收稿日期:2021-01-07
基金项目：吉林省科技厅基金资助项目(20130206027G X )
作者简介：母德强(1961-)，男，汉族，内蒙古赤峰人，长春工业大学教授，博士生导师，主要从事精密加工与检测方向研究,E -m a i l :m u d e q i a n g
@c c u t .e d u .c n .*通讯作者：郑金涛(1994-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学硕士研究生，主要从事精密加工与检测方向研究,E -m a i l :501231581@q q
.c o m.第42卷第3期 长春工业大学学报 V o l .42N o .32021年06月 J o u r n a l o fC h a n g c h u nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y
J u n .2021 D O I :10.15923/j
.c n k i .c n 22-1382/t .2021.3.02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
地脚螺钉(长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012
)摘 要：针对砂轮磨损量检测问题，提出一种基于激光三角法原理的砂轮磨损量检测方法，并搭建了一套实验检测系统㊂实验结果表明，该方法能够对磨床砂轮磨损量进行非接触检测，测量范围大，整周期测量时，其线性度小于0.6%㊂该方法操作简单，可应用于实际生产中㊂关键词：磨损量；检测；激光；砂轮；激光三角法 中图分类号:T H161.11 文献标志码:A 文章编号:1674-1374(2021)03-0200-05
R e s e a r c ho nw e a rm e a s u r e m e n t o f g r i n d i n g w
h e e l b a s e d o n l a s e r t r i a n g
u l a t i o n MU D e q i a n g , Z H E N GJ i n t a o *
, S I S u m e i , MAS o n g b i a o ,Z H A OS h i y u , L I UJ i n x i n , Y A OS o n g l i n , H A OP e n g
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g i n e e r i n g ,C
h a n g c h u nU n
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c h u n130012,C h i n a )A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e p r o b l e mo f
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h e e l ,am e t h o do f d e t e c t
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t h ew e a r o f t h e g r i n d i n g w h e e l b a s e do n t h e p r i n c i p l eo f l a s e r t r i a n g u l a t i o n i s p r o p o s e d ,a n da s e t o f e x p e r i m e n t a l d e t e c t i o ns y s t e mi sb u i l t .E x p
e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h i s m e t h o dc a nb eu s e dt o p e r
f o r m n o n -c o n t a c t d e t e c t i o n o ft h e
g r i n d i n g w
h e e l w e a r o ft h e g r
i n d i n g m a c h i n e ,a n d t h e m e a s u r e m e n t r a n g e c a nb ew i d e .D u r i n g t h ew h o l e c y c l em e a s u r e m e n t ,t h e c o n d i t i o no f t h e g r i n d i n g
w h e e l s u r f a c ew e a rc a nb er e l a t i v e l y c o m p l e t e l y d e t e c t e d ,a n dT h e l i n e a r i t y i
s l e s s t h a n0.6%.T h e m e t h o d i s s i m p l e t oo p e r a t e a n d c a nb e a p p l i e d i na c t u a l p
r o d u c t i o n .K e y w
o r d s :w e a r ;d e t e c t i o n ;l a s e r ;g r i n d i n g w h e e l ;t r i a n g u l a rm e t h o d .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㊁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㊂因此，研究快速检测磨床砂轮磨损情况对提高加工效率㊁磨削质量具有重大意义㊂
常用的砂轮磨损量检测方法有声发射法[
1-6
]㊁光截法[7-10]㊁液压法[11-12]㊁气压法[13-15]
㊁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㊂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㊂
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㊂
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㊂
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;
X 1,X 2
被测面位移量;
X '1,X '2
分别为X 1与X 2通过漫反射
到光电探测器的点相对于基准点的位移量㊂
当测量平面在参考平面下方时,
由图1可得X 1s i n θ1X '1s i n θ2=a +X 1c o s θ1
b -X '
1c o s θ2
㊂(1
) 化简式(1
)可得X 1=a X '1s i n θ2
b s i n θ1-X '
1s i n (θ1+θ2)
㊂(2
) 同理,
当测量平面在参考平面上方时，由图1可得
伞齿轮设计X 2s i n θ1X '2s i n θ2=a -X 2c o s θ1
b +X '
2c o s θ2
㊂(3
) 化简式(3
)可得X 2=a X '2s i n θ2
b s i n θ1+X '
2s i n (θ1+θ2
)㊂(4
) 根据式(2)和式(4)
可以得出实际磨损量X 1与X 2㊂
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㊂
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㊂选用M 7130B 平面磨床, 主要参数见表1㊂表1 平面磨床参数参数名称
参数值工作台工作面长度/mm 1000工作台工作面宽度/mm
320
转速/(r ㊃m i n
-1
)1500 激光位移传感器采用基恩士L K -G 30,
主要参数见表2㊂
1
02第3期 母德强，等：基于激光三角法的砂轮磨损量检测
表2L K-G30激光位移传感器参数
参数名称参数值
测量范围/mmʃ5
测量精度/μm5
取样周期/μs20/50/100/200/500/1000
再现性/μm0.05
线性度/(%F S S)ʃ0.05
土著菌数据采集卡采用P L C-1716型16位，主要参数见表3㊂
表3P L C-1716型16位A/D数据采集卡参数
参数名称参数值
测量范围/Vʃ10
采样速度/(K S㊃s-1)250
分辨率/位16
现场测量装置如图3所示㊂
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㊂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㊂
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㊂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㊂
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s mm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;
再生素
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, ,L m的测量值㊂2.3实验结果及分析
经过测量，砂轮转速为1500r/m i n，这里设定一圈采集400个点，每次砂轮架向上移动s= 0.05mm，此条件下测量结果见表4，拟合曲线如图4所示㊂
表4整周期内采样(400点)
间距/mm均值/V
0.00000.0000
0.05060.0483
0.10050.0974
0.15080.1554
0.20010.2046
0.24960.2522
0.30030.2949
0.35020.3494
0.40010.3970
0.44990.4451
0.50060.4911
0.55090.5420
0.60010.5904
0.64980.6408
0.70090.6874
0.75030.7413
0.7999〛0.7897
0.85030.8376
0.90050.8859
0.95050.9374
0.99980.9856
202长春工业大学学报第42卷
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=0.9825x+0.0024㊂(5)根据方程(5)和表4的测量值，可以计算出线性度
δ=ΔY m a x
ΔYˑ100%=
0.0056
0.9823=0.57%㊂
系统的灵敏度为0.9825V/mm㊂此时线性区间为(0,0.9998)，因为激光位移传感器的线性区间为ʃ5mm，理论上此测量方法的线性区间可以达到10mm㊂
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㊂
表50.8周期内采样
间距/mm均值/V
0.00000.0000
0.05060.0897
0.10050.1074
0.15080.1513
0.20010.2517
0.24960.2571
0.30030.3046
0.35020.3591
0.40010.4307
0.44990.5151
0.50060.5751
0.55090.6109
0.60010.6558
0.64980.6980
0.70090.7348
服务器审计0.75030.7884
续表5
间距/mm均值/V
0.79990.8389
0.85030.8506
0.90050.9649
0.95050.9446
0.99981.06
60
图50.8周期内采样传感器输出与移动距离关系
其拟合方程为
y=1.0279x+0.0189㊂(6)根据方程(6)和表5的测量值，可以计算出线性度
δ=
ΔY m a x
ΔYˑ100%=
0.0513
1.0277=4.99%㊂
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㊂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1000个，其测量结果见表6㊂
根据表6可以得出整周期测量每周期采集1000点线性度为
δ=
ΔY m a x
ΔYˑ100%=
0.0054
0.9860=0.55%，系统的灵敏度为0.9861V/mm㊂
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㊂
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㊂
302
第3期母德强，等：基于激光三角法的砂轮磨损量检测
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%㊂3)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㊂
表6整周期内采样(1000点)
间距/mm均值/V
0.00000.0000
0.05040.0512
0.10070.1052
0.14930.1538
0.20060.2049
0.25060.2528
0.30060.3015
分度机构0.34480.3566
0.39450.4047
0.45100.4440
0.49380.4967
0.54070.5415
0.59270.5975
0.64430.6450
0.70050.6901
0.75130.7443
0.80010.7968
0.85050.8417
0.90060.8919
0.94990.9406
0.99990.9907
参考文献:
[1]张慎明.数控曲轴磨削加工中砂轮磨损量的检测方
法[J].精密制造与自动化,2006(3):13-14. [2]丁宁，段景淞，石建，等.基于声发射砂轮磨损监测系
统的研究[J].南京航空航天大学学报,2020(1):48-
52.
[3]郭力，霍可可，郭君涛.基于E M D的金刚石砂轮磨
损状态声发射监测[J].湖南大学学报：自然科学版, 2019(2):58-66.
[4] C h i e n s h e n g L i u,Y a n g j i u nO u.G r i n d i n g w h e e l l o a d-
i n g e v a l u a t i o n b y u s i n g a c o u s t i c e m i s s i o n s i g n a l s a n d
d i g i t a l i m a g
e p r o c e s s i n g[J].S e n s o r s,2020,20(15):
E4092.
[5] D u y t r i n hN g u y e n,S h a o h u iY i n a,Q i n g c h u nT a n g a,
e t a l.O n l i n e m o n i t o r i n g o fs u r
f a c er o u
g
h n e s sa n d
g r i n d i n g w h e e lw e a rw h e n g r i n d i n g T i-6A l-4Vt i t a-
n i u ma l l o y u s i n g A N F I S-G P Rh y b r i da l g o r i t h ma n d
t a g u c h ia n a l y s i s[J].P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g,2019, 55:275-292.
[6]于文泽.多传感器融合砂轮磨损状态监测研究[D].
长春：长春大学,2018.
[7]罗志升，王黎，高晓蓉，等.光截法旋转式物体三维重
构[J].微计算机信息,2010(10):129-130,137. [8]曹贺，王泽勇，周伟，等.基于C C D的列车轮对在线
检测系统的应用研究[J].信息技术,2011(10):98-
102.
[9]孟佳，高晓蓉.钢轨磨耗检测技术的现状与发展[J].
铁道技术监督,2005(1):34-36.
[10]韩龙.基于光截法的高速铁路道岔磨耗检测中光带
细化研究[D].南京：东南大学,2017. [11]母德强，张发奎，赵世彧，等.差压技术的砂轮磨损
量检测研究[J].机床与液压,2019,47(2):79-81.
[12]谢新旺.砂轮磨损量与钝化程度的在线监测技术
[D].长春：长春工业大学,2014.
[13] K e v i nT a n a k a,P h i l i p K o s h y.A p n e u m a t i cs e n s o r
f o r
g r i n d i n g w
h e e l c o n d
i t i o nm o n i t o r i n g[J].P r e c i-
s i o nE n g i n e e r i n g,2019,56:62-68.
[14]N g u y e n D u y T r i n h,Y i n S h a o h u i,N g u y e n N h a t
T a n,e t a l.A n e w m e t h o df o ro n l i n e m o n i t o r i n g
w h e n g r i n d i n g T i-6A l-4Va l l o y[J].M a t e r i a l sa n d
M a n u f a c t u r i n g P r o c e s s e s,2019,34(1):39-53. [15] S t i p e t i c,Z a r k o,P o p e s c u.E v a l u a t i o no f g r i n d i n g
w h e e lw e a r i nw e t p r o f i l e g r i n d i n g f o r t h e g r o o v e
o ft h e b a l lb e a r i n g'si n n e rr i n g b y p n e u m a t i c
p r o b e s[J].J o u r n a l o f M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d
T e c h n o l o g y,2018,32(3):1297-1305. [16]董起顺，李振辉，安志勇，等.弹芯激光检测技术
[J].长春工业大学学报：自然科学版,2003,24(4):
73-75.
402长春工业大学学报第42卷
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