[發明專利]一種砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態的檢測及評價方法

有效

• 申請號: 201710391440.8
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107179101B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 師超鈺;朱建輝
• 申請（專利權）人: 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 劉建芳

1.一種砂輪表面粗糙度和磨粒分布狀態的檢測及評價方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：檢測裝置的準備工作；被測砂輪安裝在機床主軸上；檢測裝置包括激光位移傳感器、控制器、數據電纜線、磁力支撐架和計算機，激光位移傳感器設置在磁力支撐架上，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據電纜線與控制器連接，控制器通過數據電纜線與計算機連接；啟動檢測裝置，機床工作臺帶動激光位移傳感器移動，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據，具體包括步驟2.1-2.3；

步驟2.1：啟動機床主軸，帶動被測砂輪勻速旋轉；

步驟2.2：設置激光位移傳感器參數；根據砂輪直徑、砂輪轉速和磨粒直徑這些條件參量，通過控制器設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)所示關系：

式(1)中，n_s是被測砂輪轉速，單位r/min；d_s是被測砂輪直徑，單位mm；d_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；

步驟2.3：激光位移傳感器對旋轉的被測砂輪外圓表面掃描采樣，將采樣點的相對高度，即被測砂輪表面圓周方向輪廓數據，傳輸至計算機；

步驟3：對傳輸至計算機的原始采樣數據進行降噪處理，具體包括步驟3.1-3.5；

步驟3.1：將傳輸至計算機的原始采樣數據構建采樣數據數組Y₁＝{y₁,y₂,…,y_L+，并將Y₁中數據點逐一進行編號，構建采樣點坐標數組X₁＝{1,2,…,L}；

步驟3.2：對步驟3.1中的原始采樣數據數組Y₁進行濾波去噪，濾波原理為，砂輪表面不超過寬度閾值J范圍內的采樣高度值，其變化幅度不應超過幅度閾值H，寬度閾值J是指激光位移傳感器采樣數據段中數據點的個數的合理值，幅度閾值H是指激光位移傳感器采樣數據段中數據點的差值的合理值；

步驟3.3：對步驟3.2濾波去噪后的數據數組進行線性插值處理，以補充濾波去除的數據點，獲得新的數據數組Y₂＝{y′₁,y′₂,…,y′_L}，Y₂的坐標數組仍為X₁；

步驟3.4：對步驟3.3線性插值處理后獲得的數據數組Y₂，計算其移動平均數，即截取長度為Q的滑動數據段，Q為奇數，利用每個數據段的平均數構建平均線數據數組利用每個數據段的中心位置坐標構建平均線坐標數組

步驟3.5：剔除奇異數據點并進行線性插值補充；計算步驟3.3線性插值處理后獲得的數據數組Y₂相對于步驟3.4計算得到的平均線數據數組Y_m的偏移量并進行分布統計，將偏離幅度大，且分布概率低的數組Y₂中的奇異數據點剔除，剔除的數據點采用線性插值補充，獲得新的數據數組Y₃的坐標數組

步驟4：計算得到與砂輪表面粗糙度相關的評價參量：輪廓平均偏差R_a、輪廓偏差一致度P_a、正輪廓平均偏差R_ap、負輪廓平均偏差R_am、輪廓平均偏差R_a的均值和標準差P_c，具體包括步驟4.1-4.5；

步驟4.1：計算得到中位線數據數組Y_U和中位線坐標數組X_U，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中的平均線數據數組Y_m進行截取；K和M均為正整數；截取方法為：砂輪圓周表面一周的采樣點數為個，從數組Y_m中截取時，共截取M段，每段長度為個數據點，每段截取的起始點坐標分別為

經過截取后獲得M個數組分別為：

數組Y_m1、Y_m2、……、Y_mM的坐標數組分別為

步驟4.1.2：針對步驟4.1.1中的數組Y_m1、Y_m2、……、Y_mM，利用數學的最小二乘法依次對各數組中數據進行曲線擬合，擬合后獲得Y_m1、Y_m2、……、Y_mM對應的擬合數組分別為：

擬合數組Y_n1、Y_n2、……、Y_nM的坐標數組仍為X_m1、X_m2、……、X_mM；

步驟4.1.3：針對步驟4.1.2中的擬合數組Y_n1、Y_n2、……、Y_nM，依次截取各數組的中間個數據點，構成子集數組Y_u1、Y_u2、……、Y_uM；

擬合數組Y_n1、Y_n2、……、Y_nM對應的子集數組分別為：

子集數組Y_u1、Y_u2、……、Y_uM的坐標數組分別為：

分別將子集數組Y_u1、Y_u2、……、Y_uM的數據點依次順序排列，構成中位線數據數組同樣的，分別將子集數組Y_u1、Y_u2、……、Y_uM的坐標數組X_u1、X_u2、……、X_uM的數據點依次順序排列，構成中位線坐標數組

步驟4.2：計算步驟3.5中的剔除奇異數據點并插值補充后的數據數組Y₃相對于步驟4.1.3中的中位線數據數組Y_U的坐標對應的數據點的偏移量，獲得輪廓偏移量數組輪廓偏移量數組Y_s的坐標數組X_s仍為X_U，即

為方便后續表述，將輪廓偏移量數組Y_s的坐標按順序重新排號，即輪廓偏移量數組Y_s的坐標數組X_s調整為

步驟4.3：利用步驟4.2中的輪廓偏移量數組Y_s按照取樣周期1/K和評定長度M計算輪廓平均偏差R_a以及輪廓偏差一致度P_a；

式(2)(3)中，n_s是被測砂輪轉速，單位r/min；f是激光位移傳感器采樣頻率，單位Hz；ys_i為偏移量數組Y_s中數據點；

輪廓平均偏差R_a用來評價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P_a用來評價砂輪表面圓周方向局部粗糙度的一致性；

步驟4.4：計算正輪廓平均偏差R_ap和負輪廓平均偏差R_am；將步驟4.2中的輪廓偏移量數組Y_s中的正數和負數分別篩選出來，構建正輪廓偏移量數組Y_sp和負輪廓偏移量數組Y_sm，將數組Y_sp和Y_sm按照取樣周期1/K和評定長度M計算正輪廓平均偏差R_ap和負輪廓平均偏差R_am，

式(4)中，{ysp_a，ysp_a+1，…，ysp_b}為輪廓偏移量數組Y_s子集數組中的正數，{ysp_c，ysp_c+1，…，ysp_d}為輪廓偏移量數組Y_s子集數組中的正數，Y_sp＝{ysp_a，…，ysp_b，…，ysp_c，…，ysp_d}；

式(5)中，{ysm_a1，ysm_a1+1，…，ysm_b1}為輪廓偏移量數組Y_s子集數組中的負數，{ysm_c1，ysm_c1+1，…，ysm_d1}為輪廓偏移量數組Y_s子集數組中的負數，Y_sm＝{ysm_a1，…，ysm_b1，…，ysm_c1，…，ysm_d1}；

正輪廓平均偏差R_ap和負輪廓平均偏差R_am用來評價砂輪表面的鈍化狀態；

步驟4.5：計算均值和標準差P_c；如果砂輪寬度較大，需要對砂輪表面的平均粗糙度進行綜合評價，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邊緣，然后激光位移傳感器向另一側平移一段距離E，取樣周期1/K中K取值為1，重復步驟2.3至步驟4.3，計算得到輪廓平均偏差Ra₂，如此循環往復，直到激光光斑位于砂輪的另一側邊緣時結束，共測量n-1次，得到Ra₂、Ra₃、Ra₄、…、Ra_n，計算Ra₂、Ra₃、Ra₄、…、Ra_n的均值和標準差P_c；

激光位移傳感器的平移距離E滿足式(8)所示關系：

0.9w_s＜(n-2)E＜w_s (8)

式(8)中，w_s是被測砂輪軸向寬度，單位mm；

用來綜合評價砂輪表面，兼顧整個軸向寬度的表面，沿圓周方向的平均粗糙程度；P_c用來評價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：計算得到與砂輪表面磨粒分布密度和均勻性相關的評價參量：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S_p、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S_p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；將步驟3.5中剔除奇異數據點并插值補充后的數據數組Y₃及其坐標數組X₃導入二維直角坐標系，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；

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和前一位置采樣點的差值可以重新形成一個新的差值波形，差值波形中由正轉負過零位置對應輪廓曲線中的采樣點為準波峰值，如果差值波形中由正轉負過零位置前的正值數據長度超過長度閾值R且正值數據幅度超過幅度閾值I，并且該位置后的負值數據長度超過長度閾值R且負值數據幅度超過幅度閾值I，即認定該位置對應輪廓曲線中的采樣點為波峰值；

步驟5.2：計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S_p；根據步驟5.1中尋找得到的數據數組Y₃中所有的波峰值及其在坐標數組X₃中對應的位置坐標，從坐標數組X₃中截取砂輪表面一個圓周的波峰值所對應的位置坐標，構建數組X_p＝{N₁,N₂,…,N_t}；由數組X_p中相鄰兩元素的差值，計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S_p，

式(9)(10)(11)中，n_s是被測砂輪轉速，單位r/min；d_s是被測砂輪直徑，單位mm；d_m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用來評價砂輪表面磨粒分布的密度；峰值間距離散度S_p用來評價砂輪表面磨粒分布的均勻性；

步驟5.3：分別計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S_p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邊緣，然后激光位移傳感器向另一側平移一段距離，平移規則與步驟4.5中的相同，重復步驟2.3至步驟3.5，以及步驟5.1和步驟5.2，計算得S₂、δ₂以及S_p2，如此循環往復，計算得S₃、δ₃、S_p3，S₄、δ₄、S_p4，……，最后計算各參數均值

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S_p的均值和用來針對砂輪表面，兼顧整個軸向寬度的表面，沿圓周方向磨粒分布的密度和均勻性進行評價。