專利名稱:外圓磨削在線測量光纖量儀的制作方法
本發(fā)明屬于一種精密測量儀器以往機械加工的工件都是在機床停止工作以后，由工人用手工工具進行測量的。1981年，井上順章(日本)等在日本機械學會論文集(C編)47卷424號(昭56-12)第1672頁上發(fā)表的文章，提出了利用光導纖維傳感器作為光纖光澤計來測量工件表面粗糙度，并研制了在線測量外圓磨加工工件表面粗糙度的光學測試裝置。其基本原理如下金屬切削表面是一種微觀凹凸不平的表面，若一束光照在這樣的表面上，反射光可以認為有正反射光及漫反射光。由本發(fā)明利用的光纖傳感器測試這樣的反射光強時，其輸出值與四個因素有關(guān)，即被測表面粗糙度、表面微觀幾何特征，表面反射率和被測表面到光纖端面的距離，對相同材料、同一種加工方法得到的表面，其對光的反射率和表面微觀幾何特征可以認為是一定的，如果實現(xiàn)了定距測量，則光纖傳感器的輸出就可間接的反應被測表面的粗糙度。
井上順章等人為了克服實際加工中工件尺寸不斷減小及工件變形、振動對測定距離的影響，采用了渦流位移傳感器線控伺服電機，從而實現(xiàn)光纖傳感器與工件表面間的恒定距離。上述裝置存在著不足之處，首先由于線控伺服電機到絲杠機構(gòu)這一傳動鏈中不可避免的帶來位移補償?shù)恼`差，另外該裝置僅能用于在線測量工件表面粗糙度，難以發(fā)展成為測量其它參數(shù)的多功能量儀。本發(fā)明針對上述問題，提出了一種改進結(jié)構(gòu)，使這種量儀既能在線測量工件表面粗糙度，同時可以在線測量工件幾何形狀誤差等參數(shù)。
本發(fā)明的要點在于使用一只光澤光纖傳感器來測量工件表面粗糙度，同時還設置了另外一只用來測量位移的位移光纖傳感器和調(diào)準塊，它們?nèi)弑话惭b在可以調(diào)節(jié)其相互位置的一個支架上。這兩個傳感器的輸出信號都可以由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號輸出。這個裝置測量位移的原理在于用調(diào)準塊通過光澤光纖傳感器跟蹤被測量的表面，所以位移光纖傳感器所測到的位移的變化是其相對被測表面的位移。
為了保證光澤光纖傳感器及與其同體的調(diào)準塊與被測表面的距離恒定，同時保持位移光纖傳感器與工件軸線同步平動，可以使用一個具有內(nèi)彈簧和外彈簧來補償位移變化的隨動接觸機構(gòu)。保持位移光纖傳感器與工件的同步平動的理由在于這樣處理的位移光纖傳感器的輸出信號將不包含因工件平動引起的被測表面位移的變化，(此時位移光纖傳感器與調(diào)準塊間無相對位移，而僅僅與工件被測表面相對其幾何中心位移有關(guān)，即是工件被測點處直徑變化的函數(shù)。這樣位移傳感器輸出的信號將是工件幾何形狀誤差及幾何尺寸的變化。由此，上述結(jié)構(gòu)的光纖裝置不僅可以在外圓磨削中在線測量被加工工件的表面粗糙度，而且可以在線測量被加工工件的幾何形狀誤差，成為一臺多功能的在線測量的光纖量儀。這為全面的自適應控制加工系統(tǒng)的研制，提供了必不可少的技術(shù)準備。另外，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可靠性強特點。
附圖1 是量儀結(jié)構(gòu)圖附圖2 是量儀在線測量框圖附圖3 是隨動接觸機構(gòu)對不同尺寸工件響應的情形附圖4 是工件幾何形狀誤差測試圖附圖5 是工件表面粗糙度測試圖本發(fā)明的具體實施可以按圖1和圖2所示在附圖1的量儀結(jié)構(gòu)中，該量儀可以由一個端部是V型鐵座的導柱7與位移光纖傳感器2連接，這種連接可以通過外套3和緊固螺釘4來實現(xiàn)，而導柱7與套柱20可相對滑動，并通過外彈簧9來自動調(diào)節(jié)其相對位置。該量儀還可以通過小底座6將調(diào)準塊5與內(nèi)套柱8及光澤光纖傳感器1相連接，該內(nèi)套筒8的下端部有可調(diào)節(jié)的上螺帽11和下螺帽10，該內(nèi)套筒8本身與導柱7之間，可以相對滑動，其軸向位移通過內(nèi)彈簧16來自動調(diào)節(jié)。這里上、下螺帽11、10主要用來調(diào)節(jié)光澤光纖傳感器1與工件26之間的距離d，使這時光澤光纖傳感器輸出達到最大值φmax如圖1中的圖1-(a)所示。測量時，下螺帽10在內(nèi)彈簧16的作用下與工件26始終保持接觸。而在外彈簧9的作用下，導柱7的下端部V型鐵座的內(nèi)側(cè)面17與工件26始終保持接觸，從而實現(xiàn)與導柱7連接的位移光纖傳感器2保持與工件26作同步平動。通過緊固螺釘4和外套3可調(diào)節(jié)位移光纖傳感器2與調(diào)準塊5之間距離d1，另外還可以由緊固螺釘21來調(diào)節(jié)d1，d1的選擇應使位移傳感器2的輸出處于最佳線性靈敏點φ1(如圖1中的圖1-(b)所示)。在附圖1中圖1-(a)、圖1-(b)的縱座標φ表示傳感器輸出，d表示傳感器與被測表面的間距。另外可以設置壓力調(diào)節(jié)螺釘19來調(diào)整內(nèi)彈簧16的壓力，并在該壓力調(diào)節(jié)螺釘19配置限位螺母18，來保證量儀不工作時脫離與工件表面的接觸，工作時螺母18與套柱20上端保持一個間距。
該量儀的支架可以是具有附圖1所示的結(jié)構(gòu)，它具有一個可安裝在外圓磨工作臺上的底座23和托架組成，托架由滑柱15，托板25和燕尾導軌22組成，底座23與托架的連接是由開口夾緊套筒13對托架的滑柱15抱合來實現(xiàn)的，通過托板25上的燕尾導軌22與套柱20外部的燕尾槽配合，使前述各個部件成為一個整體，另外，可以在底座適當?shù)奈恢瞄_一個緊固孔24，供與工作臺緊固的螺栓使用;可以在開口夾緊套13上設置一緊定螺釘14，確保裝置緊固，還可以在托板25上設置2-4個鎖緊螺釘12。
該量儀可采用如附圖2所示的在線測量的框圖。光澤光纖傳感器1的輸出由導光纜30，光電轉(zhuǎn)換器31，左放大器32，左低通濾波器34輸出，這時是工件表面光澤度的變化信號，濾波器34的目的為消除信號中高頻成分，使輸出曲線平滑，一般其截止頻率可選為0.5～2赫芝。位移光纖傳感器2的信號經(jīng)導光纜30，光電轉(zhuǎn)換器31，右放大器33，右低通35輸出，這時是工件幾何尺寸的變化及其幾何形狀誤差的信號，右低通濾波器35的選擇為削除光纖導光時的噪音電平，截止頻率可在20～50赫芝中選擇。本發(fā)明如果附加有A/D轉(zhuǎn)換器36和微計算機37，量儀運行時便可直接輸出測量結(jié)果。附圖2中的38為砂輪，39為光源，40為穩(wěn)壓電源。
位移光纖傳感器2對不同尺寸(曲率半徑)的工件的輸出受到隨動機構(gòu)響應的影響(如附圖3所示)，當圖中工件半徑由R1變化到R2時，工件被測表面相應的位移△d＝d3-d2(其中d3為V型鐵座直角頂點到工件半徑為R2的被測表面的距離;d3相應為直角頂點到工件半徑為R1的被測表面的距離;
△d＝d3-d2＝2R1Cos45°-R1-(2R2Cos45°-R2)＝△R(2]]>-1)
△R為工件半徑尺寸變動量，若以工件直徑變化量△φ來表示的話。
△d＝△φ((2]]>-1)/2)＝0.2071△φ附圖4所示為理想的測量工件幾何形狀誤差的曲線，其中k值約為0.2071，附圖4-(a′)為九棱柱形的工件的測量情況，及其曲線形狀，(b′)為三棱柱形的工件的情形。圖中橫座標t為時間，縱座標φ為位移光纖傳感器2輸出。附圖5給出了工件粗糙度的實測情況，在15秒時切入10微米，在60秒時有明顯的余量切入，過程表現(xiàn)為粗磨-光磨-無火花磨三階段。由Taylor Surf式觸針粗度檢查儀測得工件表面粗度變化由2.10微米到0.786微米，與光澤光纖傳感器1輸出值對應的粗度值是相一致的。圖中橫座標t為時間(秒)，縱座標φ為光澤光纖傳感器輸出的電平值(伏)及其對應的粗糙度值RZ(微米)。
權(quán)利要求
1.一種光纖量儀，采用一只光澤光纖傳感器(1)來測量工件表面粗糙度，并通過光電轉(zhuǎn)換裝置將光通信號變換為電信號，其特征在于設置了另外一只位移光纖傳感器(2)和一個與被測工件表面保持恒定距離的調(diào)準塊(5)，它們?nèi)弑话惭b在可以調(diào)節(jié)其相互位置的一個支架上。
2.一種如權(quán)利1要求所述的光纖量儀，其特征在于具有一個內(nèi)彈簧(16)和外彈簧(9)來補償位移變化的隨動接觸機構(gòu)。
3.一種如權(quán)利要求
2所述的光纖量儀，其特征在于有一個端部呈V型鐵座的導柱(7)與位移光纖傳感器(2)連接，該導柱(7)與套柱(20)可相對滑動，并通過前述外彈簧(9)來自動調(diào)節(jié)其相互位置;調(diào)準塊(5)由小底座(6)與內(nèi)套筒(8)及光澤光纖傳感器(1)相聯(lián)接，該內(nèi)套筒(8)下端部有可調(diào)節(jié)的上螺帽(11)和下螺帽(10)，該內(nèi)套筒(8)本身與導柱(7)之間可滑動，其軸向位移由前述內(nèi)彈簧(16)來自動調(diào)節(jié)。
4.一種如權(quán)利要求
1、2、3所述的光纖量儀，其特征在于前述支架具有一個可安裝在外圓磨工作臺上的底座(23)和托架組成，該托架由滑柱(15)、托板(25)和燕尾導軌(22)組成，該底座(23)與托架的連接是通過底座上開口夾緊套筒(13)對托架的滑柱(15)抱合來實現(xiàn)，通過托板(25)上的燕尾導軌(22)與套柱(20)外部的燕尾槽配合，使前述各個部件成為一整體。
專利摘要
一種利用光纖傳感器組成的外圓磨加工用的在線測量裝置，可以用來在線測量加工表面粗糙度、工件幾何尺寸變化及幾何形狀誤差，它使用了一個隨動接觸機構(gòu)，使得該儀器結(jié)構(gòu)簡單，易操作，功能齊全，成本低，可靠性強。
文檔編號G01B11/30GK85104898SQ85104898
公開日1985年12月20日 申請日期1985年6月24日
發(fā)明者屈梁生, 吳松林 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan