激光位移傳感器：開啟砂輪直徑精密測(cè)量新篇章

在航空航天領(lǐng)域，高精度零件的加工需求極為嚴(yán)苛。例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其工作環(huán)境惡劣，承受著高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)的考驗(yàn)。葉片的加工精度直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性，哪怕是微小的尺寸偏差，都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低、壽命縮短甚至引發(fā)安全事故。而砂輪在這些高精度零件的磨削加工中起著關(guān)鍵作用，其直徑的精確測(cè)量與控制對(duì)于保證加工精度至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的砂輪直徑測(cè)量方法，如人工對(duì)刀和聲發(fā)射對(duì)刀，存在諸多局限性。人工對(duì)刀依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)和聽力來判斷砂輪與工件的接觸，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且精度有限，難以滿足現(xiàn)代航空航天制造對(duì)高精度的要求。聲發(fā)射對(duì)刀雖然是一種新興技術(shù)，但砂輪緩慢接觸工件的過程依然會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，在追求高效生產(chǎn)的今天，這無疑是一個(gè)顯著的短板。

激光位移傳感器的出現(xiàn)，為砂輪直徑的精密測(cè)量帶來了新的曙光。它具有非接觸、高精度、高速度等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在不接觸砂輪的情況下，快速準(zhǔn)確地獲取砂輪表面的位移信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪直徑的精確測(cè)量。這不僅大大提高了測(cè)量的精度和效率，還避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)砂輪和工件可能造成的損傷，為航空航天等高端制造業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

測(cè)量原理大揭秘：雙激光位移傳感器的巧妙應(yīng)用

在機(jī)測(cè)量砂輪直徑時(shí)，我們采用雙激光位移傳感器的巧妙布局。當(dāng)砂輪以轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)且以偏心量公轉(zhuǎn)時(shí)，雙激光位移傳感器的光線與砂輪公轉(zhuǎn)軸線垂直相交。此時(shí)，自轉(zhuǎn)且公轉(zhuǎn)的砂輪直徑可通過公式計(jì)算得出。

可參考圖 2 中砂輪直徑的測(cè)量原理示意圖，光線和光線分別從兩個(gè)傳感器射出，與砂輪表面形成特定的幾何關(guān)系，從而為準(zhǔn)確測(cè)量直徑奠定基礎(chǔ)。

雙激光位移傳感器的精準(zhǔn)標(biāo)定

精準(zhǔn)的測(cè)量離不開精確的標(biāo)定。我們使用厚度為的標(biāo)定塊來標(biāo)定激光位移傳感器和傳感器的間距。具體操作時(shí)，先求得激光位移傳感器、傳感器與標(biāo)定塊端面的間距分別為和，然后依據(jù)公式計(jì)算出雙激光位移傳感器的間距。

在標(biāo)定過程中，需確保標(biāo)定塊的安裝精度以及傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，記錄數(shù)據(jù)時(shí)也要精確到最小刻度，以保證后續(xù)測(cè)量的可靠性。

砂輪旋轉(zhuǎn)軸線的精確檢測(cè)與定位

借助計(jì)算機(jī)軟件，我們?cè)O(shè)定激光位移傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和采樣周期。啟動(dòng)主軸，轉(zhuǎn)速為，移動(dòng)至機(jī)床坐標(biāo)，此時(shí)砂輪遮擋激光線且偏心量為，沿方向做進(jìn)給勻速移動(dòng)，使砂輪橫越激光線。在這個(gè)過程中，對(duì)砂輪的檢測(cè)圖像每時(shí)刻的最高點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到橢圓曲線。設(shè)橢圓曲線起點(diǎn)橫坐標(biāo)為，橢圓頂點(diǎn)橫坐標(biāo)為或，通過公式

和求得主軸啟動(dòng)時(shí)刻與激光檢測(cè)到砂輪旋轉(zhuǎn)軸線時(shí)刻的時(shí)間間隔，進(jìn)而定位砂輪旋轉(zhuǎn)軸線坐標(biāo)。例如，在某次實(shí)驗(yàn)中，，，，，，，則可計(jì)算出，，。整個(gè)檢測(cè)與定位過程需嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

砂輪直徑的細(xì)致測(cè)量與輸出

測(cè)量砂輪直徑時(shí)，首先啟動(dòng)主軸，設(shè)定轉(zhuǎn)速為，并移動(dòng)至機(jī)床坐標(biāo)，設(shè)置砂輪公轉(zhuǎn)偏心量，使其自轉(zhuǎn)且公轉(zhuǎn)。對(duì)檢測(cè)圖像每時(shí)刻的最高點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到正弦曲線。通過對(duì)曲線的分析，求得激光位移傳感器、傳感器的檢測(cè)圖像波峰，分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離為和。重復(fù)測(cè)量次，根據(jù)公式計(jì)算出砂輪的直徑。由于激光位移傳感器在固定安裝時(shí)難以保證激光光線完全重合，兩條光線存在間距，可通過公式

求得。因此，砂輪直徑的測(cè)量誤差，實(shí)際輸出直徑。例如，當(dāng)，，，時(shí)，先計(jì)算。若，，，，則，進(jìn)而可計(jì)算出測(cè)量誤差和實(shí)際輸出直徑。在測(cè)量過程中，要注意對(duì)檢測(cè)圖像的精確分析和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄，以提高測(cè)量的精度。

試驗(yàn)驗(yàn)證：真金不怕火煉

試驗(yàn)條件全解析

為了驗(yàn)證基于激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量砂輪直徑方法的可行性和準(zhǔn)確性，我們開展了一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)。試驗(yàn)所需的設(shè)備和材料包括：直徑 φ6 mm 粒度 150# 電鍍金剛石砂輪，兩組泓川科技LTP激光位移傳感器（LTP030），信號(hào)控制器及其電源，計(jì)算機(jī)，標(biāo)定塊，對(duì)刀塊。這些設(shè)備和材料的選擇都是經(jīng)過精心考量的，旨在確保能夠準(zhǔn)確地獲取砂輪直徑的測(cè)量數(shù)據(jù)。

在試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)設(shè)定起著關(guān)鍵作用。我們將激光位移傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量設(shè)定為，采樣周期設(shè)定為。這樣的設(shè)定能夠保證傳感器在測(cè)量過程中采集到足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而更精確地反映砂輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和直徑變化。同時(shí)，將檢測(cè)裝置通過螺釘牢固地固定在機(jī)床工作臺(tái)上，并仔細(xì)調(diào)整光線平行于機(jī)床軸，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

試驗(yàn)結(jié)果大賞與深度數(shù)據(jù)分析

我們采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，將激光位移傳感器測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)對(duì)刀測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比。在不同轉(zhuǎn)速下，分別使用兩種方法對(duì)砂輪直徑進(jìn)行測(cè)量，每組試驗(yàn)測(cè)量次。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地看出激光位移傳感器測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)。對(duì)刀測(cè)量方法的方差相對(duì)較大，而激光位移傳感器測(cè)量結(jié)果的方差更小，這表明基于激光位移傳感器的測(cè)量方法具有更高的穩(wěn)定性和精度，其重復(fù)測(cè)量精度可穩(wěn)定在以內(nèi)。

轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪直徑的奇妙影響

進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)速對(duì)砂輪直徑的影響，我們?cè)O(shè)定公轉(zhuǎn)的偏心量，測(cè)量轉(zhuǎn)速分別為，，的砂輪直徑。每組實(shí)驗(yàn)分別取個(gè)截面，每個(gè)截面重復(fù)測(cè)量次。試驗(yàn)檢測(cè)圖像顯示，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，砂輪直徑呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)。具體數(shù)據(jù)如下：

通過繪制圖表（如圖 15、圖 16 所示），可以更直觀地觀察到這種變化趨勢(shì)。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速從增大到時(shí)，砂輪直徑減小了。這是由于砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到離心力的作用，砂輪材料會(huì)產(chǎn)生一定的徑向位移，從而導(dǎo)致直徑變小。這種現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)中需要引起重視，因?yàn)樯拜喼睆降淖兓赡軙?huì)影響加工精度。

砂輪直徑測(cè)量精度與偏心量的微妙關(guān)聯(lián)

在研究砂輪直徑測(cè)量精度與偏心量的關(guān)系時(shí)，我們?cè)O(shè)定砂輪轉(zhuǎn)速，測(cè)量偏心量分別為，，的砂輪直徑。每組試驗(yàn)同樣取個(gè)截面，每個(gè)截面重復(fù)測(cè)量次。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的偏心量下，砂輪直徑的重復(fù)測(cè)量精度并沒有明顯的變化規(guī)律。具體數(shù)據(jù)如下：

這說明在本次試驗(yàn)條件下，重復(fù)測(cè)量精度與公轉(zhuǎn)偏心量的相關(guān)性較弱。然而，這并不意味著偏心量對(duì)測(cè)量精度沒有影響，在其他試驗(yàn)條件或更復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，偏心量可能會(huì)與其他因素相互作用，從而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)際使用中，仍需要對(duì)偏心量進(jìn)行合理的控制和監(jiān)測(cè)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量砂輪直徑的卓越優(yōu)勢(shì)與廣闊前景

激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量砂輪直徑具有顯著優(yōu)勢(shì)。其高精度特性可確保測(cè)量誤差在極小范圍內(nèi)，如重復(fù)測(cè)量精度穩(wěn)定在 1μm 以內(nèi)，這對(duì)于航空航天等對(duì)精度要求極高的領(lǐng)域意義非凡，能有效提升產(chǎn)品質(zhì)量與性能。非接觸式測(cè)量方式避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法中砂輪與傳感器的物理接觸，防止了對(duì)砂輪和工件的損傷，延長了設(shè)備使用壽命，同時(shí)減少了測(cè)量過程中的摩擦與磨損干擾，提高了測(cè)量的可靠性與穩(wěn)定性。高效便捷的特點(diǎn)使得測(cè)量過程自動(dòng)化程度高，能快速獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，適用于大規(guī)模生產(chǎn)制造場(chǎng)景。

在工業(yè) 4.0 及智能制造蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)下，激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量砂輪直徑有著廣闊的應(yīng)用前景。在自動(dòng)化加工方面，它可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂輪直徑，為加工系統(tǒng)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整與優(yōu)化，提高加工精度與一致性，減少廢品率。例如，在汽車零部件制造中，能確保磨削加工的高精度，提升汽車整體性能與安全性。在智能檢測(cè)領(lǐng)域，激光位移傳感器可與其他智能設(shè)備集成，構(gòu)建智能化檢測(cè)系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷，技術(shù)人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，保障生產(chǎn)順利進(jìn)行。如在電子產(chǎn)品制造中，對(duì)微小零部件的磨削加工檢測(cè)，可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率?？傊?，激光位移傳感器將在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，推動(dòng)制造業(yè)向更高水平發(fā)展。

此文章參考摘抄自《基于激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量砂輪直徑》

張橋杰1， 朱祥龍1， 董志剛1， 康仁科1， 盧 成1， 張小民2

( 1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116085; 2. 中國工程物理研究院， 四川 綿陽 621900)