基于激光三角法的砂轮磨损量检测

母德强， 郑金涛， 司苏美， 马松彪，

赵世彧， 刘金欣， 姚松林， 郝鹏飞

(长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

磨削加工是最常用的加工方法之一，在磨削加工中，特别是自动化磨削加工，砂轮表面磨粒不可避免地会产生磨损、脱落，砂轮的加工精度和加工效率也会受到影响，若得不到及时修整,可能会加工出废品。因此，研究快速检测磨床砂轮磨损情况对提高加工效率、磨削质量具有重大意义。

常用的砂轮磨损量检测方法有声发射法[1-6]、光截法[7-10]、液压法[11-12]、气压法[13-15]、激光测距法[16]等，声发射法工作条件要求高，有较多干扰性声发射源，消除干扰源很困难，严重影响评定效果。国内所进行的声波发射法多应用在普通磨床上;光截法主要用于观察磨粒形状及其变动情况；液压法精度低，不能精确测出准确磨损量[12];气压法线性测量范围小，很难应用到实际中[15]；激光测距法目前不能有效消除转动误差带来的干扰。

基于激光三角法的砂轮磨损量检测拥有较大的测量区间，并且可以有效地消除转动误差带来的干扰，且具有较高的测量精度。

1 系统组成及其原理

1.1 激光三角测量法工作原理

激光三角测量法原理如图1所示。

图1 激光三角测量法原理

图中:a----参考平面与成像透镜的距离;

b----成像透镜与光电探测器的距离;

θ1----激光与激光打在参考平面漫反射到成像透镜之间的夹角;

θ2----参考平面漫反射到光电探测器的光点与光电探测器之间的夹角;

X1,X2----被测面位移量;

当测量平面在参考平面下方时，由图1可得

(1)

化简式(1)可得

(2)

同理，当测量平面在参考平面上方时，由图1可得

(3)

化简式(3)可得

(4)

根据式(2)和式(4)可以得出实际磨损量X1与X2。

1.2 系统组成

基于激光三角法测量磨床砂轮磨损量方法如图2所示。

图2 砂轮磨损量检测系统原理

图中激光光电开关用于测量砂轮转速，砂轮下方的激光位移传感器用于测量砂轮磨损量。选用M7130B平面磨床，主要参数见表1。

表1 平面磨床参数

激光位移传感器采用基恩士LK-G30，主要参数见表2。

表2 LK-G30激光位移传感器参数

数据采集卡采用PLC-1716型16位，主要参数见表3。

表3 PLC-1716型16位A/D数据采集卡参数

现场测量装置如图3所示。

图3 现场测量装置

1.3 系统原理

计算机通过A/D采集卡对光电开关输出信号进行采集与分析，可得到砂轮转速。同理，计算机通过A/D采集卡对激光测距传感器输出信号进行采集与分析，可得到砂轮的磨损量。

2 实验及结果分析

2.1 实验方案

由于砂轮不平衡量的存在，在砂轮转动过程中将产生振动，并具有周期性特点。为了消除此影响，采用测量点数与测量点间隔时间之积为砂轮旋转周期，并将多点测量值取平均值作为砂轮表面到位移传感器的距离值。

2.2 测量步骤

1)测量砂轮转动周期；

2)整周期内采集N个点并求平均，作为砂轮表面与传感器之间距离L1的测量值；

3)同条件下，向上移动砂轮smm后再进行测量N个点，并求平均，可得到砂轮表面与传感器之间距离L2的测量值；

4)以此类推，可以得到砂轮表面到传感器之间的距离变化值L3,L4,…,Lm的测量值。

2.3 实验结果及分析

经过测量，砂轮转速为1 500 r/min，这里设定一圈采集400个点，每次砂轮架向上移动s=0.05 mm，此条件下测量结果见表4，拟合曲线如图4所示。

表4 整周期内采样(400点)

图4 整周期内采样传感器输出与移动距离关系

其拟合方程为

y=0.982 5x+0.002 4。

(5)

根据方程(5)和表4的测量值，可以计算出线性度

系统的灵敏度为0.982 5 V/mm。此时线性区间为(0, 0.999 8)，因为激光位移传感器的线性区间为±5 mm，理论上此测量方法的线性区间可以达到10 mm。

当测量点数与测量点间隔时间之积为0.8个砂轮转动周期时，其测量结果见表5，拟合曲线如图5所示。

表5 0.8周期内采样

续表5

图5 0.8周期内采样传感器输出与移动距离关系

其拟合方程为

y=1.027 9x+0.018 9。

(6)

根据方程(6)和表5的测量值，可以计算出线性度

可见，砂轮不平衡量的影响较大，0.8个周期采样无法消除砂轮不平衡量引起振动所带来的误差，因此,拟合曲线线性度较大，测量准确度不高。

为了观察线性度与测量点数有无关系，同条件下一圈采集点数由400个增加至1 000个，其测量结果见表6。

根据表6可以得出整周期测量每周期采集1 000点线性度为

系统的灵敏度为0.986 1 V/mm。

可见，对于整周期内采样，采样点数对测量值的影响不大，都可以得到较精确的测量值。

3 结 语

基于激光三角法原理可以进行磨床砂轮磨损量的测量，通过实验分析得出以下结论：

1)线性区间比较大，测量范围较大，取决于激光位移传感器的线性区间值。

2)整周期测量可以良好地消除砂轮不平衡量引起的测量误差，其测量线性度小于0.6%。

3)整周期内测量，当测量点数达到一定数目时，测量点数的变化对测量数值影响不大。

表6 整周期内采样(1 000点)