阅读说明：本技术 圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置及方法 () 是由 陈冰 李时春 邓朝晖 赵清亮 郭兵 潘永成 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置及方法,它涉及采用声发射传感器对精密修整圆弧形金刚石砂轮过程中的砂轮修整状态进行实时识别与判断的在线监测方法。本发明要解决目前圆弧形金刚石砂轮修整过程不能实时判断修整结束时间带来的修整效率低、修整工具和砂轮磨料浪费、成本高的问题。本发明借助于安装在与砂轮主轴上的旋转声发射传感器,采集圆弧形金刚石砂轮修整过程中的声发射信号,提取表征修整状态的声发射特征信号,依据声发射信号的幅值特征实时判断修整过程所处修整阶段,确定修整结束的时间。修整后的圆弧形金刚石砂轮适用于陶瓷、玻璃等脆性材料的球面、非球面及自由曲面精密磨削加工。()

圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于金刚石砂轮技术领域，具体地说，涉及圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置及方法。

背景技术

近年来，球面、非球面及自由曲面光学零件在军用和民用产品上的应用越来越广泛，对于这些多为陶瓷、光学玻璃、硬质合金等硬脆材料的光学零件，基于金刚石砂轮的超精密磨削技术是其制备的有效解决手段。圆弧形金刚石砂轮的精密成形修整是实现球面、非球面及自由曲面超精密平行磨削加工的关键技术。目前，声发射传感器在线监测技术广泛应用于机械制造领域，通过声发射信号监测技术对砂轮修整状况的实时监测，可减少砂轮修整过程中不必要的修整辅助时间和砂轮磨料的消耗，提高整体加工效率，降低生产成本。

目前，砂轮修整过程监测方法多为激光测微仪的离线检测与监测，具体的监测方法是：砂轮修整一段时间后，停止砂轮修整，采用激光测微仪测量砂轮的截面轮廓是否连续，若不联续则继续修整，若连续停止修整。这种检测与监测砂轮修整的方法，不能实时在线监测，增加了大量的砂轮修整辅助时间，可能存在大量不必要的砂轮磨料消耗，且激光测微仪检测设备价格昂贵，增加了砂轮修整的成本。

目前声发射在线监测金刚石砂轮修整过程的研究，局限于基于固定式声发射传感器监测，采用金刚石修整笔修整金刚石平行砂轮的研究。修整笔在修整圆弧形金刚石砂轮时不能保证较高的修整精度，且固定式声发射传感器不能应用于修整工具主轴和砂轮主轴均旋转的场合。

相比以上圆弧形金刚石砂轮修整的监测方法，本发明提出的修整过程在线监测方法利用旋转声发射传感器监测系统，操作简单，设备成本低，实时识别和判断修整过程状态，对提高圆弧形金刚石砂轮修整效率方面具有独特的优势，且可应用于修整工具主轴和砂轮主轴均旋转的场合。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置及方法，采用安装在砂轮主轴底端的旋转声发射传感器采集圆弧形金刚石砂轮修整过程中的声发射信号，实时判断修整过程所处修整阶段并确定修整结束的时间，修整后的圆弧形金刚石砂轮适用于陶瓷、玻璃等脆性材料的球面、非球面及自由曲面精密磨削加工。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置，主要由具有工件主轴和磨削主轴的三直线轴联动机床、金刚石修整滚轮、圆弧形砂轮和旋转声发射传感器构成，金刚石修整滚轮安装在机床工件主轴的真空吸盘上，砂轮安装在垂直布置的磨削主轴下端部，金刚石修整滚轮的外表面与砂轮圆弧接触实现修整，并产生声信号，通过安装在砂轮底部的声发射转子传感器，传递到声发射定子传感器，最终传递到计算机进行实时数据处理与修整状态的判断。

一种圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测方法，通过以下步骤实现的：

步骤一：金刚石修整滚轮、圆弧形砂轮及声发射传感器的安装。将金刚石修整滚轮安装在机床工件主轴的真空吸盘上，通过工件主轴驱动金刚石修整滚轮旋转运动；将圆弧金刚石砂轮由转接声发射转子传感器的螺栓固定安装在垂直布置的磨削主轴下端部，由磨削主轴驱动砂轮和声发射转子传感器同时旋转运动；与之相对的声发射定子传感器安装在竖直位移微调装置的平台上，调整竖直位移微调装置的位置及竖直方向的高度，使声发射定子传感器的信号接收端正对声发射转子传感器的信号发射端，且两者间距小于1mm。

步骤二：声发射信号接收系统搭建。声发射定子传感器连接至前置放大器，前置放大器连接至计算机上的采集卡，数据卡将声发射时域信号呈现在电脑显示器。

步骤三：金刚石修整滚轮与砂轮的初始位置关系确定。首先确定Y向位置，手动移动机床竖直方向主轴Y轴使金刚石修整滚轮与砂轮磨料层的上表面接触记录此时Y向位置坐标Y1，手动移动机床竖直方向主轴Y轴使金刚石修整滚轮与砂轮磨料层的下表面接触记录此时Y向位置坐标Y2，进而确定砂轮中心平面的Y向位置Yw＝|Y1-Y2|/2。手动移动机床水平方向主轴X轴使金刚石修整滚轮与圆弧形金刚石砂轮的圆弧顶点直到两者接触，进而确定圆弧形金刚石砂轮与金刚石修整滚轮接触X向位置。由于Z向位置对修整结果影响较小，移动机床水平方向主轴Z轴能保证修整器执行元件顶端超出砂轮Z向顶点位置即可。

步骤四：圆弧插补程序编程。依据金刚石修整滚轮和圆弧形金刚石砂轮的初始位置关系待修整砂轮圆弧和金刚石修整滚轮半径确定XY平面内的圆弧插补程序。

步骤五：金刚石修整滚轮对圆弧形金刚石砂轮修整和声发射信号的采集。采用一定的修整参数，按照圆弧插补程序和路径规划对圆弧形金刚石砂轮进行修整，修整过程中产生的声信号可通过旋转的声发射转子传感器的信号发射端通过无线传输方式传递到固定的声发射定子传感器的信号接收端，并由声发射定子传感器将声发射信号传递到前置放大器，输入到数据采集卡中，完成声信号的数据采集。

步骤六：修整声发射信号的实时处理并显示。采用Labview软件对修整过程的声发射信号进行分析处理，提取修整阶段的声发射特征信号，对其进行均方根处理，并实时显示到计算机上。

步骤七：判断修整状态。依据步骤六实时显示的声发射信号均方根的幅值大小、连续性等判断修整状态。若声发射信号均方根的幅值大小出现明显高于没有修整时的幅值大小，表明金刚石修整滚轮与砂轮已经接触上了，进入开始修整状态；若整个修整过程中存在的声发射信号均方根的幅值大小连续高于一定正值，且持续时间略小于金刚石修整滚轮一次圆弧插补运动周期时间，表示砂轮整个截面圆弧已经参与金刚石滚轮相互接触修整，即修整处于结束阶段。

本发明提供一种针对硬脆材料球面非球面元件超精密磨削加工用圆弧形金刚石砂轮修整的在线监测方法，以解决目前圆弧形金刚石砂轮修整过程不能实时判断修整结束时间带来的修整效率低、修整工具和砂轮磨料浪费、成本高的问题。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明实现圆弧形金刚石砂轮的精密修整过程的在线监测；

2、本发明可实现多种结合剂砂轮修整过程的在线监测，如金属基、树脂基、陶瓷基、金属树脂混合基；

3、本发明可节省修整时间、减少修整工具与砂轮基体材料的浪费；

4、本发明设备简单、成本低、不影响修整过程、便于操作。

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明在线监测装置结构示意图；

图2是金刚石修整滚轮与圆弧形金刚石砂轮的插补运动轨迹图；

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-2，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。见附图1-2示出：

具体实施方式一：本实施方式一种圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测装置，由具有工件主轴2和磨削主轴7的三直线轴(1,3,16)联动机床、夹具5、金刚石修整滚轮6、圆弧形金刚石砂轮15、声发射转子传感器14、声发射定子传感器13、竖直位移微调装置12、数据线缆11、前置放大器10、数据采集卡9、计算机8构成。金刚石修整滚轮6通过夹具5安装在机床工件主轴2的真空吸盘4上，圆弧形金刚石砂轮15安装在垂直布置的磨削主轴7下端部，声发射转子传感器14安装在圆弧形金刚石砂轮15下端部，与之相对的声发射定子传感器13安装在竖直位移微调装置12的平台上，调整竖直位移微调装置12的位置及竖直方向的高度，使声发射定子传感器13的信号接收端正对声发射转子传感器14的信号发射端，且两者间距小于1mm。声发射定子传感器13通过线缆11连接到前置放大器10，再通过线缆11连接到数据采集卡9上，通过采集卡9将数据传递到计算8机上。金刚石修整滚轮6圆柱外表面与圆弧形金刚石砂轮15圆弧接触释放出声信号。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金刚石修整滚轮的粒度为70#～100#。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的圆弧金刚石砂轮的结合剂为树脂基、陶瓷基或者金属基，粒度为D3～D64。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式的一种圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测方法，通过以下步骤实现的：

步骤一：金刚石修整滚轮6、圆弧形金刚石砂轮15及声发射传感器(12、13)的安装。将金刚石修整滚轮6通过夹具5安装在机床工件主轴2的真空吸盘4上，通过工件主轴2驱动金刚石修整滚轮6旋转运动；将圆弧金刚石砂轮15由转接声发射转子传感器14的螺栓固定安装在垂直布置的磨削主轴7下端部，由磨削主轴7驱动砂轮15和声发射转子传感器14同时旋转运动；与之相对的声发射定子传感器13安装在竖直位移微调装置12的平台上，调整竖直位移微调装置12的位置及竖直方向的高度，使声发射定子传感器13的信号接收端正对声发射转子传感器12的信号发射端，且两者间距小于1mm。

步骤二：声发射信号接收系统搭建。声发射定子传感器13通过线缆11连接至前置放大器10，前置放大器10连接至计算机上的数据采集卡9，数据采集卡9将声发射时域信号实时呈现在计算机8上。

步骤三：金刚石修整滚轮6与圆弧形金刚石砂轮15的初始位置关系确定。首先确定Y向位置，手动移动机床竖直方向主轴Y轴3使金刚石修整滚轮6与砂轮15磨料层的上表面接触记录此时Y向位置坐标Y1，手动移动机床竖直方向主轴Y轴3使金刚石修整滚轮6与砂轮15磨料层的下表面接触记录此时Y向位置坐标Y2，进而确定砂轮15中心平面的Y向位置Yw＝|Y1-Y2|/2。手动移动机床水平方向主轴X轴1使金刚石修整滚轮6与圆弧形金刚石砂轮15的圆弧顶点直到两者接触，进而确定圆弧形金刚石砂轮15与金刚石修整滚轮6接触X向位置。由于Z向位置对修整结果影响较小，移动机床水平方向主轴Z轴16能保证金刚石修整滚轮6顶端超出砂轮Z向顶点位置即可。

步骤四：圆弧插补程序编程。依据金刚石修整滚轮6和圆弧形金刚石砂轮15的初始位置关系待修整砂轮圆弧15和金刚石修整滚轮6半径确定XY平面内的圆弧插补程序。

步骤五：金刚石修整滚轮6对圆弧形金刚石砂轮15修整和声发射信号的采集。采用一定的修整参数，修整参数：修整滚轮转速为800rpm，砂轮转速为4000rpm，磨削深度为5μm，进给速度为100mm/min，磨削液为水基乳化液。按照圆弧插补程序和路径规划对圆弧形金刚石砂轮15进行修整，修整过程中产生的声信号可通过旋转的声发射转子传感器14的信号发射端通过无线传输方式传递到固定的声发射定子传感器13的信号接收端，并由声发射定子传感器13将声发射信号传递到前置放大器10，输入到数据采集卡9中，并实时显示在计算机10上，完成声信号的数据采集。

步骤六：修整声发射信号的实时处理。采用Labview软件对修整过程的声发射信号进行分析处理，提取修整阶段的声发射特征信号，对其进行均方根处理。

步骤七：判断修整状态。依据步骤六实时显示的声发射信号均方根的幅值大小、连续性等判断修整状态。若声发射信号均方根的幅值大小出现明显高于没有修整时的幅值大小，表明金刚石修整滚轮与砂轮已经接触上了，进入开始修整状态；若整个修整过程中存在的声发射信号均方根的幅值大小连续高于一定正值，且持续时间略小于金刚石修整滚轮一次圆弧插补运动周期时间，表示砂轮整个截面圆弧已经参与金刚石滚轮相互接触修整，即修整处于结束阶段。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的金刚石修整滚轮的粒度为70#～100#。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的圆弧金刚石砂轮的结合剂为树脂基、陶瓷基或者金属基，粒度为D3～D64。其它与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中所述的修整滚轮转速为500～1000rpm。其它与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中所述的工件砂轮转速为4000～5000rpm。其它与具体实施方式四至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中所述的磨削深度为2～10μm。其它与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中所述的磨削进给速度为50～200mm/min。其它与具体实施方式四至九之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种圆弧形金刚石砂轮精密修整的声发射在线监测方法，按以下步骤进行：

一：金刚石修整滚轮、圆弧形金刚石砂轮及声发射传感器的安装。将直径为50mm的金刚石修整滚轮通过夹具安装在机床工件主轴的真空吸盘上，通过工件主轴驱动金刚石修整滚轮旋转运动；将圆弧金刚石砂轮由转接声发射转子传感器的螺栓固定安装在垂直布置的磨削主轴下端部，由磨削主轴驱动砂轮和声发射转子传感器同时旋转运动；与之相对的声发射定子传感器安装在竖直位移微调装置的平台上，调整竖直位移微调装置的位置及竖直方向的高度，使声发射定子传感器的信号接收端正对声发射转子传感器的信号发射端，且两者间距小于1mm。

二：声发射信号接收系统搭建。声发射定子传感器通过线缆连接至前置放大器，前置放大器连接至计算机上的数据采集卡，数据采集卡将声发射时域信号呈现在计算机上。

三：金刚石修整滚轮与圆弧形金刚石砂轮的初始位置关系确定。首先确定Y向位置，手动移动机床竖直方向主轴Y轴使金刚石修整滚轮与砂轮磨料层的上表面接触记录此时Y向位置坐标Y1，手动移动机床竖直方向主轴Y轴使金刚石修整滚轮与砂轮磨料层的下表面接触记录此时Y向位置坐标Y2，进而确定砂轮中心平面的Y向位置Yw＝|Y1-Y2|/2。手动移动机床水平方向主轴X轴使金刚石修整滚轮与圆弧形金刚石砂轮的圆弧顶点直到两者接触，进而确定圆弧形金刚石砂轮与金刚石修整滚轮接触X向位置。由于Z向位置对修整结果影响较小，移动机床水平方向主轴Z轴能保证金刚石修整滚轮顶端超出砂轮Z向顶点位置即可。

四：圆弧插补程序编程。依据金刚石修整滚轮和圆弧形金刚石砂轮的初始位置关系、待修整砂轮圆弧和金刚石修整滚轮半径确定XY平面内的圆弧插补程序和路径规划。

五：金刚石修整滚轮对圆弧形金刚石砂轮修整和声发射信号的采集。采用一定的修整参数，修整参数：修整滚轮转速为800rpm，砂轮转速为4000rpm，磨削深度为2～10μm，进给速度为100mm/min，树脂基圆弧形金刚石砂轮粒度D7，砂轮直径为75mm，截面圆弧半径为6mm，磨削液为水基乳化液。按照圆弧插补程序和路径规划对圆弧形金刚石砂轮进行修整，修整过程中产生的声信号可通过旋转的声发射转子传感器的信号发射端通过无线传输方式传递到固定的声发射定子传感器的信号接收端，并由声发射定子传感器将声发射信号传递到前置放大器，输入到数据采集卡中，并实时显示在计算机上，完成声信号的数据采集。

六：修整声发射信号的实时处理。采用Labview软件对修整过程的声发射信号进行分析处理，提取修整阶段的声发射特征信号，对其进行均方根处理，并实时显示在计算机上。

七：判断修整状态。依据步骤六处理的声发射信号均方根的幅值大小、连续性等判断修整状态。若声发射信号均方根的幅值大小出现明显高于没有修整时的幅值大小，表明金刚石修整滚轮与砂轮已经接触上了，进入开始修整状态；若整个修整过程中存在的声发射信号均方根的幅值大小连续高于一定正值，且持续时间略小于金刚石修整滚轮一次圆弧插补运动周期时间，表示砂轮整个截面圆弧已经参与金刚石滚轮相互接触修整，即修整处于结束阶段。

磨削深度为2μm，进给速度为100mm/min，金刚石修整滚轮粒度为80#时，若整个修整过程中存在的声发射均方根信号值连续高于0.5V，且持续时间略小于砂轮一次圆弧插补运动周期时间，表示砂轮整个截面圆弧已经参与金刚石修整滚轮相互接触修整，即修整处于结束阶段。修整后的金刚石砂轮砂轮圆弧半径尺寸误差≤3％，形状误差可达到4.763μm/4mm，修整后磨粒突出，分布均匀。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。