專利名稱:球閥磨削中自動對心和在線實時檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于球閥磨削加工領(lǐng)域,具體涉及球閥磨削中自動對心和在線 實時檢測方法及裝置。
背景技術(shù):
球閥是近年來被廣泛采用的一種新型閥門。它通過旋轉(zhuǎn)閥桿來使閥門 暢通或閉塞,主要用于截斷或接通介質(zhì),也可用于流體的調(diào)節(jié)與控制。球 閥開關(guān)輕便,體積小,密封可靠,結(jié)構(gòu)簡單,維修方便,密封面與球面常 在閉合狀態(tài),不易被介質(zhì)沖蝕,因此在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。石油、化 工、天然氣類行業(yè),對大規(guī)格精密球閥有著較大的需求,生產(chǎn)上需要采用 更先進(jìn)的工藝設(shè)備和方法,提高球閥精密程度。
目前,國內(nèi)木野精機(jī)公司開發(fā)的QM580、 QM880兩種系列的數(shù)控球 面磨床,采用旋磨盤與球閥同時旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動來完成球面磨削,加工精 度在0.05毫米以內(nèi)。但這種加工方式的缺陷在于第一,在磨削加工之 前,旋磨盤與球閥的對心操作采用人工完成,這樣不僅操作過程繁瑣,而 且會引入人為誤差,影響球閥表面精度;第二,在磨削過程中,對球閥尺 寸的檢測都是在機(jī)床停機(jī)狀態(tài)下人工完成。機(jī)床頻繁啟停,不僅影響生產(chǎn) 設(shè)備的使用壽命,而且嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率,尤其是對于大尺寸的球閥, 檢測器具精度很低、檢測效率非常低,嚴(yán)重阻礙了球閥的生產(chǎn)效率。這種 完全靠人工操作的生產(chǎn)方式,由于無法動態(tài)提取球閥的尺寸信息,難以對 磨削加工過程進(jìn)行實時控制。而且,操作工人僅憑經(jīng)驗采用磨削時間、加 工進(jìn)給量、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)控制磨削過程,致使球閥加工質(zhì)量得不到 保證,造成球閥報廢、材料浪費(fèi)等不良后果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供一種球閥磨削中自動對心方法,該方法操 作簡單,對心精度高。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種球閥磨削中在線實時檢測方法,實時 獲取球閥的當(dāng)前尺寸,以實現(xiàn)對球閥磨削加工過程的全閉環(huán)控制。
本發(fā)明的第三目的在于提供實現(xiàn)上述在線實時檢測方法的裝置。
球閥磨削中自動對心方法,具體步驟如下
A 三個電渦流位移傳感器的初始位姿確定步驟利用標(biāo)準(zhǔn)球閥調(diào) 整三個電渦流位移傳感器的初始位置及其零點,即使得標(biāo)準(zhǔn)球閥的中心 線、旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線以及第二傳感器的測量軸線重合,第一和第三傳感器 關(guān)于第二傳感器的測量軸線對稱分布,三個傳感器的測量軸線與標(biāo)準(zhǔn)球閥 回轉(zhuǎn)軸線、旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線位于同一平面,并且指向標(biāo)準(zhǔn)球閥回轉(zhuǎn)軸線與 旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的交點;各傳感器探頭與標(biāo)準(zhǔn)球閥表面的間距對應(yīng)于各傳 感器輸出特性曲線的中點值;
B 待磨削球閥與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的對心步驟保證各電渦流位移 傳感器與旋磨盤的初始位置不變,用待磨削球閥替換標(biāo)準(zhǔn)球閥,調(diào)整待磨 削球閥的縱向位置直到第一和第三傳感器的采樣平均值相等。
球閥磨削過程在線實時檢測方法,該方法包括以下步驟
(1 )按照上述對心方法實現(xiàn)待磨削球閥與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的自動對
心;
(2)對待磨削球閥進(jìn)行磨削,在第二傳感器周期T的非零輸出信號 時段內(nèi),計算三個傳感器的采樣平均值巧;在第二傳感器周期T的零輸出 信號時段內(nèi),計算第一、三傳感器的采樣平均值g;計算球閥的實際尺寸 z)-a-a', a為待磨削球閥的初始尺寸,球閥尺寸的綜合變化值A(chǔ)' = ;i^+^r2, ^為采樣平均值巧的加權(quán)因子,;^為采樣平均值《的加權(quán)因 子,a+;^"o
實現(xiàn)上述監(jiān)測方法的檢測裝置,包括三個電渦流位移傳感器、三個定 位機(jī)構(gòu)、 一維數(shù)控滑臺和一維數(shù)控滑臺伺服電機(jī)。各電渦流位移傳感器通 過定位機(jī)構(gòu)固定于一維數(shù)控滑臺上,一維數(shù)控滑臺與一維數(shù)控滑臺伺服電 機(jī)相接。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在
本發(fā)明自動對心時,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)第一、第三兩個傳感器從對稱方向 檢測到的球閥表面位置信號,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實時計算其采樣平均值值。 根據(jù)采樣平均值令工作臺帶動球閥向左或向右做縱向?qū)π倪\(yùn)動,此時附加 在工作臺上的數(shù)控滑臺反方向運(yùn)動,且其位移量、速率等于工作臺的位移 量及速率,以保證傳感器和旋磨盤的相對位置不變。當(dāng)左、右兩個傳感器 的采樣平均值一致時,球閥中心線同旋磨盤的回轉(zhuǎn)軸線重合,從而完成對
心運(yùn)動o
在磨削過程中,三個傳感器在線實時檢測。 一般球閥上都有通孔,第 二傳感器無法檢測通孔部分的信息,致使第二傳感器的輸出信號呈方波樣 周期性變化,而第一、三兩個傳感器輸出連續(xù)信號。球閥回轉(zhuǎn)時三個傳感
器始終進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;在數(shù)據(jù)分析中,利用第二傳感器為方波且方波周期
與球閥回轉(zhuǎn)周期相同的條件,可以根據(jù)三個傳感器獲得的信息計算球閥回 轉(zhuǎn)一周中球閥的平均半徑。球閥回轉(zhuǎn)一周中平均半徑計算分兩種情況進(jìn) 行,在第二傳感器非零輸出信號(即非通孔部分)所表示的時間段內(nèi),按
照第一、二、三傳感器的信息計算球閥的半徑;在第二傳感器的輸出信號 為零所表示的時間段內(nèi),根據(jù)第一、三傳感器的信息計算球閥的半徑。對 這兩種情況計算得到半徑進(jìn)行加權(quán)平均,得到球閥平均半徑。根據(jù)實時檢測得到的球閥平均半徑,由數(shù)控系統(tǒng)控制旋磨盤的進(jìn)給運(yùn)動,從而實現(xiàn)對 球閥磨削尺寸的在線實時檢測與磨削控制。
本發(fā)明實現(xiàn)了球閥與旋磨盤的自動準(zhǔn)確對心,并能在磨削過程中在線 實時檢測球閥的半徑,實現(xiàn)球閥磨削過程的全閉環(huán)控制,有效地克服了現(xiàn) 有球閥磨削過程中人工操作繁瑣、加工質(zhì)量不高、且生產(chǎn)效率低下的問題。
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)前視圖; 圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖; 圖3為圖l的局部放大圖4為球閥中心偏左時,各傳感器輸出信號的示意圖,圖4a為傳感器 12輸出信號的示意圖,圖4b為傳感器ll輸出信號示意圖,圖4c為傳感器10 輸出信號示意圖5為球閥向右運(yùn)動時,各傳感器輸出信號的示意圖,圖5a為傳感器 12輸出信號的示意圖,圖5b為傳感器ll輸出信號示意圖,圖5c為傳感器10 輸出信號示意圖6為球閥向右做對心運(yùn)動時,各傳感器輸出信號的示意圖,圖6a 為傳感器10輸出信號的示意圖,圖6b為傳感器11、 12輸出信號示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明應(yīng)用于球閥磨床。在球閥磨床上,球閥通過聯(lián)接在頭架1和尾 架2上的前、后中心頂尖定位、支撐與夾緊。頭架主軸伺服電機(jī)14控制 頭架主軸的旋轉(zhuǎn)速度,用來完成球閥2繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋磨盤主 軸伺服電機(jī)5控制旋磨盤3,用來實現(xiàn)旋磨盤繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,即 磨削運(yùn)動。通過橫向伺服電機(jī)控制高速旋轉(zhuǎn)的旋磨盤3沿自身的回轉(zhuǎn)軸線 方向作進(jìn)給運(yùn)動。上述結(jié)構(gòu)即可滿足球閥球面磨削的范成運(yùn)動要求。本發(fā)明在上述球閥磨床的基礎(chǔ)上,設(shè)計一套基于三個電渦流位移傳感
器的自動檢測裝置。如圖l,圖2所示,三個電渦流位移傳感器通過定位機(jī) 構(gòu)安裝在一維數(shù)控滑臺13上, 一維數(shù)控滑臺13安裝在機(jī)床工作臺上,既可 隨工作臺移動,也可以進(jìn)行獨立的單坐標(biāo)運(yùn)動,獨立的單坐標(biāo)運(yùn)動是靠一 維數(shù)控滑臺伺服電機(jī)9的驅(qū)動實現(xiàn)。如圖3所示,定位機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)套15、鎖 緊螺母16、導(dǎo)柱17、螺栓螺母18,套筒19,齒輪20,齒條21。導(dǎo)柱17上端 連接傳感器,下端通過鎖緊螺母16固定于導(dǎo)套15上,導(dǎo)柱17與導(dǎo)套15的固 定點可手動調(diào)整。導(dǎo)套15與齒輪20連接在同一轉(zhuǎn)軸上,齒輪20通過齒條21 與液壓缸22相接,在液壓缸22的驅(qū)動下,齒輪20帶動導(dǎo)套15在垂直面方向 轉(zhuǎn)動,從而調(diào)整傳感器在垂直面上的角度。
導(dǎo)套15的頂部加工成錐面,并切出四道開口。當(dāng)旋入鎖緊螺母18 時,在軸向力的作用下,導(dǎo)套15的錐面向內(nèi)收縮,從而將導(dǎo)柱17夾緊。 導(dǎo)柱17上端加工通孔,與套筒19相配合,傳感器通過螺紋聯(lián)接安裝在套 筒上,并通過鎖緊螺母固定。
下面詳細(xì)描述上述裝置的工作原理。 (一)球閥磨削前旋磨盤與球閥的自動對心。 (1)電渦流位移傳感器的初始位姿確定步驟
根據(jù)待磨削球閥尺寸,首先利用本磨床磨削出對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)球閥;顯然, 磨削完畢時此標(biāo)準(zhǔn)球閥的中心線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線重合。一維數(shù)控滑臺伺 服電機(jī)9驅(qū)動一維數(shù)控滑臺13縱向運(yùn)動,直至第二傳感器11的測量軸線 與旋磨盤3的回轉(zhuǎn)軸線重合。在液壓缸22的驅(qū)動下,齒輪20帶動導(dǎo)套 15在垂直面方向轉(zhuǎn)動,使得各傳感器測量軸線與磨床前、后中心頂尖連 線(即球閥回轉(zhuǎn)軸線)及旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線位于同一平面上。調(diào)整導(dǎo)柱導(dǎo)套 機(jī)構(gòu)使得各傳感器測量軸線始終指向球閥回轉(zhuǎn)軸線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的 交點。從圖1所示的俯視圖上看,三個傳感器環(huán)繞標(biāo)準(zhǔn)球閥的最大圓周分 布,第二傳感器ll的測量軸線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線重合,左右兩個傳感器12, 10關(guān)于旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線對稱布置,左、中及中、右傳感器測量軸線 均成45度夾角。調(diào)整套筒19的伸縮量,從而調(diào)整傳感器探頭與球閥表面 的間隙,使其初始位置對應(yīng)于電渦流位移傳感器輸出特性曲線的中點值。 設(shè)定傳感器在此安裝位置為初始零位置,并令傳感器在初始零位置處沿測 量軸線方向接近標(biāo)準(zhǔn)球閥時輸出信號為負(fù),反之為正。 (2)待加工球閥與旋磨盤的對心步驟 將旋磨盤3和一維數(shù)控滑臺13退回工作原點,取下標(biāo)準(zhǔn)球閥,安裝 待加工球闊。通過伺服電機(jī)驅(qū)動,磨床工作臺與檢測裝置運(yùn)動到步驟(1) 設(shè)置好的初始位置。為了使球閥2的中心線與旋磨盤3的回轉(zhuǎn)軸線重合, 驅(qū)動工作臺帶動球閥2縱向運(yùn)動。在縱向運(yùn)動過程中,傳感器也會隨著工 作臺運(yùn)動,為保證傳感器與旋磨盤3的相對位置關(guān)系保持不變, 一維數(shù)控 滑臺伺服電機(jī)9驅(qū)動一維數(shù)控滑臺13相對于工作臺做反向運(yùn)動,且運(yùn)動 的距離、速率均等于工作臺的距離、速率;即雖然工作臺帶動待磨削球閥 及其上的數(shù)控滑臺一起運(yùn)動,但一維數(shù)控滑臺利用自身的反向運(yùn)動,在工 作臺做對心運(yùn)動期間,都可保證傳感器與旋磨盤的相對位置關(guān)系保持不 變。
啟動頭架主軸電機(jī)14,球閥2繞其回轉(zhuǎn)軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,三個傳感 器開始采集位移信號。第一傳感器IO、第三傳感器12輸出連續(xù)信號,而 第二傳感器11則由于球閥2上有通孔,其采集的信號呈方波周期性變化。 球閥2每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),其波形跳躍兩次。根據(jù)第二傳感器ll的波形變化與球 閥2之間的關(guān)系,即可確定球閥2的旋轉(zhuǎn)周期。在球閥2同一運(yùn)動周期內(nèi), 對第一傳感器IO、第三傳感器12輸出信號進(jìn)行采樣,然后分別求其平均 值,該平均值即為傳感器探頭與球閥表面平均間隙,其處理方法如下
數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)第二傳感器信號,計算球閥回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的周期以及該周期 的起始時刻和終止時刻。在這一周期內(nèi),分別計算第一、三傳感器采樣平均值。設(shè)傳感器輸出信號為雄),在球閥回轉(zhuǎn)的一個周期r內(nèi)進(jìn)行采樣,
其平均值可表示為
其中,W為采樣點數(shù),x,為瞬時幅值,Af為AD轉(zhuǎn)換器的采樣周期。
如果第一、三傳感器的采樣平均值在一定精度范圍內(nèi)相等,則球閥中 心線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線重合。否則,說明球閥中心線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線不 重合,需要進(jìn)行調(diào)整,具體為.-
如果第一傳感器的采樣平均值^小于第三傳感器的采樣平均值^ ,即 第一傳感器距離球閥表面的距離小于第三傳感器,則令球閥向右運(yùn)動,以 增加左邊的間隙,減少右邊的間隙;如果第三傳感器的采樣平均值^小于 第一傳感器的采樣平均值^ ,即第三傳感器距離球閥表面的距離小于第一 傳感器,則令球閥向左運(yùn)動,以增加右邊的間隙,減少左邊的間隙。
根據(jù)第一、三傳感器在球閥回轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)的采樣平均值的差值,決 定球閥下一步將向何方向縱向運(yùn)動以及運(yùn)動的距離,并將控制指令送到伺 服電機(jī),伺服電機(jī)驅(qū)動工作臺和一維數(shù)控滑臺做相應(yīng)的運(yùn)動。如此反復(fù), 直到第一、三傳感器在一個球閥回轉(zhuǎn)周期內(nèi)的采樣平均值相同,此時球閥 與旋磨盤完成對心。
例如,各傳感器輸出信號如圖4所示,則表明球閥中心偏左。在球閥 的一個運(yùn)動周期內(nèi),數(shù)控系統(tǒng)對第一傳感器10、第三傳感器12分別進(jìn)行 數(shù)據(jù)采樣,采樣點數(shù)可取1024點。計算各采樣平均值^, 并求出其 差值A(chǔ)-巧-^。由A〈0,數(shù)控系統(tǒng)判斷工作臺下一步向右運(yùn)動。在工作臺 向右運(yùn)動的過程中,傳感器繼續(xù)實時檢測。若以工作臺縱向位移為橫坐標(biāo), 傳感器輸出信號為縱坐標(biāo),則在此過程中各傳感器信號——位移圖如圖5 所示。當(dāng)工作臺縱向運(yùn)動位移為s。時,~=3^-3 2=0,則表明球閥與旋磨 盤對心完畢,各傳感器最終輸出信號如圖6所示。(二)球閥磨削中對球閥尺寸在線實時檢測 在調(diào)整好傳感器與標(biāo)準(zhǔn)球閥的位置關(guān)系之后,各傳感器初始輸出信號 為零,標(biāo)準(zhǔn)球閥尺寸即為傳感器所檢測球閥的初始尺寸值。當(dāng)待加工球閥 與旋磨盤實現(xiàn)精確對心后,由于球閥實際尺寸均略大于標(biāo)準(zhǔn)球尺寸,傳感 器輸出信號為負(fù)。顯然,如果此時三個傳感器輸出信號均為正,則待加工 球閥的半徑小于最小球閥半徑,表明該球閥為廢品,數(shù)控系統(tǒng)給出報警出 錯信息,提醒操作者無需繼續(xù)加工。在球閥磨削過程中,球閥尺寸緩慢減 小,球閥表面與傳感器探頭的間隙逐漸增大,則傳感器的輸出信號值逐漸 增大。在球閥的一個運(yùn)動周期內(nèi),由于第二傳感器輸出信號呈周期性跳躍, 數(shù)據(jù)采集分兩種情況進(jìn)行首先,在第二傳感器的非零輸出信號所表示的 時間段內(nèi),對三個傳感器的輸出信號同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。其次,在第二傳 感器的零輸出信號所表示的時間段,對第一、三傳感器的輸出信號同時進(jìn) 行數(shù)據(jù)采樣。然后由數(shù)控系統(tǒng)對這兩種情況分別計算平均值巧和《,得到 球陶尺寸的變化值。通過實驗論證,確定這兩種情況的所占的加權(quán)因子斗
和&,其中;i^(o,i),;i^(o,i),且a+a-i。從而計算出球閥尺寸的綜合變化 值A(chǔ)'-^^+;i^。由初始尺寸a及尺寸的綜合變化值A(chǔ)',最終求取球閥的 實際尺寸D-"。-A',因此實現(xiàn)了對球閥尺寸的實時檢測。
以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已,但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改,都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、球閥磨削中自動對心方法,具體步驟如下A 三個電渦流位移傳感器的初始位姿確定步驟利用標(biāo)準(zhǔn)球閥調(diào)整三個電渦流位移傳感器的初始位置及其零點,即使得標(biāo)準(zhǔn)球閥的中心線、旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線以及第二傳感器的測量軸線重合,第一和第三傳感器關(guān)于第二傳感器的測量軸線對稱分布,三個傳感器的測量軸線與標(biāo)準(zhǔn)球閥回轉(zhuǎn)軸線、旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線位于同一平面,并且指向標(biāo)準(zhǔn)球閥回轉(zhuǎn)軸線與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的交點;各傳感器探頭與標(biāo)準(zhǔn)球閥表面的間距對應(yīng)于各傳感器輸出特性曲線的中點值;B 待磨削球閥與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的對心步驟保證各電渦流位移傳感器與旋磨盤的初始位姿不變,用待磨削球閥替換標(biāo)準(zhǔn)球閥,調(diào)整待磨削球閥的縱向位置直到第一和第三傳感器的采樣平均值相等。
2、 球閥磨削過程在線實時檢測方法,該方法包括以下步驟(1) 按照權(quán)利要求1所述方法實現(xiàn)待磨削球閥與旋磨盤回轉(zhuǎn)軸線的 自動對心;(2) 對待磨削球閥進(jìn)行磨削,在第二傳感器周期T的非零輸出信號 時段內(nèi),計算三個傳感器的采樣平均值巧;在第二傳感器周期T的零輸出 信號時段內(nèi),計算第一、三傳感器的采樣平均值《;計算球閥的實際尺寸 i)-Z)。-A', D。為待磨削球閥的初始尺寸,球閥尺寸的綜合變化值 A' = ^^ + ^ 2, ^為采樣平均值巧的加權(quán)因子,^為采樣平均值g的加權(quán)因 子,V4"o
3、實現(xiàn)權(quán)利要求2所述方法的檢測裝置,其特征在于,包括三個電 渦流位移傳感器、三個定位機(jī)構(gòu)、一維數(shù)控滑臺和一維數(shù)控滑臺伺服電機(jī)。各電渦流位移傳感器通過定位機(jī)構(gòu)固定于一維數(shù)控滑臺上,一維數(shù)控滑臺 與一維數(shù)控滑臺伺服電機(jī)相接。
4、根據(jù)權(quán)利3所述的檢測裝置,其特征在于,所述定位機(jī)構(gòu)包括導(dǎo) 套(15)、導(dǎo)柱(17)、齒輪(20)、齒條(21)和液壓缸(22),導(dǎo)柱(17) 上端連接電渦流位移傳感器,下端固定于導(dǎo)套(15)上,導(dǎo)套(15)與齒 輪(20)均連接于同一轉(zhuǎn)軸,齒輪(20)通過齒條(21)與液壓缸(22) 相接。
全文摘要
本發(fā)明提出一種球閥磨削中自動對心方法,利用高精度標(biāo)準(zhǔn)球閥調(diào)整三個電渦流位移傳感器位姿,保持各傳感器與旋磨盤的相對位置不變,用待磨削球閥替換標(biāo)準(zhǔn)球閥,調(diào)整待磨削球閥的縱向位置直到第一、三傳感器的采樣平均值相等,實現(xiàn)自動對心。本發(fā)明還提供球閥磨削過程在線實時檢測方法,按照上述方式對心后,在第二傳感器周期的非零輸出信號時段內(nèi),計算三個傳感器的采樣平均值;在第二傳感器周期的零輸出信號時段內(nèi),計算第一、三傳感器的采樣平均值,最后對兩個平均值加權(quán)求和得到球閥的當(dāng)前尺寸。本發(fā)明實現(xiàn)了球閥與旋磨盤的自動準(zhǔn)確對心,并在磨削過程中在線實時檢測球閥的半徑,實現(xiàn)球閥磨削過程的全閉環(huán)控制。
文檔編號B24B49/10GK101559572SQ20091006213
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者彬 周, 唐小琦, 玲 尹, 朱志紅, 李佳佳, 梁松儉, 王平江, 陳吉紅 申請人:武漢華中數(shù)控股份有限公司