一种超精密加工工具磨损特征在机智能提取系统及方法

本发明属于智能制造，具体涉及一种超精密加工工具磨损特征在机智能提取系统及方法，尤其适用于超精密磨削加工中旋转磨削工具的磨损特征在机智能提取。

背景技术：

1、超精密磨削是实现高精度尺寸控制和高质量表面加工的超精密加工工艺，砂轮、磨头等旋转磨削工具的工作表面状态直接影响加工精度、表面质量和加工过程稳定性。随着磨削过程持续进行，旋转磨削工具会产生整体磨损、局部异常磨损以及周向不均匀磨损，并在使用过程中经历一次或多次修整。及时获取旋转磨削工具的磨损状态，对于判断工具服役状态、优化修整时机以及提高加工质量具有重要意义。

2、现有旋转磨削工具磨损检测通常采用停机后人工检测、拆卸离线测量或者在机视觉、位移等非接触测量方式。其中，拆卸或离线测量会中断加工过程，且工具重新装夹可能引入新的位置误差；采用非接触传感器进行在机测量虽然能够减少工具拆卸，但在湿式磨削条件下，磨削液、液雾及磨屑易进入测量区域并附着于传感器光学表面或遮挡测量光路，从而造成距离数据异常甚至测量失效。尤其对于需要长期固定安装于工具防护罩附近的光学位移传感器，如何在不影响有效测量光路的条件下限制污染物进入，并保持光学表面的长期清洁，是实现稳定在机测量需要解决的问题。

3、另一方面，旋转磨削工具外周表面的距离信号随工具旋转呈现周期性变化。若能够获得编码器零位或周向角位置信号，可直接建立采样时刻与工具周向位置之间的对应关系。然而部分加工装备无法直接提供可用的编码器周向角位置信号，或者现有编码器接口难以与外部磨损测量单元进行同步。在此情况下，仅依赖距离时序数据进行周期识别时，测量噪声、残余磨削液、磨屑遮挡以及工具周向形貌中的高次谐波均可能产生伪周期峰；同时，不同测量阶段的采集起始时刻通常对应不同的实际周向位置，即使分别重构得到0°～360°周向轮廓，也难以直接建立两次测量之间相同物理周向位置的对应关系，从而影响局部磨损量的准确计算。

4、此外，旋转磨削工具在服役过程中通常需要多次修整。修整会主动去除工具外周材料，使工具半径和周向微观轮廓发生变化。若每次修整后重新调整位移传感器位置，容易改变原有测量基准并引入重新定位误差；若保持传感器位置固定，则工具半径减小会导致防护结构与工具之间的间隙发生变化。同时，若仍以修整前的周向轮廓作为后续磨损计算基准，修整主动去除的材料容易与正常磨削磨损混淆。

5、因此，亟需提供一种适用于湿式磨削环境的超精密加工工具磨损特征在机智能提取系统及方法，在保持旋转磨削工具原位安装和测量模块固定安装的条件下，提高光谱共焦测量在磨削液及磨屑环境中的稳定性，并在不依赖编码器周向角位置信号的情况下实现旋转周期识别、0°～360°周向轮廓重构、不同测量阶段的周向相位配准和磨损特征提取，同时适应旋转磨削工具多次修整引起的半径及基准变化。

技术实现思路

1、本发明为解决现有旋转磨削工具磨损检测过程中湿式磨削环境易污染光学测量区域、缺少编码器周向角位置信号时难以准确建立距离时序数据与工具周向位置之间的对应关系、不同测量阶段周向起始相位不一致以及工具多次修整后测量基准难以连续保持的问题，提供一种超精密加工工具磨损特征在机智能提取系统及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

3、本发明提供了一种超精密加工工具磨损特征在机智能提取系统，包括测量防护模块、定向遮挡模块、正压保护模块和边缘计算模块；

4、所述测量防护模块包括光谱共焦位移传感器和一体式测量防护夹具，所述光谱共焦位移传感器经所述一体式测量防护夹具固定于旋转磨削工具对应的工具防护罩的非磨削作用区域，其测量光轴朝向所述旋转磨削工具的外周测量表面；

5、所述一体式测量防护夹具朝向所述旋转磨削工具的一侧形成与其外周轮廓相适配的弧形防护面，所述弧形防护面与所述旋转磨削工具的外周面之间形成防护间隙；所述一体式测量防护夹具内部形成沿所述测量光轴朝向所述旋转磨削工具逐渐收缩的光路保护腔、与所述测量光轴对应的测量通孔、位于所述光路保护腔外围的环形均压腔及沿所述环形均压腔周向间隔设置的多个内气道，所述光路保护腔的内轮廓按照所述光谱共焦位移传感器有效测量范围内的测量光路空间包络设置；各所述内气道由所述环形均压腔朝向所述光谱共焦位移传感器的镜片中心有效光学区域倾斜延伸并与所述光路保护腔连通，所述环形均压腔与进气口连通；

6、所述定向遮挡模块包括通过位置调节结构设置于所述工具防护罩上的侧向挡板，所述侧向挡板位于所述旋转磨削工具将磨削液和磨屑由磨削作用区域携带向所述测量防护模块的一侧，用于阻挡所述磨削液和磨屑；

7、所述正压保护模块与所述进气口连通，用于使高压气体经所述环形均压腔和多个内气道向所述镜片中心有效光学区域汇聚吹扫，再进入所述光路保护腔并由所述测量通孔向外排出，使所述光路保护腔相对于外部磨削区域保持正压；所述测量通孔兼作有效测量光路出口和正压排气出口；

8、所述边缘计算模块与所述光谱共焦位移传感器通信连接并运行磨损特征智能提取软件，用于在不获取与所述旋转磨削工具对应的编码器周向角位置信号的情况下，基于所述光谱共焦位移传感器获取的距离时序数据识别旋转周期、重构0°～360°周向距离轮廓并对不同测量阶段的周向距离轮廓进行循环相位配准，并根据配准后相同周向角位置处的距离变化获得周向磨损分布并提取磨损特征。

9、进一步地，所述光路保护腔的内轮廓在所述测量光路空间包络外侧保留防遮挡余量；所述光谱共焦位移传感器的测量光轴与所述旋转磨削工具的外周测量表面相交形成固定轴向测量截面，所述光谱共焦位移传感器和所述一体式测量防护夹具在所述旋转磨削工具的一次装夹使用期间相对于所述工具防护罩保持固定，所述旋转磨削工具因磨损和/或修整产生的外周测量表面径向位置变化位于所述光谱共焦位移传感器的有效测量范围内。

10、进一步地，所述一体式测量防护夹具一体成形，其内部形成有所述光路保护腔、测量通孔、环形均压腔和多个内气道，并形成与所述环形均压腔连通的进气口；所述多个内气道沿所述环形均压腔的周向均匀分布，所述环形均压腔用于对由所述进气口进入的高压气体进行周向压力和流量再分配后分别供给各所述内气道。

11、进一步地，所述磨损特征智能提取软件包括：

12、数据预处理子模块，用于对所述距离时序数据进行有效性判断、异常数据识别和预处理；

13、周期识别子模块，用于根据所述距离时序数据的周期特征生成多个候选旋转周期，并根据各候选旋转周期的周期可信度特征确定与所述旋转磨削工具实际旋转相对应的识别旋转周期；

14、周向重构子模块，用于根据所述识别旋转周期建立采样时刻与所述旋转磨削工具周向角位置之间的映射关系，将所述距离时序数据重构为0°～360°周向距离数据，并对多个旋转周期中对应周向角位置的数据进行融合以获得周向距离轮廓；

15、相位配准子模块，用于提取不同测量阶段对应周向距离轮廓的周向特征表示，并通过循环移位匹配确定不同测量阶段之间的周向角度偏移量；

16、磨损特征提取子模块，用于根据相位配准后相同周向角位置处的距离变化获得周向磨损分布，并根据所述周向磨损分布提取磨损特征；

17、基准更新子模块，用于建立所述旋转磨削工具完成装夹或修整后的基准周向距离轮廓，并在所述旋转磨削工具再次修整后更新后续磨损特征提取采用的基准周向距离轮廓。

18、本发明还提供了一种超精密加工工具磨损特征在机智能提取方法，包括以下步骤：

19、s1：将包括光谱共焦位移传感器和一体式测量防护夹具的测量防护模块固定设置于与所述旋转磨削工具对应的工具防护罩上，所述一体式测量防护夹具形成有弧形防护面、光路保护腔、测量通孔、环形均压腔和多个内气道；在所述旋转磨削工具沿旋转方向将磨削液和磨屑由磨削作用区域携带向所述测量防护模块的一侧设置包括侧向挡板和位置调节结构的定向遮挡模块，并通过正压保护模块向所述一体式测量防护夹具持续通入高压气体；

20、s2：在湿式磨削加工过程中保持所述高压气体持续供给，通过所述定向遮挡模块对随所述旋转磨削工具运动的磨削液和磨屑进行一级遮挡，通过所述一体式测量防护夹具的弧形防护面对进入测量区域的残余磨削液和磨屑进行二级遮挡，并使所述高压气体依次经环形均压腔、多个内气道和光路保护腔后由测量通孔向外排出，以对光谱共焦位移传感器的镜片进行吹扫并形成三级正压防护；

21、s3：在所述旋转磨削工具完成装夹或修整后、开始后续磨削加工之前，停止磨削液供应，并保持所述旋转磨削工具旋转以及所述高压气体持续供给，使所述旋转磨削工具空转脱除外周面携带的磨削液；在满足预设脱液条件后，由所述光谱共焦位移传感器连续采集固定轴向测量截面的距离时序数据，作为基准距离时序数据；

22、s4：在完成一个或多个磨削加工周期后，再次停止磨削液供应，并保持所述旋转磨削工具旋转以及所述高压气体持续供给，使所述旋转磨削工具空转脱液；在满足所述预设脱液条件后，由所述光谱共焦位移传感器连续采集所述固定轴向测量截面的距离时序数据，作为当前距离时序数据；

23、s5：分别对所述基准距离时序数据和所述当前距离时序数据进行有效数据筛选和周期特征分析，分别获得多个候选旋转周期；针对各候选旋转周期提取周期可信度特征，并通过预先建立的周期可信度判别模型，分别确定与所述基准距离时序数据和所述当前距离时序数据对应的识别旋转周期；

24、s6：分别根据所述基准距离时序数据和所述当前距离时序数据对应的识别旋转周期，建立采样时刻与所述旋转磨削工具周向角位置之间的映射关系，将所述基准距离时序数据和所述当前距离时序数据分别转换至统一的0°～360°周向角坐标；当所述距离时序数据包含多个完整旋转周期时，对不同旋转周期中相同周向角位置的距离数据进行融合，分别获得基准周向距离轮廓和当前周向距离轮廓；

25、s7：分别提取所述基准周向距离轮廓和所述当前周向距离轮廓的周向特征表示，使所述当前周向距离轮廓相对于所述基准周向距离轮廓沿0°～360°周向方向进行循环移位匹配，根据不同循环移位位置下的周向特征相似度确定所述当前周向距离轮廓相对于所述基准周向距离轮廓的周向角度偏移量；

26、s8：根据所述周向角度偏移量建立所述基准周向距离轮廓和所述当前周向距离轮廓中相同周向角位置之间的对应关系，并根据对应周向角位置处的距离变化获得所述旋转磨削工具的0°～360°周向磨损分布；

27、s9：根据所述周向磨损分布提取表征所述旋转磨削工具整体磨损程度、局部磨损程度、周向磨损均匀性和磨损变化速率中的一种或多种磨损特征；

28、s10：当所述旋转磨削工具再次修整后，保持所述光谱共焦位移传感器和所述一体式测量防护夹具相对于所述工具防护罩的位置不变，根据所述旋转磨削工具的半径变化对所述定向遮挡模块的位置进行调整，并重新获取修整后的基准距离时序数据和基准周向距离轮廓，以所述修整后的基准周向距离轮廓作为后续磨削加工阶段磨损特征提取的基准。

29、进一步地，所述步骤s5包括：

30、s51：分别对经过有效数据筛选后的所述基准距离时序数据和所述当前距离时序数据进行自相关分析和频域分析中的一种或多种，获得多个候选旋转周期；

31、s52：按照各候选旋转周期分别将对应的距离时序数据划分为多个候选周期数据段；

32、s53：根据所述候选周期数据段之间的轮廓相似度、候选旋转周期稳定性、自相关峰值突出程度和频谱能量集中程度中的两种或两种以上构建各候选旋转周期对应的周期可信度特征向量；

33、s54：将各周期可信度特征向量输入预先训练的周期可信度判别模型，得到各候选旋转周期对应的可信度评价结果，并根据所述可信度评价结果确定所述识别旋转周期。

34、进一步地，所述步骤s6包括：

35、s61：按照对应的识别旋转周期将距离时序数据划分为多个完整旋转周期数据段，并将每个完整旋转周期数据段映射至统一的0°～360°周向角坐标；

36、s62：根据各周向角位置处距离数据与相邻周向角位置距离数据之间的连续性、不同完整旋转周期中相同周向角位置距离数据之间的一致性以及光谱共焦测量数据有效性，识别异常距离数据；

37、s63：对识别出的异常距离数据执行剔除、插补和降低数据权重中的至少一种处理；

38、s64：对不同完整旋转周期中相同周向角位置处的有效距离数据采用中位数融合、截尾平均融合或基于数据可信度的加权融合方式进行融合，获得对应测量阶段的周向距离轮廓。

39、进一步地，所述步骤s7包括：

40、s71：将所述基准周向距离轮廓和所述当前周向距离轮廓分别划分为多个连续周向区段；

41、s72：将各连续周向区段对应的轮廓数据输入预先训练的周向特征提取模型，获得对应的周向特征向量；

42、s73：使所述当前周向距离轮廓对应的周向特征向量相对于所述基准周向距离轮廓对应的周向特征向量执行循环移位；

43、s74：计算不同循环移位位置下两组周向特征向量之间的整体特征相似度；

44、s75：将满足最优特征匹配条件时对应的循环移位量确定为所述周向角度偏移量；

45、其中，所述周向特征提取模型为神经网络模型或其他机器学习模型，用于提取对局部磨损变化及测量噪声具有鲁棒性的周向表面特征。

46、进一步地，所述步骤s9包括：

47、s91：根据所述周向磨损分布计算所述旋转磨削工具的整体平均磨损量；

48、s92：根据所述周向磨损分布中的局部极值和/或超过预设局部磨损条件的连续周向区域，获得最大局部磨损量和/或局部异常磨损区域；

49、s93：根据不同周向角位置的磨损量相对于所述整体平均磨损量的离散程度，获得周向磨损不均匀度；

50、s94：根据相邻两个或多个磨削加工阶段获得的整体平均磨损量和/或相同周向角位置磨损量相对于加工时间、加工循环数、累计磨削长度或材料去除量的变化，获得整体磨损速率和/或局部磨损速率。

51、进一步地，所述步骤s10包括：

52、s101：在所述旋转磨削工具完成修整后，保持所述光谱共焦位移传感器和所述一体式测量防护夹具相对于所述工具防护罩的位置固定，并利用所述光谱共焦位移传感器的有效测量范围容纳修整导致的所述旋转磨削工具外周测量表面的径向位置变化；

53、s102：根据所述旋转磨削工具的累计修整量、当前半径和所述侧向挡板与所述旋转磨削工具之间的挡液间隙中的至少一种，调整所述侧向挡板相对于所述旋转磨削工具的位置；

54、s103：在保持所述高压气体持续供给和所述旋转磨削工具空转脱液的条件下，重新采集修整后的距离时序数据并重构得到修整后周向距离轮廓；

55、s104：将所述修整后周向距离轮廓确定为下一磨削加工阶段的基准周向距离轮廓，并根据下一磨削加工阶段获得的当前周向距离轮廓与所述修整后周向距离轮廓之间的相位配准和对应角位置距离变化，提取下一磨削加工阶段的磨损特征。

56、本发明与现有技术相比，具有如下优点和显著效果：

57、（1）本发明通过定向遮挡模块、一体式测量防护夹具和正压保护模块构建由远端定向遮挡、近场弧形防护和测量通孔正压排气组成的多级防护结构，并通过环形均压腔及多个内气道形成朝向镜片中心有效光学区域的汇聚吹扫气流；同时，光路保护腔的内轮廓根据光谱共焦位移传感器有效测量范围内的测量光路空间包络设置，在保证有效测量光路不受遮挡并适应工具径向位置变化的同时，减小光路保护腔与外部磨削区域的连通空间，从而抑制磨削液、液雾和磨屑对测量光路的污染，提高湿式磨削环境下光谱共焦在机测量的稳定性。

58、（2）本发明不依赖与旋转磨削工具对应的编码器周向角位置信号，而是从距离时序数据中生成多个候选旋转周期，并通过轮廓重复性、周期稳定性、自相关峰值及频谱能量等周期可信度特征进行判别，可降低高次谐波、随机噪声和局部异常数据造成的伪周期识别风险；结合多完整旋转周期的异常数据处理及稳健融合，可提高0°～360°周向距离轮廓重构的稳定性。

59、（3）本发明通过学习型周向特征提取与循环移位匹配，对不同测量阶段独立获得的周向距离轮廓进行相位配准，无需预先获得统一的编码器周向零位信息即可建立基准轮廓与当前轮廓之间相同物理周向位置的对应关系，从而能够根据相同周向角位置处的距离变化获得周向磨损分布，并进一步提取整体磨损、局部异常磨损、周向磨损不均匀度以及磨损速率等特征。

60、（4）本发明在旋转磨削工具多次修整过程中保持光谱共焦位移传感器及一体式测量防护夹具的安装位置不变，利用传感器自身有效测量范围容纳工具半径变化，并仅对不参与测量基准建立的侧向挡板进行位置补偿；同时在每次修整后重新建立基准周向距离轮廓，可避免重新定位传感器引入附加测量误差，并避免将修整主动去除量误判为正常磨削磨损，从而实现旋转磨削工具的连续在机磨损特征智能提取。