申請?zhí)? 201710391440.8

申請日: 2017.05.27

國家/省市:中國河南(41)

公開號: 107179101A

公開日: 2017.09.19

主分類號:G01D 21/02(2006.01)

分類號: G01D 21/02(2006.01)

申請人: 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司

發(fā)明人: 師超鈺; 朱建輝

代理人: 劉建芳

代理機(jī)構(gòu):鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所（普通合伙）(41104)

申請人地址:河南省鄭州市高新區(qū)梧桐街121號

摘要： 本發(fā)明公開了一種砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態(tài)的檢測及評價(jià)方法，通過利用激光位移傳感器高速率、高精度的掃描采集能力以及計(jì)算機(jī)的高效數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態(tài)的檢測及分析評價(jià)，并分別針對砂輪表面圓周方向的粗糙度、磨粒分布密度和分布均勻性計(jì)算出相應(yīng)的評價(jià)參量，克服了目前砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態(tài)的檢測成本高、且耗時(shí)費(fèi)力又難以全面評價(jià)的困難，為砂輪制造和修整工藝的改進(jìn)提供準(zhǔn)確依據(jù)，對提高磨削加工質(zhì)量和效率具有重要意義。

主權(quán)利要求

1.一種砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態(tài)的檢測及評價(jià)方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1：檢測裝置的準(zhǔn)備工作；被測砂輪安裝在機(jī)床主軸上；檢測裝置包括激光位移傳感器、控制器、數(shù)據(jù)電纜線、磁力支撐架和計(jì)算機(jī)，激光位移傳感器設(shè)置在磁力支撐架上，且激光位移傳感器位于被測砂輪正前方，激光位移傳感器和被測砂輪非接觸，激光位移傳感器通過數(shù)據(jù)電纜線與控制器連接，控制器通過數(shù)據(jù)電纜線與計(jì)算機(jī)連接；啟動(dòng)檢測裝置，機(jī)床工作臺帶動(dòng)激光位移傳感器移動(dòng)，使激光位移傳感器位于被測砂輪表面的前方，激光光斑通過被測砂輪軸的中心；步驟2：利用激光位移傳感器采集砂輪表面圓周方向輪廓數(shù)據(jù)，具體包括步驟2.1-2.3；步驟2.1：啟動(dòng)機(jī)床主軸，帶動(dòng)被測砂輪勻速旋轉(zhuǎn)；步驟2.2：設(shè)置激光位移傳感器參數(shù)；根據(jù)砂輪直徑、砂輪轉(zhuǎn)速和磨粒直徑這些條件參量，通過控制器設(shè)置激光位移傳感器的采樣頻率f和采樣長度L；采樣頻率f和采樣長度L滿足式(1)所示關(guān)系：式(1)中，ns是被測砂輪轉(zhuǎn)速，單位r/min；ds是被測砂輪直徑，單位mm；m是被測砂輪表面磨粒直徑，單位mm；激光位移傳感器采樣頻率f單位為Hz，采樣長度L單位為個(gè)；步驟2.3：激光位移傳感器對旋轉(zhuǎn)的被測砂輪外圓表面掃描采樣，將采樣點(diǎn)的相對高度，即被測砂輪表面圓周方向輪廓數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)；步驟3：對傳輸至計(jì)算機(jī)的原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，具體包括步驟3.1-3.5；步驟3.1：將傳輸至計(jì)算機(jī)的原始采樣數(shù)據(jù)構(gòu)建采樣數(shù)據(jù)數(shù)組Y1＝{y1,y2,…,yL}，并將Y1中數(shù)據(jù)點(diǎn)逐一進(jìn)行編號，構(gòu)建采樣點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組X1＝{1,2,…,L}；步驟3.2：對步驟3.1中的原始采樣數(shù)據(jù)數(shù)組Y1進(jìn)行濾波去噪，濾波原理為，砂輪表面不超過寬度閾值J范圍內(nèi)的采樣高度值，其變化幅度不應(yīng)超過幅度閾值H，寬度閾值J是指激光位移傳感器采樣數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)的合理值，幅度閾值H是指激光位移傳感器采樣數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值的合理值；步驟3.3：對步驟3.2濾波去噪后的數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行線性插值處理，以補(bǔ)充濾波去除的數(shù)據(jù)點(diǎn)，獲得新的數(shù)據(jù)數(shù)組Y2＝{y′1,y′2,…,y′L}，Y2的坐標(biāo)數(shù)組仍為X1；步驟3.4：對步驟3.3線性插值處理后獲得的數(shù)據(jù)數(shù)組Y2，計(jì)算其移動(dòng)平均數(shù)，即截取長度為Q的滑動(dòng)數(shù)據(jù)段，Q為奇數(shù)，利用每個(gè)數(shù)據(jù)段的平均數(shù)構(gòu)建平均線數(shù)據(jù)數(shù)組利用每個(gè)數(shù)據(jù)段的中心位置坐標(biāo)構(gòu)建平均線坐標(biāo)數(shù)組步驟3.5：剔除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行線性插值補(bǔ)充；計(jì)算步驟3.3線性插值處理后獲得的數(shù)據(jù)數(shù)組Y2相對于步驟3.4計(jì)算得到的平均線數(shù)據(jù)數(shù)組Ym的偏移量并進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，將偏離幅度大，且分布概率低的數(shù)組Y2中的奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除，剔除的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用線性插值補(bǔ)充，獲得新的數(shù)據(jù)數(shù)組Y3的坐標(biāo)數(shù)組步驟4：計(jì)算得到與砂輪表面粗糙度相關(guān)的評價(jià)參量：輪廓平均偏差Ra、輪廓偏差一致度Pa、正輪廓平均偏差Rap、負(fù)輪廓平均偏差Ram、輪廓平均偏差Ra的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Pc，具體包括步驟4.1-4.5；步驟4.1：計(jì)算得到中位線數(shù)據(jù)數(shù)組YU和中位線坐標(biāo)數(shù)組XU，具體包括步驟4.1.1-4.1.3；步驟4.1.1：按照取樣周期1/K和評定長度M對步驟3.4中的平均線數(shù)據(jù)數(shù)組Ym進(jìn)行截取；K和M均為正整數(shù)；截取方法為：砂輪圓周表面一周的采樣點(diǎn)數(shù)為個(gè)，從數(shù)組Ym中截取時(shí)，共截取M段，每段長度為個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每段截取的起始點(diǎn)坐標(biāo)分別為經(jīng)過截取后獲得M個(gè)數(shù)組分別為：數(shù)組Ym1、Ym2、……、YmM的坐標(biāo)數(shù)組分別為步驟4.1.2：針對步驟4.1.1中的數(shù)組Ym1、Ym2、……、YmM，利用數(shù)學(xué)的最小二乘法依次對各數(shù)組中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合后獲得Ym1、Ym2、……、YmM對應(yīng)的擬合數(shù)組分別為：擬合數(shù)組Yn1、Yn2、……、YnM的坐標(biāo)數(shù)組仍為Xm1、Xm2、……、XmM；步驟4.1.3：針對步驟4.1.2中的擬合數(shù)組Yn1、Yn2、……、YnM，依次截取各數(shù)組的中間個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)成子集數(shù)組Yu1、Yu2、……、YuM；擬合數(shù)組Yn1、Yn2、……、YnM對應(yīng)的子集數(shù)組分別為：子集數(shù)組Yu1、Yu2、……、YuM的坐標(biāo)數(shù)組分別為：分別將子集數(shù)組Yu1、Yu2、……、YuM的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次順序排列，構(gòu)成中位線數(shù)據(jù)數(shù)組同樣的，分別將子集數(shù)組Yu1、Yu2、……、YuM的坐標(biāo)數(shù)組Xu1、Xu2、……、XuM的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次順序排列，構(gòu)成中位線坐標(biāo)數(shù)組步驟4.2：計(jì)算步驟3.5中的剔除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)并插值補(bǔ)充后的數(shù)據(jù)數(shù)組Y3相對于步驟4.1.3中的中位線數(shù)據(jù)數(shù)組YU的坐標(biāo)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏移量，獲得輪廓偏移量數(shù)組輪廓偏移量數(shù)組Ys的坐標(biāo)數(shù)組Xs仍為XU，即為方便后續(xù)表述，將輪廓偏移量數(shù)組Ys的坐標(biāo)按順序重新排號，即輪廓偏移量數(shù)組Ys的坐標(biāo)數(shù)組Xs調(diào)整為步驟4.3：利用步驟4.2中的輪廓偏移量數(shù)組Ys按照取樣周期1/K和評定長度M計(jì)算輪廓平均偏差Ra以及輪廓偏差一致度Pa；式(2)(3)中，ns是被測砂輪轉(zhuǎn)速，單位r/min；f是激光位移傳感器采樣頻率，單位Hz；ysi為偏移量數(shù)組Ys中數(shù)據(jù)點(diǎn)；輪廓平均偏差Ra用來評價(jià)砂輪表面圓周方向的整體或局部的粗糙程度；輪廓偏差一致度Pa用來評價(jià)砂輪表面圓周方向局部粗糙度的一致性；步驟4.4：計(jì)算正輪廓平均偏差Rap和負(fù)輪廓平均偏差Ram；將步驟4.2中的輪廓偏移量數(shù)組Ys中的正數(shù)和負(fù)數(shù)分別篩選出來，構(gòu)建正輪廓偏移量數(shù)組Ysp和負(fù)輪廓偏移量數(shù)組Ysm，將數(shù)組Ysp和Ysm按照取樣周期1/K和評定長度M計(jì)算正輪廓平均偏差Rap和負(fù)輪廓平均偏差Ram，式(4)中，{yspa，yspa+1，…，yspb}為輪廓偏移量數(shù)組Ys子集數(shù)組中的正數(shù)，{yspc，yspc+1，…，yspd}為輪廓偏移量數(shù)組Ys子集數(shù)組中的正數(shù)，Ysp＝{yspa，…，yspb，…，yspc，…，yspd}；式(5)中，{ysma1，ysma1+1，…，ysmb1}為輪廓偏移量數(shù)組Ys子集數(shù)組中的負(fù)數(shù)，{ysmc1，ysmc1+1，…，ysmd1{為輪廓偏移量數(shù)組Ys子集數(shù)組中的負(fù)數(shù)，Ysm＝{ysma1，…，ysmb1，…，ysmc1，…，ysmd1}；正輪廓平均偏差Rap和負(fù)輪廓平均偏差Ram用來評價(jià)砂輪表面的鈍化狀態(tài)；步驟4.5：計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差Pc；如果砂輪寬度較大，需要對砂輪表面的平均粗糙度進(jìn)行綜合評價(jià)，將激光位移傳感器沿砂輪軸向平移，使激光光斑位于砂輪一側(cè)邊緣，然后激光位移傳感器向另一側(cè)平移一段距離E，取樣周期1/K中K取值為1，重復(fù)步驟2.3至步驟4.3，計(jì)算得到輪廓平均偏差Ra2，如此循環(huán)往復(fù)，直到激光光斑位于砂輪的另一側(cè)邊緣時(shí)結(jié)束，共測量n-1次，得到Ra2、Ra3、Ra4、…、Ran，計(jì)算Ra2、Ra3、Ra4、…、Ran的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Pc；激光位移傳感器的平移距離E滿足式(8)所示關(guān)系：0.9ws＜(n-2)E＜ws(8)式(8)中，ws是被測砂輪軸向?qū)挾龋瑔挝籱m；用來綜合評價(jià)砂輪表面，兼顧整個(gè)軸向?qū)挾鹊谋砻妫貓A周方向的平均粗糙程度；Pc用來評價(jià)砂輪表面圓周方向粗糙度在軸向不同位置的一致性；步驟5：計(jì)算得到與砂輪表面磨粒分布密度和均勻性相關(guān)的評價(jià)參量：砂輪表面圓周方向輪廓曲線的峰值間距S、磨粒直徑與峰間距占比δ、峰值間距離散度Sp、砂輪表面圓周方向輪廓曲線的峰值間距S的均值磨粒直徑與峰間距占比δ的均值和峰值間距離散度Sp的均值具體包括步驟5.1-5.3；步驟5.1：尋找輪廓曲線的波峰值及其位置坐標(biāo)；將步驟3.5中剔除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)并插值補(bǔ)充后的數(shù)據(jù)數(shù)組Y3及其坐標(biāo)數(shù)組X3導(dǎo)入二維直角坐標(biāo)系，繪制出砂輪表面圓周方向的輪廓曲線，通過差值法和閾值法尋找輪廓曲線的波峰值及其位置坐標(biāo)；差值法和閾值法尋找輪廓曲線波峰的原理為：輪廓曲線中后一位置采樣點(diǎn)和前一位置采樣點(diǎn)的差值可以重新形成一個(gè)新的差值波形，差值波形中由正轉(zhuǎn)負(fù)過零位置對應(yīng)輪廓曲線中的采樣點(diǎn)為準(zhǔn)波峰值，如果差值波形中由正轉(zhuǎn)負(fù)過零位置前的正值數(shù)據(jù)長度超過一定長度閾值R且正值數(shù)據(jù)幅度超過一定幅度閾值I，并且該位置后的負(fù)值數(shù)據(jù)長度超過一定長度閾值R且負(fù)值數(shù)據(jù)幅度超過一定幅度閾值I，即認(rèn)定該位置對應(yīng)輪廓曲線中的采樣點(diǎn)為波峰值；步驟5.2：計(jì)算砂輪表面圓周方向輪廓曲線的峰值間距S、磨粒直徑與峰間距占比δ以及峰值間距離散度Sp；根據(jù)步驟5.1中尋找得到的數(shù)據(jù)數(shù)組Y3中所有的波峰值及其在坐標(biāo)數(shù)組X3中對應(yīng)的位置坐標(biāo)，從坐標(biāo)數(shù)組X3中截取砂輪表面一個(gè)圓周的波峰值所對應(yīng)的位置坐標(biāo)，構(gòu)建數(shù)組Xp＝{N1,N2,…,Nt}；由數(shù)組Xp中相鄰兩元素的差值，計(jì)算砂輪表面圓周方向輪廓曲線的峰值間距S、磨粒直徑與峰值間距占比δ以及峰值間距離散度Sp，式(9)(10)(11)中，ns是被測砂輪轉(zhuǎn)速，單位r/min；ds是被測砂輪直徑，單位mm；dm是被測砂輪表面磨粒直徑，單位mm；f是激光位移傳感器采樣頻率，單位Hz；峰值間距S用來評價(jià)砂輪表面圓周方向磨粒分布的平均間距；磨粒直徑與峰間距占比δ用來評價(jià)砂輪表面磨粒分布的密度；峰值間距離散度Sp用來評價(jià)砂輪表面磨粒分布的均勻性；步驟5.3：分別計(jì)算砂輪表面圓周方向輪廓曲線的峰值間距S、磨粒直徑與峰間距占比δ以及峰值間距離散度Sp的均值和將激光位移傳感器沿砂輪軸向平移，使激光光斑位于砂輪一側(cè)邊緣，然后激光位移傳感器向另一側(cè)平移一段距離，平移規(guī)則與步驟4.5中的相同，重復(fù)步驟2.3至步驟3.5，以及步驟5.1和步驟5.2，計(jì)算得S2、δ2以及Sp2，如此循環(huán)往復(fù)，計(jì)算得S3、δ3、Sp3，S4、δ4、Sp4，……，最后計(jì)算各參數(shù)均值峰值間距S、磨粒直徑與峰間距占比δ以及峰值間距離散度Sp的均值和用來針對砂輪表面，兼顧整個(gè)軸向?qū)挾鹊谋砻妫貓A周方向磨粒分布的密度和均勻性進(jìn)行評價(jià)。