本發(fā)明涉及一種砂輪圓弧修整廓形在線測量方法。

背景技術(shù)：

汽車曲軸作為發(fā)動機關(guān)鍵零件，其主軸頸、連桿頸巴厘線(即曲軸軸頸圓柱表面母線具有一定公差要求的圓弧形)的磨削精度對發(fā)動機性能有較大影響。由于巴厘線通常采用砂輪進行成形修整后進行切入磨實現(xiàn)，其磨削精度主要靠砂輪廓形精度保證。因此對砂輪圓弧修整實際廓形的檢測極其重要。對于砂輪實際修整廓形的測量，傳統(tǒng)方法大多采用離線測量：要么修整后將砂輪拆下進行直接測量，要么將廓形復(fù)刻至石墨或工件上后進行間接測量。這些方法費時費力，并不適用于高效率大批量的現(xiàn)代化汽車曲軸生產(chǎn)線中。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)信號因其高頻的特點，可避開低頻噪聲的干擾且靈敏度極高，已被廣泛應(yīng)用于對工件磨削及砂輪修整過程的監(jiān)測。因此，若能建立聲發(fā)射信號與修整切深的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)利用聲發(fā)射傳感器進行砂輪修整廓形的在線間接測量，就能夠進一步實現(xiàn)在線誤差補償，能在保證修整精度的同時大大提高修整效率，也有利于提高曲軸生產(chǎn)效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種砂輪圓弧修整廓形在線測量方法。該方法利用聲發(fā)射傳感器對砂輪修整過程進行在線監(jiān)測，通過建立砂輪圓弧修整過程中各位置聲發(fā)射信號特征值與實際修整切深的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)基于聲發(fā)射信號的砂輪圓弧修整廓形的在線測量。從而能夠通過高效率的在線測量及時進行誤差補償，實現(xiàn)砂輪圓弧修整廓形精度控制。

為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：通過布置在修整器附近的聲發(fā)射傳感器及相關(guān)采集設(shè)備實時獲取砂輪修整過程中的聲發(fā)射信號；在濾波等信號預(yù)處理的基礎(chǔ)上，基于某位置附近微小時段聲發(fā)射信號均方根值與該位置實際修整切深之間的數(shù)學(xué)模型，對砂輪實際修整廓形進行在線估計，從而實現(xiàn)砂輪圓弧修整廓形的在線測量。

本發(fā)明所用的砂輪圓弧修整廓形在線測量系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、磁性基座、前置放大器、采集卡、機箱、計算機。其特征在于聲發(fā)射傳感器利用磁性基座吸附在修整器附近，在不產(chǎn)生干涉的前提下盡量靠近修整點，其安裝高度與修整器修整點及砂輪軸線等高，安裝面與聲發(fā)射波傳播方向垂直。

根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種砂輪圓弧修整廓形在線測量方法，其步驟如下：

1)輸入修整參數(shù)：進給速度(也稱切向進給速度)F、修整圓弧中凸量a_p。

2)進行砂輪廓形測量系統(tǒng)標定，明確砂輪圓弧修整過程中各位置聲發(fā)射信號均方根值X_ae與修整切深X_gr的數(shù)學(xué)模型。

3)根據(jù)修整過程特點設(shè)置AE信號采樣頻率，根據(jù)圓弧中凸量a_p和圓弧寬度d計算砂輪圓弧修整程序中的理論圓弧半徑值r。

4)將砂輪修平。

5)運行砂輪圓弧修整程序，實時獲取AE信號，利用快速傅里葉變換(FFT)進行濾波處理，并判斷修整起始點位置。

6)根據(jù)修整位置與修整時間的對應(yīng)關(guān)系，實時計算修整過程中各位置附近某微小時段的AE信號均方根值X_ae以及該位置的Z方向進給速度F_z。

7)將修整過程中各位置的AE信號均方根值X_ae以及該位置的Z方向進給速度F_z代入砂輪圓弧修整變參數(shù)模型，得到該位置的修整切深X_gr。

8)判斷修整終點，即獲得整個修整過程中的砂輪修整廓形。

上述步驟2)中砂輪廓形測量系統(tǒng)標定方法如下：

a)進行幾組不同修整參數(shù)的砂輪圓弧修整，采集修整過程中AE信號值，計算各位置的AE信號均方根值，并將修整后的砂輪廓形進行離線測量。

b)根據(jù)AE信號均方根值與實際切深的基本數(shù)學(xué)模型(見式(1))，將幾組修整條件及結(jié)果作為樣本輸入進行參數(shù)辨識，基于最小二乘法的原則對各參數(shù)進行擬合求解。

其中X_gr為修整切深，X_ae為AE信號均方根值，F(xiàn)_z為Z方向進給速度，b_i為模型參數(shù)，i＝0,1,2。

c)將模型參數(shù)b_i按如下函數(shù)進行擬合，求解出各擬合參數(shù)B_i、μ_i、σ_i、c_i。

其中F為切向進給速度，為Z方向進給速度與X方向進給速度的合成；a_p為修整圓弧中凸量；B_i為4×4矩陣，i＝0,1,2。

d)將辨識后的參數(shù)及原試驗數(shù)據(jù)重新輸入模型，計算所得廓形中凸量a_p估計與離線測量所得廓形中凸量a_p測量的相對誤差δ_pre。

e)將誤差全補償至常系數(shù)項得到新的參數(shù)值。

其中j表示參數(shù)調(diào)整次數(shù)，j＝0,1,2,…，b₀(0)、b₁(0)、b₂(0)為初步擬合得到的參數(shù)。

f)對新參數(shù)值繼續(xù)進行擬合，重復(fù)步驟c)～e)，直至模型所得廓形中凸量與離線測量所得廓形中凸量誤差小于生產(chǎn)要求設(shè)定值，即完成砂輪圓弧修整廓形測量系統(tǒng)的標定，明確了砂輪圓弧修整過程中各位置聲發(fā)射信號均方根值與修整切深的數(shù)學(xué)模型。

上述步驟3)中根據(jù)圓弧中凸量a_p和圓弧寬度d計算砂輪圓弧修整程序中的理論圓弧半徑值r的方法如下：

上述步驟6)中各位置附近微小時段的AE信號均方根值以及該位置的Z方向進給速度F_z計算方法如下：

a)根據(jù)圖2中圓弧運動特點，計算各時刻t與其所對應(yīng)位置z_i的關(guān)系為

其中F為切向進給速度，為Z方向進給速度與X方向進給速度的合成；r為修整圓弧理論半徑；d為修整圓弧寬度。

b)計算各時刻AE信號均方根值X_ae(t)，并根據(jù)式(6)將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)位置的AE信號均方根值。

其中V(t)為任意時刻濾波后的AE信號值，T為時間常數(shù)。

c)根據(jù)圖2中幾何關(guān)系及運動關(guān)系，計算可得各位置Z方向的進給速度

其中F為切向進給速度，為Z方向進給速度與X方向進給速度的合成；r為修整圓弧理論半徑；d為修整圓弧寬度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

本發(fā)明提供了一種利用聲發(fā)射傳感器間接在線測量砂輪圓弧修整廓形的方法，標定后不必采用繁瑣的離線測量，在保證測量精度的同時，大大縮短了測量時間，有利于在快節(jié)奏大批量的曲軸生產(chǎn)中提高加工效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明砂輪圓弧修整廓形在線測量系統(tǒng)示意圖。

圖2是本發(fā)明中砂輪圓弧修整幾何示意圖。

圖3是本發(fā)明砂輪圓弧修整廓形在線測量流程圖。

圖4是本發(fā)明砂輪圓弧修整廓形在線測量系統(tǒng)標定流程。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖說明如下：

參見圖1，砂輪圓弧修整廓形在線測量系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器1、磁性基座2、前置放大器3、采集卡4、機箱5、計算機6。聲發(fā)射傳感器1利用磁性基座2吸附在修整器附近，在不產(chǎn)生干涉的前提下盡量靠近修整點，其安裝高度與修整器修整點及砂輪軸線等高，安裝面與聲發(fā)射波傳播方向垂直；聲發(fā)射信號經(jīng)前置放大器3、采集卡4、機箱5采集至計算機6上，經(jīng)濾波處理后即可獲得修整過程中的聲發(fā)射信號值。

參見圖3，砂輪圓弧修整廓形在線測量方法是：

1)輸入修整參數(shù)：進給速度(也稱切向進給速度)F＝80mm/min、修整圓弧中凸量a_p＝1μm。

2)參見圖4，進行砂輪廓形測量系統(tǒng)標定，明確砂輪圓弧修整過程中各位置聲發(fā)射信號均方根值與修整切深的數(shù)學(xué)模型。具體方法如下：

a)分別進行幾組不同修整參數(shù)的砂輪圓弧修整，具體修整條件見表1；采集修整過程中AE信號值，計算各位置的AE信號均方根值，并將修整后的砂輪廓形進行離線測量。

b)根據(jù)AE信號均方根值與實際切深的基本數(shù)學(xué)模型(見式(9))，將幾組修整條件及結(jié)果作為樣本輸入進行參數(shù)辨識，基于最小二乘法的原則對各參數(shù)進行擬合求解。

其中X_ae為AE信號均方根值，F(xiàn)_z為Z方向進給速度，b_i為模型參數(shù)，i＝0,1,2。參數(shù)辨識結(jié)果見表1。

c)將模型參數(shù)b_i按如下函數(shù)進行擬合，求解出各擬合參數(shù)B_i、μ_i、σ_i、c_i。

其中F為切向進給速度，為Z方向進給速度與X方向進給速度的合成，a_p為修整圓弧中凸量，B_i為4×4矩陣，i＝0,1,2。

d)將辨識后的參數(shù)及原試驗數(shù)據(jù)重新輸入模型，計算所得廓形中凸量a_p估計與離線測量所得廓形中凸量a_p測量的模型估計相對誤差δ_pre，計算方法見式(11)，結(jié)果見表1。

e)將誤差全補償至常系數(shù)項得到新的參數(shù)值，計算方法見式(12)，結(jié)果見表1。

其中j表示參數(shù)調(diào)整次數(shù)，j＝0、1、2、……。其中b₀(0)、b₁(0)、b₂(0)為初步擬合得到的參數(shù)。

表1砂輪廓形測量系統(tǒng)標定試驗

f)對新參數(shù)值繼續(xù)進行擬合，重復(fù)步驟c)～e)，直至模型所得廓形中凸量與離線測量所得廓形中凸量誤差小于生產(chǎn)要求設(shè)定值±10％，即完成砂輪圓弧修整廓形測量系統(tǒng)的標定。最終得砂輪圓弧修整過程中各位置聲發(fā)射信號均方根值與修整切深的數(shù)學(xué)模型為：

3)根據(jù)修整過程特點設(shè)置AE信號采樣頻率為1MHz，根據(jù)圓弧中凸量a_p＝1μm以及圓弧寬度d＝8mm計算砂輪圓弧修整程序中的理論圓弧半徑值r，計算方法如下：

4)將砂輪修平。

5)運行砂輪圓弧修整程序，實時獲取AE信號，利用快速傅里葉變換(FFT)進行濾波處理，并判斷修整起始點位置。

6)參見圖2，(7)為修整器，(8)為砂輪。根據(jù)修整位置與修整時間的對應(yīng)關(guān)系，實時計算修整過程中各位置附近某微小時段的AE信號均方根值X_ae以及該位置的Z方向進給速度F_z。以修整時間t＝3s時對應(yīng)的修整位置為例，具體計算方法如下：

a)根據(jù)圖2中圓弧運動特點，計算各時刻t與其所對應(yīng)位置z_i的關(guān)系為

其中F＝80mm/min為切向進給速度，為Z方向進給速度與X方向進給速度的合成；修整圓弧理論半徑r＝8000.0005mm；修整圓弧寬度d＝8mm。代入式(15)中計算得各時刻t與其所對應(yīng)位置z_i的關(guān)系為

修整時間t＝3s時，對應(yīng)修整位置z_i為

b)計算該時刻AE信號均方根值，并根據(jù)修整時間與修整位置的對應(yīng)關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)位置的AE信號均方根值。

其中V(t)為任意時刻濾波后的AE信號值，T＝0.1s為時間常數(shù)。經(jīng)采集計算得到該位置的AE信號均方根值為X_ae＝0.4641V。

c)根據(jù)圖2中幾何關(guān)系及運動關(guān)系，計算可得各位置Z方向的進給速度F_z，計算方法如下：

其中，進給速度F＝80mm/min，修整圓弧寬度d＝8mm，修整圓弧理論半徑r＝8000.0005mm；由上述步驟a)得修整時間t＝3s時的對應(yīng)修整位置為z_i＝4mm，則該位置Z方向進給速度F_z為

7)將上述過程計算所得的修整過程中該位置AE信號均方根值X_ae、Z方向進給速度F_z以及修整參數(shù)(進給速度F、圓弧中凸量a_p)代入模型，得到該位置的修整切深X_gr。

本實例中進給速度F＝80mm/min，圓弧中凸量a_p＝1μm；由上述步驟6)得修整時間t＝3s時的對應(yīng)修整位置為z_i＝4mm，該位置處的AE信號均方根值X_ae＝0.4641V，Z方向進給速度F_z＝80mm/min。將其代入式(13)，可得該位置的修整切深X_gr為：

8)判斷修整終點，即獲得整個修整過程中的砂輪修整廓形。