能有效去除工件材料。磨粒分布不均匀常常是导致加工效率低、工具寿命缩短的主要原因之一，此外，也是磨削过程中产生振动的诱因之一。

目前质量百分比浓度虽能反映砂轮表面的磨粒分布情况，但镀层、钎焊工艺难以把握，磨粒的总质量难测量，且测量大直径砂轮基体质量时精度难保证；采用面积百分比评价时，直接用显微镜观测，磨粒面积不易测量计算，虽然将其改进后，可有效计算出磨粒面积和金属镀层面积，但对磨粒的分布均匀性不能进行量化评价，很难揭示工艺参数对磨粒分布均匀性的影响规律。尤其在电镀过程中，常常会在某一区域出现磨粒堆积，部分磨粒松散，采用磨粒数方差评价，受人为因素影响大，评价不全面，结果也容易失真。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测方法及其装置，用以解决现有技术中对砂轮表面磨粒分布状态不能精确检测的问题。

为实现上述目的，本发明的方案提供了一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测方法，包括方法方案一，方法方案一包括以下步骤：

1)当没有物体接触砂轮且砂轮以设定转速转动时，检测声发射信号，以声发射信号的振幅作为系统背景噪声信号振幅；

2)在砂轮按照设定转速转动时，对所述砂轮外周面进行扫描，根据扫描数据计算砂轮外周面的轮廓线；

3)在砂轮以设定转速转动时，跟随所述砂轮外周面的轮廓线，控制拨针进行伸缩运动，其伸缩量适应于拨针与砂轮外周面的接触点的轮廓，以使拨针与砂轮外周面保持接触；同时测量拨针与砂轮接触时产生的声发射信号；

4)结合所述系统背景噪声信号振幅，对步骤3)得到的所述声发射信号进行处理，检测砂轮磨粒的分布特性。

方法方案二，在方法方案一的基础上，在所述步骤3)之前还包括：当砂轮按照设定转速转动时，拨针向砂轮移动，当检测到声发射信号超出所述系统背景噪声信号振幅时拨针停止继续移动，判定此时拨针与砂轮表面接触。

方法方案三、四，分别在方法方案一、二的基础上，砂轮每旋转一周，拨针沿砂轮轴线移动设定距离；砂轮旋转一周过程中，拨针沿砂轮轴线方向固定。

方法方案五、六，分别在方法方案三、四的基础上，所述拨针和砂轮外周面弹性接触。

方法方案七、八，分别在方法方案五、六的基础上，在砂轮外周面上设置一个标识物，以重复检测到该标识物确定砂轮旋转了整周。

方法方案九、十、十一、十二，分别在方法方案五、六、七、八的基础上，砂轮磨粒的分布特性包括均匀性；

所述均匀性计算过程包括：对一周的声发射信号进行数字滤波处理；所述一周的声发射信号中波形振幅大于所述系统背景噪声信号振幅的波形段判定为砂轮磨粒，计算所有砂轮磨粒对应波形段的中间位置的时间差t并转换为砂轮表面磨粒间距b，计算所有磨粒间距的标准差δb：

其中，b单位mm；t单位为秒；ds为砂轮直径，单位mm；ns为砂轮实际转速，单位r/min；b1,b2,…,bi为砂轮表面所有的磨粒间距值，为磨粒间距平均值。

方法方案十三、十四、十五、十六，分别在方法方案九、十、十一、十二的基础上，砂轮磨粒的分布特性包括等高性；

所述等高性计算过程包括：对一周的声发射信号进行数字滤波处理；对所述一周的声发射信号波形中的每个磨粒波形段的最大振幅值q进行统计，计算所有磨粒波形段的最大振幅值q的标准差δq：

其中，q1,q2,…,qi为所有磨粒波形段的最大振幅值，为最大振幅平均值。

方法方案十七、十八、十九、二十，分别在方法方案十三、十四、十五、十六的基础上，砂轮磨粒的分布特性包括粒径一致性；

所述粒径一致性计算过程包括：对一周的声发射信号进行数字滤波处理；将所述一周的声发射信号波形中的每个磨粒波形段的持续时间t′转换为磨粒粒径d，计算所有磨粒粒径的标准差δd：

其中，d单位为mm；t′单位为秒；ds为砂轮直径，单位mm；ns为砂轮实际转速，单位r/min；d1,d2,…,di为所有磨粒的粒径值，为粒径平均值。

相应的，本发明还提供了一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测装置，包括装置方案一，装置方案一包括控制器、拨针装置、用于检测声发射信号的声波检测装置以及测试平台；所述控制器控制连接所述声波检测装置；所述拨针装置包括用于与待测砂轮保持接触的拨针；所述测试平台包括用于安装待测砂轮的安装工位和用于驱动待测砂轮转动的驱动机构。

装置方案二，在装置方案一的基础上，还包括用于对砂轮外周面扫描的扫描装置，所述扫描装置包括驱动所述扫描装置沿待测砂轮轴向移动的第一驱动装置，所述控制器采样连接所述扫描装置；所述拨针装置包括驱动所述拨针伸缩运动的驱动单元，所述控制器控制连接所述拨针装置。

装置方案三，在装置方案二的基础上，所述拨针装置还包括驱动所述拨针装置沿待测砂轮轴向移动的第二驱动装置。

装置方案四，在装置方案三的基础上，所述扫描装置包括激光位移传感器，所述第一驱动装置是磁力架。

本发明的有益效果是：本发明通过记录砂轮转动时拨针接触砂轮过程中的声发射信号，根据声发射信号分析计算砂轮磨粒的分布均匀性、等高性和粒径一致性，从而为粗粒度单层砂轮的制造、检验和磨削工艺提供技术支撑。

同时，本发明所述的扫描装置扫描砂轮表面，计算得到砂轮外周面的轮廓线，使拨针接触砂轮时按照所述轮廓线的幅值上下运动，使检测到的声发射信号更加准确，计算砂轮磨粒的分布特性结果更加精确。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图；

图2是本发明实施例方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明为了在测量粗粒度单层砂轮的磨粒时，能够精确得到磨粒的三维分布特性，例如均匀性、等高性、粒径一致性等，提供了一种随动式单层砂轮磨粒分布特性检测方法及其装置。

本发明所述方法是在待测砂轮按照设定转速转动时，拨针与待测砂轮工作层表面保持弹性接触，在此过程中检测产生的声发射信号，根据检测到的声发射信号分析计算砂轮磨粒的分布特性。同时，为克服砂轮跳动对检测结果的影响，加入砂轮表面宏观轮廓检测及拨针随动式移动的方法。实现本发明所述方法的实施例不是唯一的，下面给出一个具体的实施例用于说明本发明的内容。

图1为本发明所述装置的实施例的结构示意图，砂轮11通过砂轮安装轴12安装在砂轮电机13上，砂轮电机13通过数据电缆连接数据采集卡41，并通过紧固螺钉固定安装在砂轮水平滑台14上，砂轮水平滑台14可沿砂轮11轴向平移，其底部通过紧固螺钉固定安装在整体支撑架上；砂轮11外圆面下方设置一体式测量拨针件31，一体式测量拨针件31顶端拨针与砂轮11外圆表面弹性接触，拨针正对砂轮11轴的中心，一体式测量拨针件31尾端底座上通过磁座安装声发射传感器32，一体式测量拨针件31尾端底座与声发射传感器32之间设置耦合剂，声发射传感器32通过数据电缆连接至数据采集卡41，一体式测量拨针件31尾端底座通过紧固螺钉固定安装在三维移动滑台33上，三维移动滑台可以沿砂轮轴向运动，三维移动滑台33的升降滑台安装滑台伺服电机34以使三维移动滑台上下移动，并由滑台伺服电机34驱动，滑台伺服电机34通过数据电缆连接至数据采集卡41，三维移动滑台33的底部通过紧固螺钉固定安装在整体支撑架上；同时，砂轮11外圆面下方，与一体式测量拨针件31沿砂轮11轴向并排设置激光位移传感器21，激光位移传感器21与砂轮11外圆表面非接触，激光光斑通过砂轮11轴的中心，激光位移传感器21通过数据电缆连接至数据采集卡41，并且激光位移传感器21通过可调节磁力架22固定安装在支撑架上；最后数据采集卡41通过数据电缆连接至计算机42。

图2为本发明实施例方法的流程图，步骤如下：

步骤1：本实施例中，选择粒度60/70电镀金刚石有序排布砂轮，将砂轮11安装在砂轮电机13上；在砂轮11外圆面一处粘贴非透光窄胶带；调节三维移动滑台33的前后向水平滑台和左右向水平滑台，使一体式测量拨针件31顶端拨针正对砂轮11轴的中心，初始时一体式测量拨针件31的顶端拨针与砂轮11外圆表面非接触；调节磁力架22，使激光位移传感器21与一体式测量拨针件31沿砂轮11轴向并排放置，并且激光光斑通过砂轮11轴的中心；计算机42控制数据采集卡41向砂轮电机13输送信号，使砂轮11以合理低速匀速旋转。

步骤2：设置激光位移传感器21采样频率f＝50khz，启动激光位移传感器21对砂轮11外圆表面轮廓采样，采样数据通过数据采集卡41输送至计算机42，计算机42实时处理激光位移传感器21采样数据，计算出砂轮11实际转速及其外周面轮廓线，数据处理包括步骤2.1-2.2。

步骤2.1：数据处理计算砂轮11实际转速，方法为：

①判定胶带位置信息。砂轮11旋转，激光位移传感器21扫描至胶带时，由于胶带厚度的存在，采样数据幅度值会有所增大。基于该原理，对激光位移传感器21的采样数据利用移动平均法处理，如式(1)所示，处理后的数据中持续多个数据点的幅度明显增大时，则激光位移传感器21在砂轮11上采样的当前位置可判定为砂轮11上的胶带位置。

式中，为计算后的移动平均值；st为当前数据点数值；t为当前数据点序号；n为移动平均点个数。

②计算砂轮11实际转速。以扫描到胶带位置开始，至再次扫描到胶带位置结束，截取砂轮11外圆面一周的激光位移传感器21采样数据，计算数据点个数，由式(2)计算砂轮11实际转速。

ns＝60f/l(2)

式中，ns为砂轮11实际转速，ns＝10r/min；l为砂轮11外圆面一周的激光原始采样数据点个数；f为激光位移传感器21采样频率，f＝50000hz。

步骤2.2：数据处理计算砂轮11外周面轮廓线，方法为：

①针对砂轮11外圆表面磨料层的激光采样数据，通过数据处理剔除噪点数据。剔除原理为：砂轮11表面一定采样长度的数据，其变化幅度不会超过一定阈值。本实施例中，取数据长度200，阈值设置为0.25mm。剔除噪点数据后，采用线性插值法补充数据点。

②计算砂轮11外周面轮廓线。方法为，针对砂轮11外圆面一周的激光位移传感器21采样数据，取采样长度为1000的数据段，取其最大值作为特征数据点，并固定数据段长度后逐点移动，获取砂轮11外圆面一周采样数据中的所有特征数据点，针对这些特征数据点进行多项式曲线拟合，拟合阶数取值10，获得砂轮11外周面轮廓线。

步骤3：一体式测量拨针件31顶端拨针弹性接触旋转的砂轮11外圆表面，并按照砂轮11外周面轮廓线幅度进行上下跟随式移动，发射声发射信号，并被声发射传感器32检测。具体包括步骤3.1-3.5。

步骤3.1：调节砂轮水平滑台14，使砂轮11轴向移动，直至一体式测量拨针件31的顶端拨针正对步骤2中激光位移传感器21光斑在砂轮11上的位置。一体式测量拨针件31的顶端拨针与砂轮11外圆表面非接触，声发射传感器32检测拨针与砂轮11外圆表面非接触时的声发射信号，将此时的声发射信号波形振幅作为系统背景噪声信号振幅。

步骤3.2：计算机42控制数据采集卡41输出信号至滑台伺服电机34，使三维移动滑台33带动一体式测量拨针件31缓慢向上移动，直至声发射传感器32开始检测到高于系统背景噪声信号振幅的声发射信号时停止。

步骤3.3：在砂轮11外周面轮廓线上寻找幅值最大点作为砂轮11外圆轮廓最高位置，并将激光位移传感器21判定的胶带位置在砂轮11外周面轮廓线上对应，计算砂轮11外周面轮廓线上胶带位置与砂轮11外圆轮廓最高位置之间对应的激光采样数据点的个数p，当激光位移传感器21获得胶带位置信号时，砂轮11再旋转时间ts，则砂轮11外圆轮廓最高位置旋转至激光位移传感器21和一体式测量拨针件31的顶端拨针处，计算ts如式(3)所示。

ts＝60/ns·p/l(3)

式中，时间ts单位为秒；ns为砂轮11实际转速，单位r/min；l为砂轮11外圆面一周的激光原始采样数据点个数。

步骤3.4：砂轮11外圆轮廓最高位置旋转至激光位移传感器21和一体式测量拨针件31的顶端拨针处时，计算机42通过数据采集卡41控制滑台伺服电机34开始运动，数据采集卡41向滑台伺服电机34输出频率f实时变化的脉冲，滑台伺服电机34驱动三维移动滑台33使一体式测量拨针件31按照砂轮11外周面轮廓线起伏幅度进行上下跟随式移动。

数据采集卡41向滑台伺服电机34每输出一个脉冲，则砂轮11旋转θ角度：

式中，θ单位为弧度；ns为砂轮11实际转速，单位r/min；f为滑台伺服电机34接收的脉冲频率，单位hz。

将砂轮11外周面轮廓线的坐标与砂轮11旋转角度对应，计算砂轮11旋转θ角度时砂轮11外周面轮廓线上的起伏幅度值h，建立h与θ关系式：

h＝λθ(5)

式中，系数λ由砂轮11外周面轮廓线公式计算得出，幅度值h单位mm。

则滑台伺服电机34接收脉冲频率f应满足式(6)所示关系。

式中，r为滑台伺服电机34旋转一周对应三维移动滑台33上下移动的距离，单位mm；k为滑台伺服电机34旋转一周接收脉冲个数。

步骤3.5：一体式测量拨针件31按照砂轮11外周面轮廓线起伏幅度进行上下跟随式移动，其顶端拨针与砂轮11外圆表面始终弹性接触，拨针与砂轮11表面磨粒的摩擦、撞击、拨针的形变、振动均会发射声发射信号，并被一体式测量拨针件31上安装的声发射传感器32接收。计算机42获得胶带位置信号时，开始记录保存声发射传感器32获取的声发射信号，当计算机42再次获得胶带位置信号时，停止记录并保存声发射信号，同时，计算机42控制滑台伺服电机34运动，使一体式测量拨针件31向下移动脱离接触砂轮11外圆表面。

步骤4：计算机42将记录保存的声发射信号进行数据处理，获得砂轮11外圆表面磨粒分布的均匀性、等高性、粒径一致性等结果。具体包括步骤4.1-4.4。

步骤4.1：数字滤波处理。对采集记录的声发射信号进行频率成分分析，设计8阶巴特沃斯带通滤波器，并确定上、下限截止频率，以滤除拨针低频振动的声发射信号和系统内部高频干扰噪声。

步骤4.2：分析磨粒分布均匀性。拨针与磨粒未接触时声发射信号波形振幅较小，将其振幅值设置为背景噪声阈值，拨针与磨粒接触时信号波形振幅明显增强。针对声发射信号波形，波形振幅超出背景噪声阈值的波形段判定为磨粒，计算所有磨粒波形段的中间位置的时间差t，通过式(7)转换为砂轮11表面磨粒间距b，计算所有磨粒间距的标准差δb，作为评价砂轮11表面磨粒分布均匀性的指标。δb越大则磨粒分布均匀性越差。

式中，b单位为mm；t单位为秒；ds为砂轮11直径，单位mm；ns为砂轮11实际转速，单位r/min。

式中，b1,b2,…,bi为砂轮11表面所有的磨粒间距值，为磨粒间距平均值。

步骤4.3：分析磨粒分布等高性。拨针与高磨粒接触时，摩擦和撞击作用相较低磨粒更明显，发射的声发射信号更强。针对声发射信号波形中的每个磨粒波形段的最大振幅值q进行统计，计算所有磨粒波形段最大振幅值的标准差δq，作为评价砂轮11表面磨粒分布等高性的指标，δq越大则磨粒等高性越差。

式中，q1,q2,…,qi为所有磨粒波形段的最大振幅值，为最大振幅平均值。

步骤4.4：分析磨粒的粒径一致性。磨粒粒径较大时，拨针与磨粒接触时间更长，磨粒粒径小，则拨针与磨粒接触时间短。将声发射信号波形中的每个磨粒波形段的持续时间t′通过式(10)转换为磨粒粒径d，计算所有磨粒粒径的标准差δd，作为评价砂轮11表面磨粒粒径一致性的指标。δd越大则磨粒粒径一致性越差。

式中，d单位为mm；t′单位为秒；ds为砂轮11直径，单位mm；ns为砂轮11实际转速，单位r/min。

式中，d1,d2,…,di为所有磨粒的粒径值，为粒径平均值。

上述实施例中，在拨针和待测砂轮接触之前先利用激光位移传感器对待测砂轮工作层周面的设定区域进行了扫描，且扫描的方式为砂轮匀速旋转、激光位移传感器固定，整圆周扫描采样。扫描完成后使拨针与扫描的设定区域接触，检测拨针与砂轮工作层表面设定区域接触产生的声发射信号，分析处理声发射信号得出砂轮表面磨粒分布特性。当需要测量砂轮工作面所有区域的磨粒分布特性时，需要将砂轮分为不同的区域按照本实施例的方法一一进行检测，得到的检测结果汇总后即为砂轮外圆周工作面所有区域的磨粒分布特性。

在其他的实施方式中，为获得砂轮整个圆周工作面所有区域的磨粒分布特性，也可以先利用激光位移传感器通过多次扫描得到待测砂轮工作周面的全部扫描结果，或者使用线型激光位移传感器扫描一次得到待测砂轮工作周面的全部扫描结果，并从中处理出砂轮工作面宏观轮廓信息，然后拨针和待测砂轮接触进而测量声发射信号。如果是先得到待测砂轮工作周面的全部扫描结果，并从中处理出砂轮工作面宏观轮廓信息后，则可以有以下方式：拨针与砂轮工作层表面接触，待测砂轮匀速旋转数周，测量声发射信号的同时，拨针沿着待测砂轮轴向可以按照设定速度进行移动；或者拨针固定不动，测量完待测砂轮旋转一周的声发射信号后，拨针沿着待测砂轮轴向移动设定距离，测量下一周的声发射信号。

同时，实施例中拨针与待测砂轮接触后，在测量待测砂轮旋转一周过程中的声发射信号时，拨针按照砂轮工作面宏观轮廓进行上下跟随式移动，以解决砂轮旋转时跳动造成检测结果失真的问题，保证拨针和待测砂轮上的磨粒都能准确、充分接触，不仅能判断出有无磨粒，还能准确检测出磨粒高度、磨粒尺寸以及分布间距等，实现磨粒分布均匀性、等高性、粒径一致性的检测评价。

但是本发明并不局限于实施例给出的这种方式，只要能克服砂轮跳动对检测结果的影响，保证拨针和砂轮表面高低不同的磨粒都能合理接触即可，这样就可以根据测量的声发射信号计算磨粒的分布特性。

本实施例中拨针和待测砂轮接触时拨针指向待测砂轮的轴心，在其他实施方式中拨针也可以不指向待测砂轮的轴心，可以以其他的指向和待测砂轮接触，只要保证拨针和待测砂轮工作面上的磨粒都能单独接触即可。

本发明不局限于所描述的实施方式，例如改变扫描装置或者拨针装置相对于砂轮的位置，或者改变各个位置的驱动方式或驱动装置，或者改变运行过程中频率等具体的参数数值，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。