一种基于激光位移传感器的砂轮外圆跳动检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械精密加工技术领域，涉及一种非接触式砂轮外圆跳动测量方法， 特别是一种基于激光位移传感器的砂轮外圆跳动检测方法。
【背景技术】
[0002] 砂轮是用磨料和结合剂等制成的中央有通孔的圆形固结磨具，在使用时高速旋 转，对各种金属和非金属材料的外圆、内圆、平面和各种型面等进行磨削加工。磨削加工是 精密加工的主要加工方法，近年来，随着高速磨削和超精密磨削加工技术的发展，对砂轮及 其应用提出了更高的要求。为保证砂轮的磨削加工精度和质量，需要精密测量并精确控制 砂轮的外形尺寸参数，尤其是外圆跳动参数。因此，如何高效、实时、精确地测量砂轮在磨削 中的外圆径向跳动量，对于提高磨削加工质量和效率具有重要的意义。
[0003] 目前，针对砂轮外圆跳动检测的方法，多采用接触式测量装置，由于砂轮表面极其 粗糙，接触式量仪触头小、易嵌入砂轮表面，因此，检测中造成量仪触头损耗大，检测数据严 重失真；改进后的接触式测量装置仍存在磨损损耗、检测效率低和测量误差大的缺陷；利 用涡电流传感器的非接触测量则受到砂轮材质等因素的限制，通用性不强。采用激光位移 传感器检测砂轮表面形貌信息，具有非接触实时测量、在线分析、检测速度快、通用性强等 特点，可避免出现接触式检测面临的技术问题和缺陷。但现有公开资料显示，激光位移传 感器获取的砂轮表面形貌参数，如算术平均高度、均方根偏差、最大峰值、最大谷值、均方根 斜率面积比、结构形状比率、偏斜度、峭度、顶峰密度等，均不能作为砂轮外圆跳动的表征参 数，并且受到复杂检测条件如高转速、粗磨粒等及检测对象的影响，激光位移传感器测得数 据中包含较多噪点，且不适于频带滤波处理，因此，利用激光位移传感器检测砂轮外圆跳动 需要对传感器测量数据进行特殊的数据处理。目前行业内还没有一种科学、通用、高效的砂 轮外圆跳动检测方法。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足而提供一种基于激光位移传感器的砂轮外圆跳动检测 方法，本发明方法实现了对砂轮外圆径向跳动的实时、精密测量。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案： 本发明提供一种基于激光位移传感器的砂轮外圆跳动检测方法，包括以下检测步骤： (1) 首先将激光位移传感器安装于被测砂轮外圆表面的前方，并通过数据电缆分别将 激光位移传感器与控制器连接，控制器与计算机连接； (2) 根据被测砂轮的表面磨粒直径、砂轮直径和砂轮转速来确定激光位移传感器的信 号采样频率和每次测量的采样长度，然后通过计算机软件对激光位移传感器的信号采样频 率fk及采样长度L3进行设定，并将信号采样频率fk和采样长度Ls输入激光位移传感器的 控制器中，fk和L3应满足式（1)所示关系： (1) 式（1)中，^是被测砂轮转速，单位rpm;d3是被测砂轮直径，单位mm;dm是被测砂轮表 面磨粒直径，单位mm; (3) 被测砂轮旋转时，激光位移传感器对被测砂轮外圆表面进行检测，获得各采样点 的相对高度信息，并将各采样点的相对高度信息的测量数据传输至控制器，再导入计算机 中； (4) 通过软件编程，将导入计算机中的被测砂轮表面采样数据进行处理，依次进行以下 数据处理方法：滑动窗口限幅去噪、中值插值、砂轮外圆特征点计算和砂轮外圆轮廓曲线计 算； (5 )通过步骤（4 )对被测砂轮表面采样数据处理后，获得表征砂轮表面外圆轮廓的曲 线，将曲线上的最大值和最小值差值定义为砂轮外圆跳动值；利用计算机将被测砂轮外圆 跳动的测量结果和数据曲线直观显示并存储，分析得到被测砂轮的外圆跳动值。
[0006] 步骤（1)中所述的被测砂轮在测量时可以一定安全转速旋转，所述安全转速即为 砂轮旋转过程中无破损状态时的转速；所述的激光位移传感器安装于被测砂轮外圆表面的 正前方，激光位移传感器的激光发射线垂直于被测砂轮的表面，激光光斑的照射路径通过 砂轮轴的中心；所述的数据电缆分别将激光位移传感器、控制器和计算机连接，并将激光位 移传感器测量数据传输至计算机。
[0007] 步骤（2)中激光位移传感器工作参数的设定与被测对象和测量条件有关，不同的 被测对象和测量条件下，需设置不同的工作参数。
[0008] 步骤（3 )中，激光位移传感器对砂轮外圆表面的采样数据中有可能包含干扰噪点， 并且噪点的严重程度与被测对象和测量条件有关，需要对原始测量数据进行去噪处理。
[0009] 步骤（4)滑动窗口限幅去噪方法：首先对原始采样数据点进行编号；然后取 一个大小为M个数据点的滤波窗口，在采样数据上从前往后逐点滑动，设滤波窗口内数 据样本，计算每个滤波窗口内数据点的最大值与最小值的差值，即 Ab= ;将每个滤波窗口的与设定的阈值比较，若则该 窗口内的所有数据点均可通过窗口，若％大于等于，则滤除该窗口内的数据；将通 过滤波窗口的数据点排列整理，去除编号相同的重复数据点，得滑动窗口限幅去噪处理后 数据。
[0010] 步骤（4)中滑动窗口限幅去噪方法还具有滤波窗口大小自适应调节的特征，包括 以下步骤： ① 设置滤波窗口M的最大值Mma:I，设置比较阈值; ② 设置滤波窗口初始大小M=5 ; ③ 计算与当前滤波窗口内数据邻近的P个数据点的均值; ④ 计算当前滤波窗口内数据点与g；"saa的最小的差值绝对值，即min[|g: - 0 ; ⑤ 将&与比较，若则转到⑦，若则转到⑥； ⑥ 滤波窗口大小扩展为M+2,若扩展后大于~1_。，则转到⑦，否则转到④； ⑦ 确定当前滤波窗口大小，对当前滤波窗口内数据进行滤波； ⑧ 滤波窗口向后滑动一个点，转到②。
[0011] 步骤（4)中中值插值方法：将经过滑动窗口限幅去噪处理后的数据与原始采样数 据比较，找出被滤除的缺失数据点，并将其作为待插值数据点；在原始采样数据中，将与待 插值数据点邻近的L个数据点取出，并将其按照大小进行升序排列，然后取出排在正中间 的一个数据点的值或两个数据点的均值，将该值作为插值数据点补充到经过去噪处理后的 测量数据中。
[0012] 步骤（4)中砂轮外圆特征点计算方法：针对去噪和插值处理后的数据，取一个大 小为N个数据点的取样窗口，从前往后逐点滑动，设取样窗口内数据样本Z= (Zl_, ，计算每个取样窗口内N个数据点的最大值，作为该取样窗口的特征点；然后将各取样 窗口的特征点排列整理，去除编号相同的重复点，得取样窗口特征点集合；将去噪和插值处 理后的数据等长划分为K段区间，取样窗口特征点集合中落入单段区间内的特征点数据为 计算其平均值^画将的值作为激光位移传感器采 样数据的砂轮外圆特征点；其中，砂轮外圆特征点共K个，K和N应满足式（2)所示关系：
式（2)中，fk是传感器的采样频率，单位抱；115是被测砂轮转速，单位1^!11;€1,是被测砂 轮直径，单位mm;dm是被测砂轮表面磨粒直径，单位_。
[0013] 步骤（4)中砂轮外圆轮廓曲线计算方法：利用数学的最小二乘法对砂轮外圆特征 点进行多项式曲线拟合，将拟合后的曲线作为砂轮外圆轮廓曲线，并计算曲线上的最大值 和最小值的差值，作为砂轮外圆跳动值输出。
[0014] 步骤（5)中计算机可显示并存储各数据处理阶段的处理结果和曲线，并对其进行 统计分析；测量结束后，可根据被测对象和条件保存当前设置参数，方便下次测量时调用。
[0015] 与现有技术相比，本发明取得的有益效果： 1.本发明专利结构简单、操