阅读说明：本技术 一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法及装置 (Method and device for detecting and trimming end face grinding wheel quality in real time ) 是由 张华� 郝德胜 朱伟 安然 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法及装置,所述装置包括激光器、接收器、砂轮修整器、砂轮、砂轮座、位移传感器和三维驱动机构；该装置使激光器发出的激光束斜射至工件的已磨削的表面,接收器连续接收由磨削表面反射的反射激光束,通过对反射激光束的能量检测对砂轮磨损程度实时检测；当接收器反射激光束的能量达到所对应的砂轮磨损限定值时,触发砂轮停止磨削,并通过位移传感器记录砂轮当前磨削位置,由砂轮驱动机构使砂轮运动到砂轮修整器位置并进行实时修整；完成修整后的砂轮回到当前磨削位置,继续工件表面的磨削行程；本发明能快速、高效实现砂轮在线检测与修整,提高端面磨削的加工质量和磨削效率。(The invention discloses a method and a device for detecting and trimming the quality of an end face grinding wheel in real time, wherein the device comprises a laser, a receiver, a grinding wheel trimmer, a grinding wheel seat, a displacement sensor and a three-dimensional driving mechanism; the device enables a laser beam emitted by a laser to be obliquely emitted to a ground surface of a workpiece, a receiver continuously receives a reflected laser beam reflected by the ground surface, and the abrasion degree of a grinding wheel is detected in real time through energy detection of the reflected laser beam; when the energy of the laser beam reflected by the receiver reaches the corresponding grinding wheel abrasion limit value, triggering the grinding wheel to stop grinding, recording the current grinding position of the grinding wheel through a displacement sensor, and enabling the grinding wheel to move to the position of a grinding wheel dresser by a grinding wheel driving mechanism and carrying out real-time dressing; returning the finished grinding wheel to the current grinding position, and continuing the grinding stroke of the surface of the workpiece; the invention can realize the online detection and the dressing of the grinding wheel quickly and efficiently, and improve the processing quality and the grinding efficiency of the end face grinding.)

一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法及装置。

背景技术：

在磨削加工中，磨削表面的质量直接依赖于砂轮的质量，而砂轮在在磨削过程中，极易磨损，因此砂轮在工作一段时间后，需要及时进行修整，恢复砂轮的磨削性能。

目前，对于端面磨砂轮的磨损程度一般采用间接测量的方法，即通过测量已加工工件表面质量来对判断砂轮的磨损程度，由于需要离线测量工件的表面质量，使这种修整方法不仅会造成工件的定位误差，还影响工件的整体加工质量，最重要的是这种修整方法难以准确确定砂轮需修整时刻，只能凭借经验定时对砂轮进行修整，因而不能很好地控制工件表面的磨削质量。因此端面磨砂轮的实时检测和修整是一个亟待解决的问题。

发明内容

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本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法及装置。

本发明所采用的技术方案有：

一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的方法，使激光器连续发出的激光束斜射至工件的已磨削的表面，接收器连续接收由磨削表面反射的反射激光束，通过对反射激光束的能量检测对砂轮磨损程度实时检测；在端面磨削装置上设置砂轮修整器，当接收器反射激光束的能量达到所对应的砂轮磨损限定值时，触发砂轮停止磨削，并通过位移传感器记录砂轮当前磨削位置，利用砂轮驱动机构使砂轮运动到砂轮修整器位置，砂轮修整器根据砂轮磨损值进行实时修整；完成修整后的砂轮回到当前磨削位置，继续工件表面的磨削行程。

进一步地，所述激光器发出的激光为CO2激光，平均功率为0.5-2.4W。

一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的装置，包括激光器、接收器、砂轮修整器、砂轮、砂轮座、位移传感器、三维驱动机构和机座，所述砂轮可转动和轴向可移动地设置在砂轮座上，位移传感器设置于砂轮座，三维驱动机构设置在机座上驱动砂轮座运动，激光器、接收器设置在砂轮座上，并是使激光器发出的激光束斜射至磨削表面，接收器的光接收面处于磨削表面对激光束反射的路径上；砂轮修整器设置在砂轮磨削工作位置的上方，且处于砂轮运行路径上，砂轮修整器的修整面与砂轮磨削面平行，在砂轮需修整时，三维驱动机构通过驱动砂轮座使砂轮运行到砂轮修整器位置，进行设定进给量的砂轮修整。

进一步地，所述砂轮通过磨头机构可转动和轴向可移动地设置在砂轮座上，所述磨头机构包括主轴箱、主电机、主轴、气缸和压板，两所述气缸连接在砂轮座上，主轴箱滑动连接在该两气缸之间，该两气缸的活塞杆下端分别连接压板，主轴可转动地设置在主轴箱内，主电机设于主轴箱上端，主电机的转轴连接主轴上端，主轴通过轴承与压板转动连接，并向下伸出压板与砂轮连接。

进一步地，所述三维驱动机构包括X轴向传动单元、Y轴向传动单元及的Z轴向传动单元，所述Y轴向传动单元固定在机座上，X轴向传动单元连接在X轴向传动单元上，随Y轴向传动单元做Y方向的直线移动，Z轴向传动单元连接在X轴向传动单元上，随X轴向传动单元传动做X方向的直线移动，砂轮座连接在Z轴向传动单元上，随Z轴向传动单元的传动做Z轴向的直线移动。

进一步地，所述Y轴向传动单元包括支架、导轨、Y轴伺服电机和行车架，两根所述导轨相互平行地设置于固定于支架上，每个导轨上滑动连接一个行车架，Y轴伺服电机驱动行车架在导轨上作Y轴方向的运动；

所述X轴向传动单元包括横梁、固定支撑座、滚珠丝杠、滑移块和活动支撑座, 横梁的两端固定连接在两行车架，滑移块滑动连接在横梁上，固定支撑座和活动支撑座固定连接在横梁上，滚珠丝杠的两端分别转动连接在固定支撑座和活动支撑座上，且与滑移块螺纹连接，X轴伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滑移块通过与滚珠丝杠的螺纹啮合沿横梁作X轴方向的运动；

所述Z轴向传动单元包括Z轴伺服电机、升降架、螺杆和升降块，所述升降架固定连接在滑移块上，螺杆设置在升降架上，升降块螺旋连接螺杆并滑动连接升降架，Z轴伺服电机驱动螺杆转动，升降块通过与螺杆的啮合，作Z轴方向的运动。

进一步地，所述砂轮修整器为金刚石涂层板，并连接在行车架内侧。

进一步地，所述金刚石涂层板通过安装支架连接于行车架，安装支架包括修刀台和砂轮修整架，所述砂轮修整架连接在行车架的内侧，所述修刀台为直角板结构，修刀台的竖直平面固定连接在砂轮修整架上，水平平面连接金刚石涂层板。

进一步地，所述激光器、接收器通过载物台设置在砂轮座上，所述载物台连接在砂轮座上，载物台上设有圆形通孔，所述激光器设置在载物台上端，射出的激光束通过圆形通孔以80°的入射角度孔照射到已磨削的加工表面，接收器设置在载物台下端，并处于反射激光束的路径上。

进一步地，所述接收器为激光能量计。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明将激光器发出的激光束以一定角度照射至磨削表面，并用接收器接收反射激光束的激光，通过对反射激光束能量实时检测来判断砂轮的质量，因而可实时对砂轮磨损进行监控，当砂轮磨损达到达极限值时，会即刻发现，并会停止该砂轮的磨削，从而保证可靠保证工件表面的加工质量。进行提高工作效率加工质量。

2)本发明在平面磨装置上设置砂轮修整器，并利用驱动砂轮做三维运行的机构，在砂轮需修整时运行到砂轮修整器位置进行砂轮的修整，不需要拆卸和重新安装，大大提高提高工作效率。

3）本发明在平面磨装置还可根据砂轮磨损值，并利用三维运行的机构中的Z轴向驱动单元对砂轮进行给定值的Z轴向进给，进行精确的修整。

附图说明：

图 1 为本发明结构图。

图 2 为本发明中磨头机构的结构图。

图 3 为本发明中三维驱动机构的结构图。

图 4 是本发明中的磨头机构的结构图。

图 5 是本发明的检测原理图。

图 6a 为砂轮修整前磨削的台板表面形貌图。

图 6b 为砂轮修整后磨削的台板表面形貌图。

1.支架；2. 导轨；4. 接收器；5. 载物台；6. 激光器；7. 行车架；8. X轴伺服电机；9. 限位块；10. 固定支撑座；11. 滚珠丝杠；12.主电机；13. Z轴伺服电机；14. 冷却液泵；15. 空气压缩机；16. 升降架；17. 位移传感器；18. 滑移块；19. 磨头机构；20.横梁；21.活动支撑座；22. 砂轮修整架；24. Y轴伺服电机；25. 三维驱动机构； 27.金刚石涂层板；28. 修刀台；29. 砂轮座；30. 砂轮修整器； 32. 中控台；33.气缸；34.活塞杆；35.主轴箱；36.主轴；37.压板；38.砂轮；40.工件；41.工作台；42.垫块；46. 螺杆；47.辅助活动座；48.升降导轨；54.机座。

具体实施方式

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下面结合附图对本发明作进一步的说明。

装置实施例

如图1至图4，本发明一种端面磨削砂轮质量实时检测修整的装置，包括激光器6、接收器4、砂轮修整器30、砂轮38、砂轮座29、位移传感器17、三维驱动机构25和机座54，砂轮38可转动和轴向可移动地设置在砂轮座29上，位移传感器17设置于砂轮座29，三维驱动机构25设置在机座54上驱动砂轮座运动，激光器6、接收器4设置在砂轮座29上，并是使激光器6发出的激光束斜射至磨削表面，接收器4的光接收面处于磨削表面对激光束反射的路径上；砂轮修整器30设置在砂轮38磨削工作位置的上方，且处于砂轮运行路径上，砂轮修整器30的修整面与砂轮磨削面平行，在砂轮需修整时，三维驱动机构25通过驱动砂轮座使砂轮运行到砂轮修整器位置，进行设定进给量的砂轮修整。

本发明中的砂轮38用于工件40的表面磨削，激光器6朝工件40的已磨削表面发出检测激光，且检测激光在工件40的已磨削表面发生反射，根据接收的反射激光判断砂轮38的磨损程度，砂轮38磨损后，通过与砂轮修整器30相互的接触，用以去除砂轮38上钝化磨粒脱落，并实现砂轮38的在线修整。

砂轮38通过磨头机构19可转动和轴向可移动地设置在砂轮座29上，磨头机构19包括主轴箱35、主电机12、主轴36、气缸33和压板37，两气缸33连接在砂轮座29上，主轴箱35滑动连接在该两气缸33之间，该两气缸33的活塞杆下端分别连接压板37，主轴36可转动地设置在主轴箱35内，主电机12设于主轴箱35上端，主电机12的转轴连接主轴36上端，主轴36通过轴承与压板37转动连接，并向下伸出压板37与砂轮连接。

三维驱动机构25包括X轴向传动单元、Y轴向传动单元及的Z轴向传动单元，所述Y轴向传动单元固定在机座54上，X轴向传动单元连接在X轴向传动单元上，随Y轴向传动单元做Y方向的直线移动，Z轴向传动单元连接在X轴向传动单元上，随X轴向传动单元传动做X方向的直线移动，砂轮座连接在Z轴向传动单元上，随Z轴向传动单元的传动做Z轴向的直线移动。

本发明中的Y轴向传动单元包括支架1、导轨2、Y轴伺服电机24和行车架7，两根所述导轨2相互平行地设置于固定于支架1上，每个导轨2上滑动连接一个行车架7，Y轴伺服电机24驱动行车架7在导轨2上作Y轴方向的运动；

X轴向传动单元包括横梁20、固定支撑座10、滚珠丝杠11、滑移块18和活动支撑座21,横梁20的两端固定连接在两行车架7，滑移块18滑动连接在横梁20上，固定支撑座10和活动支撑座21固定连接在横梁20上，滚珠丝杠11的两端分别转动连接在固定支撑座10和活动支撑座21上，且与滑移块18螺纹连接，X轴伺服电机8驱动滚珠丝杠11转动，滑移块18通过与滚珠丝杠11的螺纹啮合沿横梁20作X轴方向的运动。

Z轴向传动单元包括Z轴伺服电机13、升降架16、螺杆46和升降块，所述升降架16固定连接在滑移块18上，螺杆46设置在升降架16上，升降块螺旋连接螺杆46并滑动连接升降架16，Z轴伺服电机13驱动螺杆46转动，升降块通过与螺杆46的啮合，作Z轴方向的运动，砂轮座固定连接在升降块上。

砂轮修整器30为金刚石涂层板27，并连接在行车架7内侧，金刚石涂层板27通过安装支架连接于行车架7，安装支架包括修刀台28和砂轮修整架22，砂轮修整架22连接在行车架7的内侧，修刀台28为直角板结构，修刀台28的竖直平面固定连接在砂轮修整架22上，水平平面连接金刚石涂层板27。在金刚石涂层板27的上端面上设有棘齿，便于脱落除砂轮38上钝化磨粒。金刚石涂层板27上金刚石涂层的厚度为0.5mm，涂层硬度为8000HV。

激光器6、接收器4通过载物台5设置在砂轮座上，载物台5连接在砂轮座上，载物台5上设有圆形通孔，激光器6设置在载物台5上端，射出的激光束通过圆形通孔以80°的入射角度孔照射到已磨削的加工表面，接收器4设置在载物台5下端，并处于反射激光束的路径上。激光器6中心与接收器4中心之间的距离为160mm，在载物台5上设有Φ12mm的圆形通孔，激光器6通过垫块42的支撑以80°的入射角度通过圆形通孔照射到已磨削表面，反射的激光能量被接收器4接收。接收器为激光能量计。

在机座54上设有工作台41，工件40通过磁力吸附固定在工作台41上。

装置中的接收器4、激光器6、X轴伺服电机8、Y轴伺服电机24、Z轴伺服电机13、主电机12、冷却液泵14、位移传感器17分别与中控台32相连。

方法实施例1

本实施例结合上述装置实施例，对本发明的方法进行详细说明：

1）激光器6发出连续的激光并斜射至工件40的已磨削表面，并使得激光在工件40中已磨削表面上发生发射，接收器4接收反射出的激光并以接收的能量值来表征砂轮磨损程度，从而实现砂轮质量的实时检测；

2）当接收器4接收的反射激光能量值超过预设上限值时，说明砂轮出现严重磨损，立即触发修整砂轮动作，且位移传感器17记录砂轮触发修整动作前的位置为二次磨削点；

3）将磨损的砂轮快速提升并移至金刚石涂层板27上，对砂轮施加垂直于金刚石涂层板表面的压力，并使得砂轮最外层钝化磨粒全部脱落，完成磨损砂轮的在线修整；

4）修整结束后，砂轮返回上述二次磨削点位置继续磨削，连续反复以上检测和修整动作，实现砂轮实时检测与在线修整。

本发明中激光器发出的连续激光为CO₂激光，平均功率为0.5-2.4W，连续激光的激光束入射方向与水平面夹角为80°；接收器的中心轴线与水平面的夹角为45°。

位移传感器的精度为0.01mm。金刚石涂层板上金刚石涂层的厚度为0.5mm，涂层硬度为8000HV；在线修整时，对砂轮施加的压力≥1.2MPa。

方法实施例2

本实施例结合上述装置实施例，并以铬刚玉砂轮为例，对本发明的方法进行详细说明：

本实施例中的砂轮为铬刚玉砂轮，砂轮粒度为F120，砂轮的磨粒率为54%，砂轮的结合剂为树脂，砂轮的硬度为G级，激光器中心与接收器中心距离为160mm，台板（工件40）为长1600mm，宽1200 mm，厚10 mm的316L奥氏体不锈钢台板，两限位块9间的距离为1500mm，左、导轨2的长度为2000mm，升降导轨48的长度为800mm。

为了表征砂轮质量与已加工表面反射的激光能量之间的关系，以单颗磨粒加工316L奥氏体不锈钢台板表面为例，如图5所示，T0线表示尖锐的磨粒，T1线表示钝化的磨粒，尖锐磨粒在不锈钢台板表面磨出的槽深宽比大，而钝化磨粒在不锈钢台板表面磨出的槽深宽比小，箭头所示为激光束的反射情况，将功率为2W的连续CO₂激光以80°的入射角度照射到不同的深宽比的槽中，激光束在深宽比大的槽中需要进行多次反射，会损失大量的能量，接收器接收到的激光能量为0.6—0.9W，激光束在深宽比小的槽中只需进行一次反射，损失的能量少，接收器接收到的激光能量为1.3—1.6W，当接收到激光能量大于1.3W时，就可判定砂轮钝化需要进行修整。

本发明在线修整的方法，具体的实现步骤如下：

1）通过中控台启动Z轴伺服电机13，升降块29以0.05 m/s的速度向下运动，直到砂轮接触不锈钢台板表面；启动冷却液泵14，对砂轮磨削区域喷射冷却液润湿；启动主电机12，砂轮以970r/min转速开始旋转；启动空气压缩机15，活塞杆推动压板37以0.08 m/s的速度向下运动，直至压板压到主轴尾端的台阶面，并维持1MPa的压力，砂轮开始磨削不锈钢台板表面；启动X轴伺服电机8，滑移块18以0.1 m/s向右移动；启动CO₂激光器和接收器，将功率为2W、聚焦光斑直径为6mm的连续波CO₂激光以80°的入射角度通过Φ12mm的通孔照射已磨削的不锈钢台板表面，反射的激光能量被接收器接收，接收器将接收到激光能量信息传递给中控台，从而实时检测砂轮的质量。

2）当接收到的激光能量大于1.3W时，表示砂轮磨损严重，台板磨削表面形貌如图6(a)所示，磨痕深度明显不均匀，主电机停止运行，位移传感器记录该能量变化区为二次磨削区域；关闭冷却液泵，空气压缩机改变通气阀位，活塞杆开始以0.08 m/s向上移动，回复到初始位置；Z轴伺服电机改变转动方向，升降块以0.1 m/s向上移动到最高点，此时砂轮端面与金刚石涂层板表面等高；启动X轴伺服电机，滑移块以0.1 m/s向右移动，当接触限位块时，关闭X轴伺服电机，滑移块停止运动；空气压缩机改变通气阀位，Z轴伺服电机改变转动方向，升降块以0.1 m/s的速度向下运动与金刚石涂层板上表面接触，主电机运行，砂轮以700r/min转速开始旋转；活塞杆推动压板以0.08 m/s向下运动压到主轴尾端台阶面，并施加1.6MPa的压力，砂轮开始进行修整。

3）砂轮在金刚石涂层板上修整5s后，关闭主电机，启动X轴伺服电机，X轴伺服电机改变转动方向，滑移块以0.2 m/s向左运动；当滑移块移动到二次磨削点时，Z轴伺服电机运行，升降块以0.05 m/s向下运动，当砂轮接触台板表面时，关闭Z轴伺服电；启动冷却液泵，向磨削区域喷冷却液润湿；启动主电机，砂轮以970r/min转速开始旋转；活塞杆带动压板以0.08 m/s向下运动压到主轴尾端的台阶面，并维持1MPa的压力，砂轮继续磨削台板表面，台板磨削表面形貌如图6(b)所示，磨痕间距和深度都比较均匀，台板端面磨削表面质量得到提高。

4）当砂轮完成一个工作行程后，空气压缩机改变通气阀位，活塞杆以0.08 m/s向上移动，回复到初始位置；X轴伺服电机改变转动方向，滑移块以0.3 m/s向左移动，升降块以0.1 m/s向上运动，活塞杆以0.05 m/s向上运动，回复到初始位置；启动Y轴伺服电机，行车架沿着导轨以0.1m/s向后方向移动，重复以上步骤，直至完成对整个不锈钢台板表面的磨削。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。