CN105538155B - 一种用于超声elid内圆磨削空化效应的在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，包括设置在机床工作台上的机床主轴系统、设置在机床主轴两侧的可移动式的ELID在线修整装置和用于观测在超声ELID磨削过程中的超声作用中空化作用的强弱，以及对砂轮修整影响程度的在线观测空化效应的在线观测系统。本发明通过在机床主轴右侧的ELID在线修整装置和主轴下方工作台左侧的在线观测系统，从而实现超声ELID内圆磨削中的空化效应的在线监测，同时可根据工作要求进行砂轮ELID在线修整与否，形成一种可视化的超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测试验装置，对于这种可用于各种材料加工的高效镜面加工技术机理的研究，推进了其在国防、航空航天等高技术领域中的应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及超声复合加工中超声空化检测及信号分析技术，尤其涉及一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置。
背景技术
工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料具有耐高温、耐化学腐蚀、抗高温蠕变、低热膨胀系数等特点，成为军工、航天、精密仪表、机床工业等应用领域关注的热点，但由于该材料的难加工特性，诸如脆性大在加工中很容易产生多类损伤，从而使之应用受到限制。为解决这些难题，近年来许多研究者对这类硬脆材料的高效超精密加工方法进行了研究，诸如硬脆材料的预应力加工法、ELID超精密加工法、磁性抛光技术、超声加工技术等。在这些加工方法中，ELID超精密加工方法和超声加工技术属于目前比较成熟的超精加工方法：ELID超精密加工方法使砂轮能够得到在线修整，磨削效率有显著提高，但总体来说，效率在应用中仍是较低；超声加工能有效地改善磨削表面质量、大幅度提高磨削效率，但砂轮不能实现在线修整。因此，将超声振动与ELID加工方法相复合，结合这两种加工方法之优点，形成一种针对硬脆材料的镜面高效加工技术显得尤为必要。
在这种新型的超声ELID复合加工技术中，普通ELID磨削的加工机理发生了显著的变化，其中最明显的就是超声作用的附加给这种新的加工技术带来了空化效应。空化效应产生的噪声与振动将对这种新的复合加工技术产生一系列的影响，例如它一方面能限制在液体中传播的声振强度，另一方面它对一系列物理-化学过程的速度也会产生显著地影响，因此研究超声ELID复合磨削中的空化效应对于揭示这种新的复合加工技术的科学本质具有重要的意义。
通常对于空化效应进行测量，是通过一系列的物理、化学方法，如物理上的次谐波法，化学的碘释放及电学法，且随着科学技术的发展，出现了使用高速摄影与三维全息技术，形象地揭示与研究超声空化过程的方法。电学方法是通过空化效应使水变成了电解液，电导率增大，通过检测电导率的变化，即可研究空化效应的情况；碘释放法是利用超声空化过程中，KI溶液中的KI氧化生成单质碘，加入少量CCl4，使碘大量析出，加入淀粉后又使碘呈现出兰色，再用硫代硫酸钠进行滴定，溶液恢复又逐渐变成无色，通过检测硫代硫酸钠的量就可以确定碘的析出量，进而得出空化强度；高速摄像法利用高速相机实时记录二维图像，这种方法不仅可以测量气泡大小如半径，还可以得到气泡的实际形状，但该方法的成本较高；声致发光成像是利用空化气泡在坍塌的瞬间，气泡内会产生极高的压强与温度，从而发射出一种弱光，当超声的频率、声强、液体的温度等条件发生变化时，声致发光强度就会发生显著的变化，通过观察液体中发光区域的变化和分布，分析液体中空化效应的变化情况。
这些方法在反应过程、测量精度、测量成本、实时检测等方面都存在一定的局限性。如电学方法、碘释放法等需要进行复杂的物理化学变换，实验过程繁杂，并且结果也不够精确，只能间接反映空化特性；高速摄像法虽然直观，但一般设备比较昂贵，要求的实验条件较高；声致发光成像法所得到的数据离散度较大，同时由于空化过程中的温升、雾化以及鲁米诺的损耗等原因，使光源不稳，曝光时间较长，很难从成像中做精细的分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，能够实现对超声ELID复合内圆磨削过程中的空化效应进行在线、直观、准确的监测。
本发明采用的技术方案为：
一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，包括设置在机床工作台15上的机床主轴系统、设置在机床主轴1两侧的可移动式的ELID在线修整装置20和用于观测在超声ELID磨削过程中空化作用的强弱，以及对砂轮修整影响程度的在线观测空化效应的在线观测系统9；
所述机床主轴1竖直设置，机床主轴1上设有超声振动系统5，超声振动系统5包括套设在机床主轴1下端外面的固定架2，机床主轴1的下端部同轴连接有刀柄16，刀柄16下端与固定架2 连接；
固定架2外套设有通过紧固螺钉连接的上感应盘3 和下感应盘4，上感应盘3设有通过紧固螺钉17连接的感应盘外圈固定套18，感应盘外圈固定套18通过电磁吸盘19连接的ELID在线修整装置52；
固定架2内设有换能器34，换能器34的下端有通过双头螺柱35连接的向下伸出固定架2的变幅杆32，变幅杆32下端用于安装砂轮13，下感应盘4内设置有连接换能器34和超声波发生器的正极导线33和负极导线29，所述的换能器34、变幅杆32、砂轮13、固定架2、刀柄16、工件14和机床主轴1之间竖向的同轴度保持一致。
所述刀柄16的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄16下端设有插设在固定架2内的限位柱26，刀柄16的中心由上而下设有一条通孔23，通孔23的上部用于与机床主轴1连接，通孔23由下端向上穿设有与通孔下部螺纹连接的连接螺栓27，连接螺栓27的头部通过垫片28与固定架2顶压配合，刀柄16的下部套设有环形套25，环形套25上径向设有两个用于顶压连接螺栓27的紧固螺钉24，固定架2下端通过连接螺钉30固定用于限定变幅杆32位置的法兰盘31。
所述ELID在线修整装置包括用销钉39连接的固定套筒44和支撑轴40，固定套筒44顶部设有磁力吸盘19，并设有磁力吸盘手柄43，支撑轴40上设有阴极支撑架41和阳极固定板37，阴极支撑架41通过调整螺杆42与支撑轴40配合，阴极支撑架41端部设置有阴极电解装置56，阴极电解装置56设有半环铜电极38，且与ELID电源22阴极连接；阳极固定板37通过两个设置有内螺纹的绝缘夹板45固定在支撑轴40上，阳极固定板37的端部设置有与ELID电源22阳极连接的阳极碳刷36。
所述的在线观测系统9包括固定设置在机床工作台15上的镜头安装架8、固定在镜头安装架8上的安装板48和设置在安装板的高倍长距离三维显微镜12、图像传感器47以及用于把通过电流表传感器测到的信号和高速摄影仪测到的信号进行比较、处理的图像处理系统10；所述的高倍长距离三维显微镜12取景端朝向砂轮方向，且高倍长距离三维显微镜12取景端安装有摄像头11，摄像头11通过高倍长距离三维显微镜12水平固定在安装板上，高倍长距离三维显微镜12的信号输出端通过图像传感器47连接图像处理系统10的输入端。
还包括有镜头保护罩7，所述的镜头保护罩7为圆筒形的罩体，包覆在在线观测系统9的周围，且设置在高倍长距离三维显微镜12前端的部分为透明玻璃层。
所述的镜头安装架8包括磁力吸盘50、磁力吸盘手柄55、立柱54、高度调整手柄53、水平支撑架52、箱体51和角度调整手柄49：所述的立柱54下端通过磁力吸盘50固定设在机床工作台15上，箱体51设在立柱54上，水平支撑架52通过箱体51固定在立柱54上，箱体51通过高度调整手柄53可沿立柱54上下移动，从而通过转轴转动可以调节到一定高度下的任意水平范围。
还设置有高光束点照明装置46，所述的高光束点照明装置46设有内置照明的微距变焦模块，用于按照物体的位置自由调整照射范围，进行变焦，充分利用光，实现达到要求的照明。
所述的镜头安装架8还包括有角度调整手柄49，所述的角度调整手柄49设置在水平支撑架52的一端，且与安装板固定连接，通过角度调整手柄49实现高倍长距离三维显微镜12在机床主轴1所在平面上进行270°角度的观察。
所述的图像处理系统10包括电流表传感器21、图像采集卡、图像处理软件、处理模块和微机，所述的电流表传感器21检测端连接在阳极板上，用于监测阳极板电流大小，电流表传感器21的输出端连接处理模块的输入端；所述的图像采集卡采集由图像传感器47 发送的在线监测装置测量到的图像数据后，发送到处理模块，处理模块的输出端连接微机的输入端。
本发明通过在加工中心机床工作台两侧分别设置可移动式的ELID在线修整装置、超声振动系统和空化效应在线观测系统，从而实现超声ELID内圆磨削中的空化效应的在线监测，同时可根据工作要求进行砂轮ELID在线修整与否，形成一种可视化的超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测试验装置，对于这种可用于各种材料加工的高效镜面加工技术机理的研究，推进其在国防、航空航天等高技术领域中的应用具有重要的意义，更为硬脆材料超光滑表面的高效加工在国防、航空航天等高技术领域的应用提供技术支撑，具有重要的理论价值和实用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述机床主轴、刀柄、超声振动系统的连接装置的装配图；
图3为本发明所述可移动式的ELID在线修整装置结构示意图；
图4为本发明所述在线观测系统结构示意图；
图5为本发明所述图像处理系统的原理框图。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明包括一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，包括设置在机床工作台15上的机床主轴系统、设置在机床主轴1两侧的可移动式的ELID在线修整装置20和用于观测在超声ELID磨削过程中的空化作用的强弱，以及对砂轮修整影响程度的在线观测空化效应的在线观测系统9；
所述机床主轴1竖直设置，机床主轴1上设有超声振动系统5，超声振动系统5包括套设在机床主轴1下端外面的固定架2，机床主轴1的下端部同轴连接有刀柄16，刀柄16下端与固定架2 连接；
固定架2外套设有通过紧固螺钉连接的上感应盘3和下感应盘4，上感应盘3和下感应盘4均水平设置且上感应盘3和下感应盘4的间距为1mm-2mm，上感应盘3设有通过紧固螺钉17连接的感应盘外圈固定套18，感应盘外圈固定套18通过电磁吸盘19连接的ELID在线修整装置20；
固定架2内设有换能器34，换能器34的下端有通过双头螺柱35连接的向下伸出固定架2的变幅杆32，变幅杆32下端用于安装砂轮13，下感应盘4内设置有连接换能器34和超声波发生器的正极导线33和负极导线29，所述的换能器34、变幅杆32、砂轮13、固定架2、刀柄16、工件14和机床主轴1之间竖向的同轴度保持一致。
所述刀柄16的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄16下端设有插设在固定架2内的限位柱26，刀柄16的中心由上而下设有一条通孔23，通孔23的上部用于与机床主轴1连接，通孔23由下端向上穿设有与通孔下部螺纹连接的连接螺栓27，连接螺栓27的头部通过垫片28与固定架2顶压配合，刀柄16的下部套设有环形套25，环形套25上径向设有两个用于顶压连接螺栓27的紧固螺钉24，固定架2下端通过连接螺钉30固定用于限定变幅杆32位置的法兰盘31。
所述ELID在线修整装置包括用销钉39连接的固定套筒44和支撑轴40，固定套筒44底部设有磁力吸盘19，并设有磁力吸盘手柄43，支撑轴40上设有阴极支撑架41和阳极固定板37，阴极支撑架41通过调整螺杆42与支撑轴40配合，阴极支撑架41端部设置有阴极电解装置56，阴极电解装置56设有半环铜电极38，且与ELID电源22阴极连接；阳极固定板37通过两个设置有内螺纹的绝缘夹板45固定在支撑轴40上，阳极固定板37的端部设置有与ELID电源22阳极连接的阳极碳刷36，在进行ELID砂轮在线修整时，阳极碳刷36与机床主轴1上的导电零件压接，半环铜电极38的轴心线与砂轮13的轴心线平行。
所述的在线观测系统9包括固定设置在机床工作台15上的镜头安装架8、固定在镜头安装架8上的安装板48和设置在安装板的高倍长距离三维显微镜12以及用于对把通过电流表测到的信号和高速摄影仪测到的信号进行比较，得到比较可靠的结果的图像处理系统10；所述的高倍长距离三维显微镜12取景端朝向砂轮方向，且高倍长距离三维显微镜12取景端安装有摄像头11，摄像头11通过高倍长距离三维显微镜12水平固定在安装板上。
还包括有镜头保护罩7，所述的镜头保护罩7为圆筒形的罩体，包覆在在线观测系统9的周围，且设置在高倍长距离三维显微镜12前端的罩体为透明玻璃层，能形成有效的保护结构，防止雾气、水汽或灰尘进入前玻璃与摄像装置之间，而不会影响摄像装置的前端摄像；并且由于隔绝了粉尘、雾气或水汽等进入摄像装置的镜头前端，从而可以有效地保护镜头不受损伤，也有助于提高摄像装置的摄像清晰度。
所述的镜头安装架8包括磁力吸盘50、磁力吸盘手柄55、立柱54、高度调整手柄53、水平支撑架52、箱体51和角度调整手柄49：所述的立柱54下端通过磁力吸盘50固定设在机床工作台15上，箱体51设在立柱54上，水平支撑架52通过箱体51固定在立柱54上，箱体51通过高度调整手柄53可沿立柱54上下移动，从而通过转轴转动可以调节到一定高度下的任意水平范围。
还设置有高光束点照明装置46，其中设有内置照明的微距变焦模块，可以按照物体的位置自由调整照射范围，进行变焦，充分利用光，实现达到要求的照明。
摄像头11设在水平支撑架52的顶端，通过角度调整手柄49可以实现角度的观察。
所述的阳极固定板37、绝缘夹板45采用塑料材质做成。
摄像头11是一种采用图像传感器的高质量摄像头，其结构相对简单、反应敏感、速度快，且可进行较大慧形象差的高速拍摄，实现对空化效应变化情况的准确捕捉，并进行三维显微拍摄；高倍长距离三维显微镜12可实现较大倍率上的超景深，观察到鲜明的立体图像，并且在保持较长的距离下，进行较大倍率的长距离高倍率观察；
图像处理系统10包括相关数据线、图像采集卡、图像处理软件、电流表传感器21、处理模块和微机。相关数据线用于把在线监测装置测量到的图像数据，通过图像传感器47传输到图像采集卡内，以及把由电流表传感器21传输过来的数据传递给数据处理模块进行处理；图像采集卡把将图像信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上，它是图像采集部分和图像处理部分的接口；
图像处理软件把每帧图像的位置显示在画面上，可定量描绘出超声空化作用下空化泡的产生以及运动情况；处理模块是采用定量分析的方法，通过传感器测量空化泡变位速度、加速度，移动的距离、角度等，同时显示动画摄影以及与有电流表传感器21传过来的波形图像数据进行比对，得到图像的数字化信息；微机把经过图像处理并数字化的结果与通过电流表传感器21得到的电流信号进行比较、矫正在微机上呈现出来；另外，也把从图像采集卡内的图像信息在微机上呈现出来。
所述的处理模块是采用定量分析的方法，通过传感器测量空化泡变位速度、加速度，移动的距离、角度等；同时显示动画摄影以及对有电流表传感器21传过来的波形图像数据，并进行比对，得到图像的数字化信息，其分析结果更为准确可靠。
所述的微机把进过图像处理并数字化的结果与通过电流表传感器21得到的电流信号进行比较、矫正在微机上呈现出来；另外，也把从图像采集卡内的图像信息在微机上呈现出来。
本发明工作时超声振动系统5通过刀柄16与机床主轴1一起转动，实现超声振动磨削，同时可随机床主轴1左右上下移动。
在进行砂轮在线修锐时，ELID专用电源22的阳极通过阳极碳刷36、变幅杆32与砂轮13连接，半环铜电极38与ELID专用电源22阴极连接，磨削液从喷嘴8喷出，通过具有电解作用的磨削液进入半环铜电极38与砂轮13表面之间的间隙后，在电流的作用下，砂轮13的金属基体作为阳极被电解，使砂轮13中的磨粒露出表面，形成一定的磨粒出刃高度和容屑空间，同时随着电解过程的进行，在砂轮13表面逐渐形成一层钝化膜，阻止电解过程的继续进行，使砂轮13不会过快损耗。当砂轮13表面的磨粒磨损后，钝化膜将会被工件材料刮擦去除，电解继续进行，可对砂轮13表面进一步修锐。砂轮的在线修整能够避免砂轮的过快消耗，又能够自动保持砂轮表面的磨削能力。
超声空化效应的在线观测系统9的箱体51安装在立式镜头安装架8上，可沿立柱54上下移动，当位置调到适当高度后，通过高度调整手柄53夹紧箱体51，实现高度与水平位置的准确定位。然后通过调整角度调整手柄49，来调整镜头在垂直面上的角度位置，从而实现观测位置的最终定位。之后，把由高速摄影机拍摄的画面与由电流表传感器21上得到的电流情况进行对比、分析，排除一些影响因素，最终得到较为准确的动画与数字信号。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构以及适用场合等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：包括设置在机床工作台（15）上的机床主轴系统、设置在机床主轴（1）两侧的可移动式的ELID在线修整装置(20)和用于观测在超声ELID磨削过程中空化作用的强弱，以及对砂轮修整影响程度的在线观测空化效应的在线观测系统(9)；
所述机床主轴(1)竖直设置，机床主轴(1)上设有超声振动系统(5)，超声振动系统(5)包括套设在机床主轴(1)下端外面的固定架(2)，机床主轴(1)的下端部同轴连接有刀柄(16)，刀柄(16)下端与固定架(2) 连接；
固定架(2)外套设有通过紧固螺钉连接的上感应盘(3) 和下感应盘（4），上感应盘(3)设有通过紧固螺钉(17)连接的感应盘外圈固定套(18)，感应盘外圈固定套(18)通过磁力吸盘(19)连接的ELID在线修整装置(52)；
固定架(2)内设有换能器(34)，换能器(34)的下端有通过双头螺柱(35)连接的向下伸出固定架(2)的变幅杆(32)，变幅杆(32)下端用于安装砂轮(13)，下感应盘(4)内设置有连接换能器(34)和超声波发生器的正极导线(33)和负极导线(29)，所述的换能器(34)、变幅杆(32)、砂轮(13)、固定架(2)、刀柄(16)、工件(14)和机床主轴(1)之间竖向的同轴度保持一致；
所述的在线观测系统(9)包括固定设置在机床工作台(15)上的镜头安装架(8)、固定在镜头安装架(8)上的安装板（48）和设置在安装板的高倍长距离三维显微镜(12)、图像传感器(47)以及用于把通过电流表传感器测到的信号和高速摄影仪测到的信号进行比较、处理的图像处理系统(10)；所述的高倍长距离三维显微镜(12)取景端朝向砂轮方向，且高倍长距离三维显微镜(12)取景端安装有摄像头(11)，摄像头(11)通过高倍长距离三维显微镜(12)水平固定在安装板上，高倍长距离三维显微镜(12)的信号输出端通过图像传感器(47)连接图像处理系统(10)的输入端；
所述的镜头安装架(8)包括磁力吸盘(50)、磁力吸盘手柄(55)、立柱(54)、高度调整手柄(53)、水平支撑架(52)、箱体(51)和角度调整手柄(49)：所述的立柱(54)下端通过磁力吸盘(50)固定设在机床工作台(15)上，箱体(51)设在立柱(54)上，水平支撑架(52)通过箱体(51)固定在立柱(54)上，箱体(51)通过高度调整手柄(53)可沿立柱(54)上下移动，从而通过转轴转动可以调节到一定高度下的任意水平范围。
2.根据权利要求1所述的用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：所述刀柄(16)的上部呈上小下大的圆锥形结构，刀柄(16)下端设有插设在固定架(2)内的限位柱(26)，刀柄(16)的中心由上而下设有一条通孔(23)，通孔(23)的上部用于与机床主轴(1)连接，通孔(23)由下端向上穿设有与通孔下部螺纹连接的连接螺栓(27)，连接螺栓(27)的头部通过垫片(28)与固定架(2)顶压配合，刀柄(16)的下部套设有环形套(25)，环形套(25)上径向设有两个用于顶压连接螺栓(27)的紧固螺钉(24)，固定架(2)下端通过连接螺钉(30)固定用于限定变幅杆(32)位置的法兰盘(31)；
所述的镜头安装架(8)还包括有角度调整手柄(49)，所述的角度调整手柄(49)设置在水平支撑架(52)的一端，且与安装板（48）固定连接，通过角度调整手柄(49)实现高倍长距离三维显微镜(12)在机床主轴（1）所在平面上进行270°角度的观察。
3.根据权利要求2所述的用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：所述ELID在线修整装置包括用销钉(39)连接的固定套筒(44)和支撑轴(40)，固定套筒(44)顶部设有磁力吸盘(19)，并设有磁力吸盘手柄(43)，支撑轴(40)上设有阴极支撑架(41)和阳极固定板(37)，阴极支撑架(41)通过调整螺杆(42)与支撑轴(40)配合，阴极支撑架(41)端部设置有阴极电解装置(56)，阴极电解装置(56)设有半环铜电极(38)，且与ELID电源(22)阴极连接；阳极固定板(37)通过两个设置有内螺纹的绝缘夹板(45)固定在支撑轴(40)上，阳极固定板(37)的端部设置有与ELID电源(22)阳极连接的阳极碳刷(36)。
4.根据权利要求3所述的用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：还包括有镜头保护罩(7)，所述的镜头保护罩(7)为圆筒形的罩体，包覆在在线观测系统(9)的周围，且设置在高倍长距离三维显微镜(12)前端的部分为透明玻璃层。
5.根据权利要求4所述的用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：还设置有高光束点照明装置(46)，所述的高光束点照明装置(46)设有内置照明的微距变焦模块，用于按照物体的位置自由调整照射范围，进行变焦，充分利用光，实现达到要求的照明。
6.根据权利要求5所述的用于超声ELID内圆磨削空化效应的在线监测装置，其特征在于：所述的图像处理系统(10)包括电流表传感器(21)、图像采集卡、图像处理软件、处理模块和微机，所述的电流表传感器(21)检测端连接在阳极板上，用于监测阳极板电流大小，电流表传感器(21)的输出端连接处理模块的输入端；所述的图像采集卡采集由图像传感器(47) 发送的在线监测装置测量到的图像数据后，发送到处理模块，处理模块的输出端连接微机的输入端。
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