三維形貌驗(yàn)證砂輪修整在線監(jiān)測(cè)方法研究*

李 廈，武水旺

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

?

三維形貌驗(yàn)證砂輪修整在線監(jiān)測(cè)方法研究*

李 廈，武水旺

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

為保證建立有效的砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到高效節(jié)約地修整砂輪的效果，文章提出了利用砂輪表面三維形貌評(píng)價(jià)、驗(yàn)證砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用性的方法。建立了氧化鋁砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)可用于修整監(jiān)測(cè)，采用激光位移傳感器測(cè)量修整前后砂輪表面形貌，選用磨粒密度、鋒利程度和表面孔隙率等參數(shù)表征砂輪表面形貌。結(jié)果表明：相同的修整參數(shù)下，監(jiān)測(cè)與學(xué)習(xí)修整所得砂輪表面形貌的特征值差異小于5%；不同修整參數(shù)下，修整前后各特征值平均變化范圍為8.65%～16.27%，從而表明所建立的砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的良好適用性。

氧化鋁砂輪；修整；在線監(jiān)測(cè)；砂輪形貌；表面孔隙率

0 引言

磨削在機(jī)械加工中占據(jù)重要的地位，大多數(shù)精密器械零件都需要經(jīng)過(guò)磨削加工以獲得良好的表面性能[1]。砂輪表面形貌對(duì)于加工工件的表面粗糙度、殘余應(yīng)力狀況等方面有著重要影響，為獲得穩(wěn)定的工件表面質(zhì)量，要求在磨削過(guò)程中保證砂輪具有相對(duì)穩(wěn)定的表面形貌和磨削性能[2]。目前，在砂輪修整中主要采用人工經(jīng)驗(yàn)法[3]判斷砂輪的磨鈍、修整狀況，不僅容易產(chǎn)生過(guò)多的修整量和較長(zhǎng)的修整時(shí)間，而且獲得的砂輪表面形貌難以評(píng)估，影響加工工件的精度和表面質(zhì)量[4]。因此，建立有效的砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和驗(yàn)證方法對(duì)于節(jié)約砂輪材料，修整時(shí)間和獲得確定的砂輪形貌、磨削性能具有重要意義。

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象。磨削和修整過(guò)程中，聲發(fā)射的產(chǎn)生來(lái)源有砂輪與工件彈性接觸、切屑斷裂、砂輪結(jié)合劑破裂、切入和塑性變形、工件表面損傷等[5]。劉貴杰等[6]建立聲發(fā)射信號(hào)特征值與砂輪鈍化狀況之間的非線性模型，可在線監(jiān)測(cè)小批量、多品種磨削過(guò)程砂輪鈍化程度；Hwang T[7]采用AE監(jiān)測(cè)單層電鍍金剛石砂輪高速磨削氮化硅的過(guò)程，表明在高速磨削中信號(hào)能提供有關(guān)砂輪磨損和砂輪形貌的信息，用作砂輪磨損預(yù)測(cè)；柏航州[8]通過(guò)振鈴計(jì)數(shù)和均方根電壓兩個(gè)AE信號(hào)特征值監(jiān)控磨削狀態(tài)；潘永成[9]對(duì)大磨粒電鍍金剛石修整研究表明， AE信號(hào)能夠反映砂輪初始修整狀態(tài)。

本文采用激光位移傳感器測(cè)量修整前后砂輪表面形貌，并選擇合適的特征值以精確地表現(xiàn)砂輪表面形貌，準(zhǔn)確地驗(yàn)證了砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用性?？朔艘酝芯恐袀?cè)重于砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方法研究，而對(duì)砂輪表面形貌關(guān)注較少的問題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)施

首先，采用切入磨削的方式磨削GCr15 工件，工件尺寸8×5×10cm3(長(zhǎng)×寬×高)，將砂輪磨鈍，磨削參數(shù)為：磨削進(jìn)給量為 10μm，工件速度300mm/min，砂輪速度30m/s，磨削總量為 0.5mm；其次，采用激光位移傳感器測(cè)量磨鈍后的砂輪表面形貌；再次，進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)，采集修整過(guò)程中的AE信號(hào)，利用對(duì)AE信號(hào)的分析結(jié)果判斷砂輪修整狀態(tài)；最后，測(cè)量修整后砂輪表面形貌。過(guò)程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1.1 修整監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)布置如圖2所示，以斯來(lái)福臨(K-P48T)平面磨床為砂輪修整監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)， AE傳感器固定在磨床電磁平臺(tái)上，靠近金剛筆底座，采樣率1MHz；對(duì)鈍化氧化鋁砂輪WA60KV進(jìn)行修整，并用工控機(jī)對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行采集、記錄和分析。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

砂輪修整參數(shù)不同，對(duì)應(yīng)砂輪形貌及AE信號(hào)不同。為了深入研究砂輪修整參數(shù)對(duì)砂輪形貌及AE信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)(見表2)，圖3為砂輪修整過(guò)程。

圖3 砂輪修整

1.2 形貌測(cè)量系統(tǒng)

激光位移傳感器在磨床平臺(tái)上的布置如圖4所示，配置參數(shù)：采樣時(shí)間2ms，激光強(qiáng)度AUTO，重復(fù)采樣率256次；測(cè)量范圍為沿砂輪軸向(Z向)方向8mm。手輪驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿砂輪切向(X向)以25μm為步長(zhǎng)逐次移動(dòng)801次，共計(jì)20mm。最終獲得大小約為8×20mm2的砂輪表面形貌原始測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 砂輪形貌測(cè)量

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 輪廓平整處理

為便于觀察，需將所獲得的砂輪形貌展開為平面[10]，由于測(cè)量的砂輪表面形貌范圍比較大，受砂輪本身形狀的影響顯著，對(duì)其進(jìn)行砂輪徑向(Y向)補(bǔ)償和切向(X向)補(bǔ)償，如圖5所示。

圖5 表面輪廓平整化示意圖

具體補(bǔ)償量如式(1)和式(2)：

dx=Rsin-1LxR-Lx

(1)

(2)

式中，dx—X方向補(bǔ)償量；dy—Y方向補(bǔ)償量；R-砂輪半徑；Lx—測(cè)量位置偏移砂輪中心的X方向距離。

2.1.2 奇異點(diǎn)處理

在砂輪形貌陡峭處，照射其上的激光光斑不能返回，激光位移傳感器接收不到反射光，就會(huì)形成奇異點(diǎn)，其中下凹的稱為谷值奇異點(diǎn)，上凸的稱為峰值奇異點(diǎn)，如圖6所示。通過(guò)設(shè)定相鄰點(diǎn)傾角閾值θlin的方法識(shí)別、去除奇異點(diǎn)，并利用Matlab中的griddata函數(shù)對(duì)產(chǎn)生的空白區(qū)域進(jìn)行插值，從而獲得相對(duì)準(zhǔn)確的砂輪表面形貌。

圖6 奇異點(diǎn)示意圖

2.2 形貌特征

2.2.1 磨粒密度

在三維形貌中，有多種方法定義波峰(波谷)，實(shí)驗(yàn)中激光位移傳感器與砂輪表面的保持一致的相對(duì)位置，在砂輪上選取合適的平面，作為界定有效波峰存在基準(zhǔn)面，此處選取距離砂輪形貌最大數(shù)據(jù)點(diǎn)h=0.1mm砂輪側(cè)的平面為基準(zhǔn)面(下同)，以突出于基準(zhǔn)面且大于其相鄰8個(gè)點(diǎn)的波峰表征為磨粒。磨粒的密度DP[11]描述如式(3)：

DP=NP(M-1)(N-1)hXhZ

(3)

式中，NP—波峰數(shù)；M、N—測(cè)量表面數(shù)據(jù)的行列數(shù)(下同)；hX、hZ—X、Z方向的采樣間距(下同)。

2.2.2 磨粒形狀與鋒利程度

氧化鋁砂輪的磨削刃形狀很不規(guī)則，具有磨削作用的磨?？梢越茷閹в袌A頭的圓錐形狀[11]。設(shè)其尖端圓球半徑r，磨粒頂角為2θ。根據(jù)伯明翰[12]三維表面特征參數(shù)Ssc和S△q的物理定義，它們可以分別用來(lái)評(píng)價(jià)磨粒的平均圓頂半徑r以及頂錐角2θ，其簡(jiǎn)化形狀如圖7[11]所示。

圖7 簡(jiǎn)化的磨粒形狀

2.2.3 表面孔隙率

研究定義距離砂輪形貌頂面與基準(zhǔn)面之間的空隙體積Vp與兩平面組成空間體積Va的體積比為表面孔隙率P，以Vg表示磨粒的體積，則有

(4)

式中,D(x,z)—高于基準(zhǔn)平面的磨粒分布。

2.3 在線監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證

2.3.1 修整與AE信號(hào)

AE傳感器采集獲得AE實(shí)時(shí)信號(hào)(AEreal)，經(jīng)過(guò)硬件處理，包括濾波去噪、放大，可得到AE信號(hào)均方根信號(hào)(AErms)。

當(dāng)修整用量ad、砂輪轉(zhuǎn)速vs或軸向進(jìn)給vw增大時(shí)，AErms幅值隨之增大。對(duì)于特定的修整參數(shù)，砂輪與修整筆未接觸時(shí)，AErms主要表現(xiàn)為機(jī)床電氣部件噪音、磨削液沖擊等，隨著砂輪與修整筆的接近、接觸，AErms幅值會(huì)由小變大，持續(xù)時(shí)間會(huì)隨著修整寬度的增大而延長(zhǎng)。砂輪修整過(guò)程中AErms幅值短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8所示，由于修整筆位姿或者修整筆磨損等原因造成的修整筆尖端不對(duì)稱，修整往返行程的AErms在一定范圍跳動(dòng)，當(dāng)其在有效修整寬度范圍內(nèi)保持較高幅值時(shí)，表明砂輪修整成形。

圖8 修整過(guò)程中AErms變化趨勢(shì)

為采用AErms信號(hào)定量準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)砂輪修整狀態(tài)，定義徑向飽和度Rrms、縱向飽和度Trms和AErms飽和度Srms如下:

Rrms=At/Am

(5)

Trms=Tt/Tm

(6)

式中,At，Am—修整過(guò)程中和充分修整時(shí)的AE均方根幅值；Tt，Tm—單個(gè)修整行程中AE均方根保持高幅值的累積時(shí)長(zhǎng)和修整筆劃過(guò)砂輪表面所需時(shí)長(zhǎng)。

Srms=TrmsRrms=AtTtAmTm

(7)

當(dāng)Srms大于設(shè)定閾值Slim1時(shí)判定砂輪修整成形。磨鈍的砂輪其表面孔隙中含有大量磨屑、破碎磨粒，而修整的砂輪表面組成單一。磨削過(guò)程中，砂輪易于修整成形，卻不能確定是否達(dá)到期望修整狀態(tài)。為了提取砂輪修整完成時(shí)AE信號(hào)的特征值 ，對(duì)AEreal進(jìn)行頻譜變換，并對(duì)其中顯著頻段信號(hào)進(jìn)行識(shí)別提取，如圖9所示。

圖9 AEreal特征頻段識(shí)別

以均方根表征AEreal各頻率段的能量值，分析其在修整過(guò)程中的變化，砂輪修整前中后期的AEreal各頻率段的均方根對(duì)比如圖10所示，其中第1、4、6頻率段即15.6kHz～25.0kHz，113.0kHz～119.8kHz，160.9kHz～163.8kHz的AEreal均方根隨修整進(jìn)行而顯著增長(zhǎng)，故選擇為特征頻率段。

同理定義AEreal飽和度Sreal如下：

(8)

式中,Eti， Emi—修整過(guò)程中和充分修整時(shí)AEreal特征頻率段的均方根值(如上述)。

當(dāng)Sreal大于設(shè)定閾值Slim2時(shí)判定砂輪修整達(dá)到充分修整狀態(tài)。

圖10 修整前、中、后期AEreal特征頻段對(duì)比

依據(jù)以上分析，基于LabVIEW編程技術(shù)建立砂輪修整在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)比較砂輪修整過(guò)程中AE信號(hào)的實(shí)時(shí)特征值和閾值判定砂輪修整狀態(tài)。系統(tǒng)流程如圖11所示，其中參數(shù)設(shè)置包括修整參數(shù)設(shè)置和閾值設(shè)置，后者是在學(xué)習(xí)(修整量為1mm)修整過(guò)程中自動(dòng)設(shè)置或者自定義設(shè)置，試驗(yàn)中砂輪修整監(jiān)測(cè)下閾值設(shè)置為Slim1=0.9，Slim2=0.9。

圖11 砂輪修整在線監(jiān)測(cè)流程圖

2.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)修整參數(shù)為vs=18m/s，vw=200mm/min，ad=20μm時(shí)所得的砂輪表面形貌如圖12所示，可見磨鈍后砂輪表面相對(duì)平整，而修整后砂輪表面的磨粒特征較為明顯。

圖12 修整前后砂輪表面形貌

學(xué)習(xí)下修整后砂輪表面形貌，與監(jiān)測(cè)下修整所得砂輪表面形貌特征值的對(duì)比如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)與學(xué)習(xí)修整后的表面特征值表

由于砂輪本身組織結(jié)構(gòu)不均勻、修整筆磨耗、砂輪直徑變化及形貌測(cè)量誤差等因素，在相同參數(shù)下，測(cè)量計(jì)算所得的充分修整狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)砂輪形貌特征值必然存在一定差異，故學(xué)習(xí)與監(jiān)測(cè)修整所得砂輪表面形貌特征值平均差異小于5%，即可說(shuō)明砂輪在監(jiān)測(cè)下已經(jīng)達(dá)到預(yù)期充分修整狀態(tài)及所設(shè)定閾值的有效性。同時(shí)，采用以上閾值，試驗(yàn)了不同的修整參數(shù)下監(jiān)測(cè)修整前后的砂輪表面形貌變化，如表2所示，其中修整前各形貌特征值為： DP=5.3/mm2，r=31.26μm，2θ=72.77°，P=0.51。

表2 不同修整參數(shù)下形貌特征值

不同的修整參數(shù)下砂輪表面形貌特征值不同，相比于砂輪修整前，修整后各特征值平均變化量達(dá)到8.65～16.27%。各項(xiàng)特征值相比于修整前的變化幅度如表3所示，其中砂輪表面孔隙率P均增大；砂輪表面磨粒密度DP表現(xiàn)為增大或減小，這是修整參數(shù)不同造成的，另外磨鈍后附著在砂輪表面的磨屑、磨?？赡鼙徽`認(rèn)為磨粒，造成磨鈍后比修整后砂輪表面磨粒密度大的假象；平均磨粒角2θ和磨粒半徑r表現(xiàn)為減小，即砂輪磨粒的鋒利程度提到提高。

表3 形貌特征值相對(duì)磨鈍后變化幅度

3 結(jié)論

本文提出了氧化鋁砂輪修整在線監(jiān)測(cè)效果的驗(yàn)證方法：采用激光位移傳感器測(cè)量修整前后砂輪表面形貌，選用磨粒密度、鋒利程度及表面的孔隙率等參數(shù)精確地表征砂輪表面形貌變化，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)與學(xué)習(xí)修整所得砂輪表面形貌基本一致且在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作用下修整參數(shù)變化可使砂輪表面形貌發(fā)生顯著變化，獲得不同的砂輪表面形貌特征值，不僅直觀地說(shuō)明了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具有良好的適用性，同時(shí)深刻地揭示了氧化鋁砂輪修整的本質(zhì)變化，對(duì)于砂輪修整和磨削工藝的改進(jìn)具有重要意義。

[1] Zhensheng Yang，Zhonghua Yu．Grinding wheel wear monitoring based on wavelet analysis and support vector machine[J]． International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012， 62： 107-21．

[2] 楊楊．纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的磨削及基于聲發(fā)射信號(hào)砂輪磨損狀態(tài)識(shí)別研究[M]．天津：天津大學(xué)，2011．

[3] Karpusehewski B，Wehmeier M，Inasaki I． Grinding monitoring system based on power and acoustic emission sensors． Annals of the CIRP， 2000，49(1)：235-240．

[4] Wegener K，Hoffmeister H W，Karpuschewski B， et al．Conditioning and monitoring of grinding wheels[J]．CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60(2)：757-777．

[5] Webster J， Dong W P， Lindsay R． Raw acoustic emission signal analysis of grinding process[J]． CIRP Annals-Manufacturing Technology，1996，45(1)：335-340．

[5] 劉貴杰，鞏亞東，王宛山．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨削砂輪狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)[J]．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，23(10)：984-987．

[6] Hwang T W， Whitenton E P， Hsu N N， et al． Acoustic Emission Monitoring of High Speed Grinding of Silicon Nitride[J]．Ultrasonics，2000，38：614-619．

[7] 柏航州，王隆太．基于聲發(fā)射技術(shù)的磨削監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2008(5)：121-125．

[8] 潘永成． 金剛石砂輪精密修整及其聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014．

[9] 李廈，施雪娟．多粒度號(hào)氧化鋁砂輪形貌特性參數(shù)研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(12)：135-138．

[10]言蘭，融亦鳴,姜峰．氧化鋁砂輪的量化評(píng)價(jià)及數(shù)學(xué)建模[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(17)：179-186．

[11] Stout K J， Blunt L． Visualization techniques and parameters for characterizing three-dimensional surface topography[M]． Butterworth： Heinemann Press，2000．

(編輯 李秀敏)

Research on Evaluation of Grinding Wheel Dressing Online Monitoring Method Based on Three Dimensional Topography Testification

LI Sha, WU Shui-wang

(School of Mechanical Engineering, Univ of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

To ensure the effectiveness of the on-line monitoring system of wheel dressing and then dressing wheel efficiently and economically, In this paper, the method of evaluating the online monitoring system of the dressing of alumina grinding wheel based on acoustic emission is put forward. Firstly, an online monitoring system of the dressing of grinding wheel was built and after the learn mode it can be applied. The laser displacement sensor was applied to measure thetopography before and after the dressing, then parameters- the density, sharpness of grit and the surface porosity were used to characterize the topography and then evaluate the effect of monitoring system. The feasibility of the online monitoring system of the dressing of grinding wheel was proved by the experiment results- the difference of parameters between after dressing excessively deliberately and that under monitoring was less than 5% and the parameters under different dressing conditions -mainly with different dressing parameters had average difference varied in a scope of 8.65%～16.27%.

alumina grinding wheel; dressing; acoustic emission; topography of grinding wheel; surface porosity

1001-2265(2016)11-0088-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.024

2016-08-22；

2016-09-02

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20133120120005)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475310)

李廈(1969—)，男，遼寧鐵嶺人，上海理工大學(xué)講師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)榫苣ハ骱蛿?shù)控技術(shù)，(E-mail)LS51666@163.com。

TH166;TG506

A