一種基于激光位移傳感器的砂輪外圓跳動檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械精密加工技術領域，涉及一種非接觸式砂輪外圓跳動測量方法， 特別是一種基于激光位移傳感器的砂輪外圓跳動檢測方法。
【背景技術】
[0002] 砂輪是用磨料和結合劑等制成的中央有通孔的圓形固結磨具，在使用時高速旋 轉，對各種金屬和非金屬材料的外圓、內圓、平面和各種型面等進行磨削加工。磨削加工是 精密加工的主要加工方法，近年來，隨著高速磨削和超精密磨削加工技術的發展，對砂輪及 其應用提出了更高的要求。為保證砂輪的磨削加工精度和質量，需要精密測量并精確控制 砂輪的外形尺寸參數，尤其是外圓跳動參數。因此，如何高效、實時、精確地測量砂輪在磨削 中的外圓徑向跳動量，對于提高磨削加工質量和效率具有重要的意義。
[0003] 目前，針對砂輪外圓跳動檢測的方法，多采用接觸式測量裝置，由于砂輪表面極其 粗糙，接觸式量儀觸頭小、易嵌入砂輪表面，因此，檢測中造成量儀觸頭損耗大，檢測數據嚴 重失真；改進后的接觸式測量裝置仍存在磨損損耗、檢測效率低和測量誤差大的缺陷；利 用渦電流傳感器的非接觸測量則受到砂輪材質等因素的限制，通用性不強。采用激光位移 傳感器檢測砂輪表面形貌信息，具有非接觸實時測量、在線分析、檢測速度快、通用性強等 特點，可避免出現接觸式檢測面臨的技術問題和缺陷。但現有公開資料顯示，激光位移傳 感器獲取的砂輪表面形貌參數，如算術平均高度、均方根偏差、最大峰值、最大谷值、均方根 斜率面積比、結構形狀比率、偏斜度、峭度、頂峰密度等，均不能作為砂輪外圓跳動的表征參 數，并且受到復雜檢測條件如高轉速、粗磨粒等及檢測對象的影響，激光位移傳感器測得數 據中包含較多噪點，且不適于頻帶濾波處理，因此，利用激光位移傳感器檢測砂輪外圓跳動 需要對傳感器測量數據進行特殊的數據處理。目前行業內還沒有一種科學、通用、高效的砂 輪外圓跳動檢測方法。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有技術的不足而提供一種基于激光位移傳感器的砂輪外圓跳動檢測 方法，本發明方法實現了對砂輪外圓徑向跳動的實時、精密測量。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案： 本發明提供一種基于激光位移傳感器的砂輪外圓跳動檢測方法，包括以下檢測步驟： (1) 首先將激光位移傳感器安裝于被測砂輪外圓表面的前方，并通過數據電纜分別將 激光位移傳感器與控制器連接，控制器與計算機連接； (2) 根據被測砂輪的表面磨粒直徑、砂輪直徑和砂輪轉速來確定激光位移傳感器的信 號采樣頻率和每次測量的采樣長度，然后通過計算機軟件對激光位移傳感器的信號采樣頻 率fk及采樣長度L3進行設定，并將信號采樣頻率fk和采樣長度Ls輸入激光位移傳感器的 控制器中，fk和L3應滿足式（1)所示關系： (1) 式（1)中，^是被測砂輪轉速，單位rpm;d3是被測砂輪直徑，單位mm;dm是被測砂輪表 面磨粒直徑，單位mm; (3) 被測砂輪旋轉時，激光位移傳感器對被測砂輪外圓表面進行檢測，獲得各采樣點 的相對高度信息，并將各采樣點的相對高度信息的測量數據傳輸至控制器，再導入計算機 中； (4) 通過軟件編程，將導入計算機中的被測砂輪表面采樣數據進行處理，依次進行以下 數據處理方法：滑動窗口限幅去噪、中值插值、砂輪外圓特征點計算和砂輪外圓輪廓曲線計 算； (5 )通過步驟（4 )對被測砂輪表面采樣數據處理后，獲得表征砂輪表面外圓輪廓的曲 線，將曲線上的最大值和最小值差值定義為砂輪外圓跳動值；利用計算機將被測砂輪外圓 跳動的測量結果和數據曲線直觀顯示并存儲，分析得到被測砂輪的外圓跳動值。
[0006] 步驟（1)中所述的被測砂輪在測量時可以一定安全轉速旋轉，所述安全轉速即為 砂輪旋轉過程中無破損狀態時的轉速；所述的激光位移傳感器安裝于被測砂輪外圓表面的 正前方，激光位移傳感器的激光發射線垂直于被測砂輪的表面，激光光斑的照射路徑通過 砂輪軸的中心；所述的數據電纜分別將激光位移傳感器、控制器和計算機連接，并將激光位 移傳感器測量數據傳輸至計算機。
[0007] 步驟（2)中激光位移傳感器工作參數的設定與被測對象和測量條件有關，不同的 被測對象和測量條件下，需設置不同的工作參數。
[0008] 步驟（3 )中，激光位移傳感器對砂輪外圓表面的采樣數據中有可能包含干擾噪點， 并且噪點的嚴重程度與被測對象和測量條件有關，需要對原始測量數據進行去噪處理。
[0009] 步驟（4)滑動窗口限幅去噪方法：首先對原始采樣數據點進行編號；然后取 一個大小為M個數據點的濾波窗口，在采樣數據上從前往后逐點滑動，設濾波窗口內數 據樣本，計算每個濾波窗口內數據點的最大值與最小值的差值，即 Ab= ;將每個濾波窗口的與設定的閾值比較，若則該 窗口內的所有數據點均可通過窗口，若％大于等于，則濾除該窗口內的數據；將通 過濾波窗口的數據點排列整理，去除編號相同的重復數據點，得滑動窗口限幅去噪處理后 數據。
[0010] 步驟（4)中滑動窗口限幅去噪方法還具有濾波窗口大小自適應調節的特征，包括 以下步驟： ① 設置濾波窗口M的最大值Mma:I，設置比較閾值; ② 設置濾波窗口初始大小M=5 ; ③ 計算與當前濾波窗口內數據鄰近的P個數據點的均值; ④ 計算當前濾波窗口內數據點與g；"saa的最小的差值絕對值，即min[|g: - 0 ; ⑤ 將&與比較，若則轉到⑦，若則轉到⑥； ⑥ 濾波窗口大小擴展為M+2,若擴展后大于~1_。，則轉到⑦，否則轉到④； ⑦ 確定當前濾波窗口大小，對當前濾波窗口內數據進行濾波； ⑧ 濾波窗口向后滑動一個點，轉到②。
[0011] 步驟（4)中中值插值方法：將經過滑動窗口限幅去噪處理后的數據與原始采樣數 據比較，找出被濾除的缺失數據點，并將其作為待插值數據點；在原始采樣數據中，將與待 插值數據點鄰近的L個數據點取出，并將其按照大小進行升序排列，然后取出排在正中間 的一個數據點的值或兩個數據點的均值，將該值作為插值數據點補充到經過去噪處理后的 測量數據中。
[0012] 步驟（4)中砂輪外圓特征點計算方法：針對去噪和插值處理后的數據，取一個大 小為N個數據點的取樣窗口，從前往后逐點滑動，設取樣窗口內數據樣本Z= (Zl_, ，計算每個取樣窗口內N個數據點的最大值，作為該取樣窗口的特征點；然后將各取樣 窗口的特征點排列整理，去除編號相同的重復點，得取樣窗口特征點集合；將去噪和插值處 理后的數據等長劃分為K段區間，取樣窗口特征點集合中落入單段區間內的特征點數據為 計算其平均值^畫將的值作為激光位移傳感器采 樣數據的砂輪外圓特征點；其中，砂輪外圓特征點共K個，K和N應滿足式（2)所示關系：
式（2)中，fk是傳感器的采樣頻率，單位抱；115是被測砂輪轉速，單位1^!11;€1,是被測砂 輪直徑，單位mm;dm是被測砂輪表面磨粒直徑，單位_。
[0013] 步驟（4)中砂輪外圓輪廓曲線計算方法：利用數學的最小二乘法對砂輪外圓特征 點進行多項式曲線擬合，將擬合后的曲線作為砂輪外圓輪廓曲線，并計算曲線上的最大值 和最小值的差值，作為砂輪外圓跳動值輸出。
[0014] 步驟（5)中計算機可顯示并存儲各數據處理階段的處理結果和曲線，并對其進行 統計分析；測量結束后，可根據被測對象和條件保存當前設置參數，方便下次測量時調用。
[0015] 與現有技術相比，本發明取得的有益效果： 1.本發明專利結構簡單、操