【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超精密加工，具体而言，涉及一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法及系统。
技术介绍
1、复杂薄壁件如半球谐振子由于自身的物理特性使其在航天航空、导航、光学及微电子等尖端领域有广泛的应用，因此对其面型精度和表面质量有较高的要求。由于半球谐振子是由高浓度的熔石英材料制备而成，属典型难加工硬脆材料，因而在超精密磨削加工过程中小直径球头砂轮磨损区域的表面形貌不可避免会出现较为严重的改变。一旦表面形貌改变过大就会对半球谐振子的面型精度和表面质量带来不利影响，进而影响谐振子后续的使用性能。基于此，如何精准实现对砂轮磨损区域三维形貌状态的重构成为当下研究的热点内容。
2、目前，获得球头砂轮磨损区域三维形貌的方法有离线检测和在位检测两种方式。其中，离线检测主要是利用光学显微镜等检测设备对砂轮的磨损区域进行人工测量，进而实现砂轮磨损状态的客观评估。但该检测方法不仅效率低下，且对检测装置的要求比较高。相较于离线检测，在位检测则是利用传感器采集关联数据，并进行数学建模分析来获取被测区域的三维形貌重构。在位检测灵活多变，且效率极高，现有的在位检测方法多针对大磨粒砂轮，缺少针对小磨粒砂轮的检测方法，且现有方法常存数据降噪不充分、建模繁琐、计算量大、测量准确度受到限制等问题。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：
2、现有的球头砂轮形貌在位检测技术缺少针对小磨粒砂轮的检测方法，且往往存在建模繁琐、计算量大、准确度受到限制的问题。
3、本专利技术为解
4、本专利技术提供了一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，包括如下步骤：
5、s1、搭建激光位移传感器数据采样系统，确定采集起始位置；
6、s2、在球头砂轮转动状态下，对其径向与激光位移传感器的相对距离数据进行采集；
7、s3、对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理，基于不同配准角下球头砂轮与激光位移传感器的相对距离之差，建立球头砂轮圆周轮廓的变换规律模型，采用特殊点代入的方式对球头砂轮圆周轮廓形貌进行求解；
8、s4、控制加工机床使球头砂轮沿轴向移动位移s，重复执行步骤s2～s3，直至球头砂轮待重构区域采样完成；
9、s5、按采集顺序对不同圆周的球头砂轮形貌进行平滑连接，最终得到小直径球头砂轮三维形貌的重构结果。
10、进一步地，s1中所述搭建激光位移传感器数据采样系统，包括如下步骤：
11、s11、将激光位移传感器、数据采集卡及计算机串联形成数据采样系统；
12、s12、将球头砂轮倾斜40°安装，且将激光位移传感器倾斜40°安装于机床的微位移平台；
13、s13、调整激光位移传感器与球头砂轮相对位置，使激光位移传感器发射光束经砂轮表面轮廓反射后可被传感器再次接收。
14、进一步地，s2中对球头砂轮径向与激光位移传感器的相对距离数据进行采集过程中，设置激光位移传感器的滤波方式为低通滤波。
15、进一步地，s3中对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理，具体为采用希尔伯特-黄变换对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理。
16、进一步地，s3中所述球头砂轮圆周轮廓的变换规律模型，具体为：
17、
18、式中，rjx_out为球头砂轮径向跳动量，rjx为球头砂轮径向圆周轮廓半径，disε与disξ分别表示降噪后配准角θ＝ε及θ＝ξ时采样的球头砂轮与激光位移传感器的相对距离，hξ与hε则表示配准角θ＝ε及θ＝ξ时的砂轮径向圆周轮廓处金刚石磨粒的突出高度，且配准角ε和ξ是任意选取的，为简化式(1)的书写形式，将记为φθ。
19、进一步地，s3中所述对球头砂轮圆周轮廓形貌进行求解，包括如下过程：
20、s31、利用特殊点代入的方式对球头砂轮圆周轮廓变化规律模型进行求解；
21、令i1＝δ、i2＝δ+β及i3＝δ-β，β为配准角的角度增量，根据公式(1)可得：
22、
23、
24、
25、联立等式(2)与(3)可得：
26、
27、将式(4)中记为x1，记为y1，则：
28、由于激光位移传感器采样数据与真实值间存在误差量，则：
29、
30、根据激光位移传感器重复测量精度值，基于数据均值运算的方式消除采样误差err：
31、
32、其中，式中分别表示为激光位移传感器采样数据均值运算结果；
33、s32、通过余弦函数拟合求解球头砂轮径向跳动量rjx_out，在静止状态下测取球头砂轮径向圆周轮廓半径rjx，进一步求解磨粒突出高度hθ；
34、对等式(6)进行余弦函数拟合，将拟合结果的幅值除以-4·sin(β/2)2，即为砂轮圆周的径向跳动量rjx_out；
35、构建砂轮圆周的径向跳动rjx_out、砂轮圆周轮廓半径rjx及圆周轮廓的磨粒突出高度hθ的几何关系，即
36、
37、其中，表示为数据disθ的均值，l表示为激光位移传感器与球头砂轮轴线的距离，rjx为砂轮圆周轮廓半径；
38、根据公式(8)对磨粒突出高度hθ进行求解，最后，根据砂轮圆周轮廓半径rjx和磨粒突出高度hθ得到球头砂轮圆周轮廓形貌。
39、进一步地，s4中所述的轴向移动位移s的取值范围为：8～10μm。
40、进一步地，s5中所述按采集顺序对不同圆周的球头砂轮形貌进行平滑连接，具体为：调整球头砂轮不同圆周轮廓起始位置，使采样起点处于同一轴线上，然后采用直线连接对相邻圆周轮廓进行图像拼接，得到小直径球头砂轮三维形貌的重构结果。
41、一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构系统，该系统具有与上述技术方案任一项的步骤对应的程序模块，运行时执行上述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法中的步骤。
42、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现上述技术方案中任一项所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法的步骤。
43、相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：
44、本专利技术一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法及系统，以激光位移传感对球头砂轮圆周轮廓的采样数据为基础建立球头砂轮圆周轮廓的变换规律模型，实现对球头砂轮三维形貌的重构，模型简单、计算量小、测量准确度高，通过本专利技术方法能够较为直观的观测磨削加工前后小磨粒球头砂轮的磨削区域的变化情况，为超精密磨削过程中小磨粒球头砂轮的磨损研究提供理论指导。
45、本专利技术方法操作过程简单、方便，为实时掌握球头砂轮当下的磨损状态，提升超精密磨削加工的加工质量和表面精度做出了贡献。
46、该方法具有一定普适性，可将其推广应用于其它超精密磨削工具的三维形貌重构中。...
【技术保护点】
1.一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S1中所述搭建激光位移传感器数据采样系统，包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S2中对球头砂轮径向与激光位移传感器的相对距离数据进行采集过程中，设置激光位移传感器的滤波方式为低通滤波。
4.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S3中对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理，具体为采用希尔伯特-黄变换对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理。
5.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S3中所述球头砂轮圆周轮廓的变换规律模型，具体为：
6.根据权利要求5所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S3中所述对球头砂轮圆周轮廓形貌进行求解，包括如下过程：
7.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S4中所述的轴向移动
8.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，S5中所述按采集顺序对不同圆周的球头砂轮形貌进行平滑连接，具体为：调整球头砂轮不同圆周轮廓起始位置，使采样起点处于同一轴线上，然后采用直线连接对相邻圆周轮廓进行图像拼接，得到小直径球头砂轮三维形貌的重构结果。
9.一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构系统，其特征在于，该系统具有与上述权利要求1～8任一项权利要求的步骤对应的程序模块，运行时执行上述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现权利要求1～8中任一项所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，s1中所述搭建激光位移传感器数据采样系统，包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，s2中对球头砂轮径向与激光位移传感器的相对距离数据进行采集过程中，设置激光位移传感器的滤波方式为低通滤波。
4.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，s3中对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理，具体为采用希尔伯特-黄变换对采样数据中的低频干扰信号进行滤波降噪处理。
5.根据权利要求1所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，s3中所述球头砂轮圆周轮廓的变换规律模型，具体为：
6.根据权利要求5所述的小直径球头砂轮三维形貌在位重构方法，其特征在于，s3中所述对球头砂轮圆周轮廓形...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，孙建刚，刘赫男，程健，吴春亚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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