[发明专利]一种砂轮表面粗糙度和磨粒分布状态的检测及评价方法

摘要

本发明公开了一种砂轮表面粗糙度和磨粒分布状态的检测及评价方法，通过利用激光位移传感器高速率、高精度的扫描采集能力以及计算机的高效数据处理能力，实现砂轮表面粗糙度和磨粒分布状态的检测及分析评价，并分别针对砂轮表面圆周方向的粗糙度、磨粒分布密度和分布均匀性计算出相应的评价参量，克服了目前砂轮表面粗糙度和磨粒分布状态的检测成本高、且耗时费力又难以全面评价的困难，为砂轮制造和修整工艺的改进提供准确依据，对提高磨削加工质量和效率具有重要意义。

主权项

1.一种砂轮表面粗糙度和磨粒分布状态的检测及评价方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：检测装置的准备工作；被测砂轮安装在机床主轴上；检测装置包括激光位移传感器、控制器、数据电缆线、磁力支撑架和计算机，激光位移传感器设置在磁力支撑架上，且激光位移传感器位于被测砂轮正前方，激光位移传感器和被测砂轮非接触，激光位移传感器通过数据电缆线与控制器连接，控制器通过数据电缆线与计算机连接；启动检测装置，机床工作台带动激光位移传感器移动，使激光位移传感器位于被测砂轮表面的前方，激光光斑通过被测砂轮轴的中心；步骤2：利用激光位移传感器采集砂轮表面圆周方向轮廓数据，具体包括步骤2.1‑2.3；步骤2.1：启动机床主轴，带动被测砂轮匀速旋转；步骤2.2：设置激光位移传感器参数；根据砂轮直径、砂轮转速和磨粒直径这些条件参量，通过控制器设置激光位移传感器的采样频率f和采样长度L；采样频率f和采样长度L满足式(1)所示关系：式(1)中，ns是被测砂轮转速，单位r/min；ds是被测砂轮直径，单位mm；dm是被测砂轮表面磨粒直径，单位mm；激光位移传感器采样频率f单位为Hz，采样长度L单位为个；步骤2.3：激光位移传感器对旋转的被测砂轮外圆表面扫描采样，将采样点的相对高度，即被测砂轮表面圆周方向轮廓数据，传输至计算机；步骤3：对传输至计算机的原始采样数据进行降噪处理，具体包括步骤3.1‑3.5；步骤3.1：将传输至计算机的原始采样数据构建采样数据数组Y1＝{y1,y2,…,yL+，并将Y1中数据点逐一进行编号，构建采样点坐标数组X1＝{1,2,…,L}；步骤3.2：对步骤3.1中的原始采样数据数组Y1进行滤波去噪，滤波原理为，砂轮表面不超过宽度阈值J范围内的采样高度值，其变化幅度不应超过幅度阈值H，宽度阈值J是指激光位移传感器采样数据段中数据点的个数的合理值，幅度阈值H是指激光位移传感器采样数据段中数据点的差值的合理值；步骤3.3：对步骤3.2滤波去噪后的数据数组进行线性插值处理，以补充滤波去除的数据点，获得新的数据数组Y2＝{y′1,y′2,…,y′L}，Y2的坐标数组仍为X1；步骤3.4：对步骤3.3线性插值处理后获得的数据数组Y₂，计算其移动平均数，即截取长度为Q的滑动数据段，Q为奇数，利用每个数据段的平均数构建平均线数据数组利用每个数据段的中心位置坐标构建平均线坐标数组步骤3.5：剔除奇异数据点并进行线性插值补充；计算步骤3.3线性插值处理后获得的数据数组Y₂相对于步骤3.4计算得到的平均线数据数组Y_m的偏移量并进行分布统计，将偏离幅度大，且分布概率低的数组Y₂中的奇异数据点剔除，剔除的数据点采用线性插值补充，获得新的数据数组Y₃的坐标数组步骤4：计算得到与砂轮表面粗糙度相关的评价参量：轮廓平均偏差R_a、轮廓偏差一致度P_a、正轮廓平均偏差R_ap、负轮廓平均偏差R_am、轮廓平均偏差R_a的均值和标准差P_c，具体包括步骤4.1‑4.5；步骤4.1：计算得到中位线数据数组YU和中位线坐标数组XU，具体包括步骤4.1.1‑4.1.3；步骤4.1.1：按照取样周期1/K和评定长度M对步骤3.4中的平均线数据数组Y_m进行截取；K和M均为正整数；截取方法为：砂轮圆周表面一周的采样点数为个，从数组Y_m中截取时，共截取M段，每段长度为个数据点，每段截取的起始点坐标分别为经过截取后获得M个数组分别为：数组Y_m1、Y_m2、……、Y_mM的坐标数组分别为步骤4.1.2：针对步骤4.1.1中的数组Y_m1、Y_m2、……、Y_mM，利用数学的最小二乘法依次对各数组中数据进行曲线拟合，拟合后获得Y_m1、Y_m2、……、Y_mM对应的拟合数组分别为：拟合数组Yn1、Yn2、……、YnM的坐标数组仍为Xm1、Xm2、……、XmM；步骤4.1.3：针对步骤4.1.2中的拟合数组Y_n1、Y_n2、……、Y_nM，依次截取各数组的中间个数据点，构成子集数组Y_u1、Y_u2、……、Y_uM；拟合数组Yn1、Yn2、……、YnM对应的子集数组分别为：子集数组Yu1、Yu2、……、YuM的坐标数组分别为：分别将子集数组Y_u1、Y_u2、……、Y_uM的数据点依次顺序排列，构成中位线数据数组同样的，分别将子集数组Y_u1、Y_u2、……、Y_uM的坐标数组X_u1、X_u2、……、X_uM的数据点依次顺序排列，构成中位线坐标数组步骤4.2：计算步骤3.5中的剔除奇异数据点并插值补充后的数据数组Y₃相对于步骤4.1.3中的中位线数据数组Y_U的坐标对应的数据点的偏移量，获得轮廓偏移量数组轮廓偏移量数组Y_s的坐标数组X_s仍为X_U，即为方便后续表述，将轮廓偏移量数组Y_s的坐标按顺序重新排号，即轮廓偏移量数组Y_s的坐标数组X_s调整为步骤4.3：利用步骤4.2中的轮廓偏移量数组Ys按照取样周期1/K和评定长度M计算轮廓平均偏差Ra以及轮廓偏差一致度Pa；式(2)(3)中，ns是被测砂轮转速，单位r/min；f是激光位移传感器采样频率，单位Hz；ysi为偏移量数组Ys中数据点；轮廓平均偏差Ra用来评价砂轮表面圆周方向的整体或局部的粗糙程度；轮廓偏差一致度Pa用来评价砂轮表面圆周方向局部粗糙度的一致性；步骤4.4：计算正轮廓平均偏差Rap和负轮廓平均偏差Ram；将步骤4.2中的轮廓偏移量数组Ys中的正数和负数分别筛选出来，构建正轮廓偏移量数组Ysp和负轮廓偏移量数组Ysm，将数组Ysp和Ysm按照取样周期1/K和评定长度M计算正轮廓平均偏差Rap和负轮廓平均偏差Ram，式(4)中，{ysp_a，ysp_a+1，…，ysp_b}为轮廓偏移量数组Y_s子集数组中的正数，{ysp_c，ysp_c+1，…，ysp_d}为轮廓偏移量数组Y_s子集数组中的正数，Y_sp＝{ysp_a，…，ysp_b，…，ysp_c，…，ysp_d}；式(5)中，{ysm_a1，ysm_a1+1，…，ysm_b1}为轮廓偏移量数组Y_s子集数组中的负数，{ysm_c1，ysm_c1+1，…，ysm_d1}为轮廓偏移量数组Y_s子集数组中的负数，Y_sm＝{ysm_a1，…，ysm_b1，…，ysm_c1，…，ysm_d1}；正轮廓平均偏差Rap和负轮廓平均偏差Ram用来评价砂轮表面的钝化状态；步骤4.5：计算均值和标准差P_c；如果砂轮宽度较大，需要对砂轮表面的平均粗糙度进行综合评价，将激光位移传感器沿砂轮轴向平移，使激光光斑位于砂轮一侧边缘，然后激光位移传感器向另一侧平移一段距离E，取样周期1/K中K取值为1，重复步骤2.3至步骤4.3，计算得到轮廓平均偏差Ra₂，如此循环往复，直到激光光斑位于砂轮的另一侧边缘时结束，共测量n‑1次，得到Ra₂、Ra₃、Ra₄、…、Ra_n，计算Ra₂、Ra₃、Ra₄、…、Ra_n的均值和标准差P_c；激光位移传感器的平移距离E满足式(8)所示关系：0.9ws＜(n‑2)E＜ws   (8)式(8)中，ws是被测砂轮轴向宽度，单位mm；用来综合评价砂轮表面，兼顾整个轴向宽度的表面，沿圆周方向的平均粗糙程度；P_c用来评价砂轮表面圆周方向粗糙度在轴向不同位置的一致性；步骤5：计算得到与砂轮表面磨粒分布密度和均匀性相关的评价参量：砂轮表面圆周方向轮廓曲线的峰值间距S、磨粒直径与峰间距占比δ、峰值间距离散度S_p、砂轮表面圆周方向轮廓曲线的峰值间距S的均值磨粒直径与峰间距占比δ的均值和峰值间距离散度S_p的均值具体包括步骤5.1‑5.3；步骤5.1：寻找轮廓曲线的波峰值及其位置坐标；将步骤3.5中剔除奇异数据点并插值补充后的数据数组Y3及其坐标数组X3导入二维直角坐标系，绘制出砂轮表面圆周方向的轮廓曲线，通过差值法和阈值法寻找轮廓曲线的波峰值及其位置坐标；差值法和阈值法寻找轮廓曲线波峰的原理为：轮廓曲线中后一位置采样点和前一位置采样点的差值可以重新形成一个新的差值波形，差值波形中由正转负过零位置对应轮廓曲线中的采样点为准波峰值，如果差值波形中由正转负过零位置前的正值数据长度超过长度阈值R且正值数据幅度超过幅度阈值I，并且该位置后的负值数据长度超过长度阈值R且负值数据幅度超过幅度阈值I，即认定该位置对应轮廓曲线中的采样点为波峰值；步骤5.2：计算砂轮表面圆周方向轮廓曲线的峰值间距S、磨粒直径与峰间距占比δ以及峰值间距离散度Sp；根据步骤5.1中寻找得到的数据数组Y3中所有的波峰值及其在坐标数组X3中对应的位置坐标，从坐标数组X3中截取砂轮表面一个圆周的波峰值所对应的位置坐标，构建数组Xp＝{N1,N2,…,Nt}；由数组Xp中相邻两元素的差值，计算砂轮表面圆周方向轮廓曲线的峰值间距S、磨粒直径与峰值间距占比δ以及峰值间距离散度Sp，式(9)(10)(11)中，ns是被测砂轮转速，单位r/min；ds是被测砂轮直径，单位mm；dm是被测砂轮表面磨粒直径，单位mm；f是激光位移传感器采样频率，单位Hz；峰值间距S用来评价砂轮表面圆周方向磨粒分布的平均间距；磨粒直径与峰间距占比δ用来评价砂轮表面磨粒分布的密度；峰值间距离散度Sp用来评价砂轮表面磨粒分布的均匀性；步骤5.3：分别计算砂轮表面圆周方向轮廓曲线的峰值间距S、磨粒直径与峰间距占比δ以及峰值间距离散度S_p的均值和将激光位移传感器沿砂轮轴向平移，使激光光斑位于砂轮一侧边缘，然后激光位移传感器向另一侧平移一段距离，平移规则与步骤4.5中的相同，重复步骤2.3至步骤3.5，以及步骤5.1和步骤5.2，计算得S₂、δ₂以及S_p2，如此循环往复，计算得S₃、δ₃、S_p3，S₄、δ₄、S_p4，……，最后计算各参数均值峰值间距S、磨粒直径与峰间距占比δ以及峰值间距离散度S_p的均值和用来针对砂轮表面，兼顾整个轴向宽度的表面，沿圆周方向磨粒分布的密度和均匀性进行评价。