基于激光三角法的砂轮磨损量检测

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---------- 分别为 Ｘ１ 与 Ｘ２ 通过漫反射 到光电探测器的点相对于基准点的位移量。

              当测量平面在参考平面下方时，由图１可得

             化简式（１）可得

           　同理，当测量平面在参考平面上方时，由图１ 可得

               化简式（３）可得　

             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。

        　激光位移传感器采用基恩士 ＬＫ－Ｇ３０，主要 参数见表２。

         　数据采集卡采用 ＰＬＣ－１７１６型１６位，主要参 数见表３。   　

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；　

           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１５００ｒ／ｍｉｎ，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。 

         　其拟合方程为

         ｙ＝０．９８２５ｘ＋０．００２４。 （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０．９８２５Ｖ／ｍｍ。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±５ｍｍ，理论上此测量方法的线性区间可 以达到１０ｍｍ。

           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。 

  　其拟合方程为

           ｙ＝１．０２７９ｘ＋０．０１８９。 （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１０００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 １０００点线性度为

        系统的灵敏度为０．９８６１Ｖ／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。