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砂輪表面形貌特征主要有磨粒的個數(shù)、磨粒的幾何形狀及分布、磨粒的切削刃及切削刃的出刃高度等。它們是磨削過程的重要輸入?yún)?shù)，直接影響磨削性能的好壞。砂輪表面形貌特征是砂輪表面形貌建模、磨削建模與仿真、砂輪表面形貌評價與分析和磨削過程優(yōu)化時不可或缺的先決條件。不同的檢測方法對砂輪表面形貌的檢測要素和檢測精度各異，因此檢測方法的正確選擇對砂輪表面形貌的研究至關(guān)重要。

由于砂輪表面磨粒形狀復(fù)雜多變，磨削加工的條件和要求也各不相同。迄今為止，對于砂輪表面形貌的研究還沒有統(tǒng)一的檢測方法。但砂輪表面形貌檢測方法已逐漸擺脫了檢測精度低、人眼主觀測定處理數(shù)據(jù)的狀況，出現(xiàn)了一些新的方法。

我們將典型的砂輪表面形貌檢測方法進行分類，概述各檢測方法的基本原理，并按照其工作狀態(tài)、有無人為影響、檢測精度以及檢測形貌特征參數(shù)等方面進行總結(jié)和對比，突顯出各檢測方法的優(yōu)勢與不足，指出了砂輪表面形貌檢測方法存在的問題，最后展望了其發(fā)展前景。

1 砂輪表面形貌檢測方法分類

砂輪表面形貌檢測方法種類繁多，其分類如圖１所示。根據(jù)檢測信號的性質(zhì)不同，可分為間接檢測法和直接檢測法。

間接檢測法通常借助其他信號的傳感器來完成檢測，如檢測力、聲、振動等信號參數(shù)來判斷砂輪表面形貌；而直接檢測法通常借助物理探針或光學(xué)儀器直接分析砂輪表面形貌。直接檢測法又可分為接觸式和非接觸式兩種。

2 間接檢測法

間接檢測法主要針對磨削加工過程，通過檢測加工過程中力、熱、振動、聲波等信號，基于經(jīng)驗與數(shù)據(jù)，判斷砂輪表面的整體情況。其可以分為以下幾種。

（１）測溫測力法

砂輪的銳鈍狀態(tài)可以由其磨削力和磨削溫度反映出來。因此，可以使用測力儀測量磨削力、熱電偶測量磨削溫度進而判斷砂輪銳鈍狀態(tài)。當(dāng)砂輪磨削時，磨粒切削刃與工件的相互作用將產(chǎn)生磨削力和磨削溫度。通過示波器觀察及高速攝像機攝影可以確定動態(tài)有效切削刃數(shù)。

該檢測方法可以進行在線檢測，對砂輪沒有破壞性，但只能檢測出動態(tài)有效切削刃數(shù)，不能提供完整的砂輪表面形貌信息。

（２）液壓法

Furutani等采用液壓法來檢測砂輪表面形貌特征，其基本原理如圖２所示。壓力傳感器與砂輪外表面有微小間隔。在工作時，轉(zhuǎn)動的砂輪把從測量噴嘴中噴出來的磨削液拖拽到該微小間隔中，從而在間隔處產(chǎn)生壓力。壓力傳感器接收到壓力信息之后，把壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳遞到計算機中進行存儲、處理分析，再通過壓力與間隙的關(guān)系得到該間隙的大小與其變化值，該變化值反映了砂輪表面形貌的變化，即砂輪在工作過程中的磨損量。

液壓法檢測簡單方便，能有效檢測出砂輪的磨損與鈍化，因此便于及時修整砂輪。但是此法不能給出磨粒密度、大小、間距等主要參數(shù)的變化，不能提供完整的砂輪表面形貌信息。而且在檢測過程中，砂輪回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向跳動誤差會疊加在檢測結(jié)果之中。另外，測量噴嘴是由液壓泵通過調(diào)節(jié)閥直接連接，泵的壓力波動會影響測量結(jié)果。

母德強等對液壓法進行了改進，采用液體差壓技術(shù)和誤差分離技術(shù)建立了砂輪狀態(tài)與壓力之間的關(guān)系，利用CFX軟件繪制壓力與距離的工作曲線圖，檢測了砂輪表面的磨損量和鈍化程度。差壓技術(shù)有效地消除了由于供壓源的壓力波動而產(chǎn)生測量誤差，提高了檢測精度，彌補了傳統(tǒng)液壓方法的不足。

（３）聲發(fā)射檢測法

該檢測方法的原理如圖３所示：砂輪磨削工件時，磨粒去除工件表面材料的過程中發(fā)出的聲音信號被砂輪罩側(cè)面的聲發(fā)射傳感器接收，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后交給前置放大器和主放大器進行放大和濾波處理，再經(jīng)一定的算法轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由系統(tǒng)分析處理模塊處理后得到AE特征信息。AE特征信息的幅值反映砂輪表面的磨損。

聲發(fā)射檢測法可以在線檢測出砂輪的銳鈍情況，便于及時修整砂輪，但不能提供磨粒數(shù)目、出刃、分布等砂輪表面形貌特征參數(shù)。

3 直接檢測法

與間接檢測法相比，直接檢測法一般多為離線檢測，無法反映實際磨削過程；但其可以在更細(xì)尺度上反映砂輪表面形貌。根據(jù)檢測時是否接觸砂輪，直接檢測法又可以分為接觸式檢測法和非接觸式檢測法兩種。

3．1接觸式檢測法

接觸式檢測法主要通過機械接觸的方式檢測砂輪表面形貌，受檢測手段限制，一般只適用于粗粒度砂輪表面形貌的檢測。

（１）觸針輪廓儀法

觸針輪廓儀法在合適的采樣間距下，通過觸針與砂輪表面直接接觸，沿砂輪表面逐點掃描來獲取砂輪表面形貌特征。觸針掃描時，位移傳感器把它接收的垂直移動信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大和處理后由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。得到的垂直移動信息和觸針的采樣間距就是砂輪表面采樣點的三維坐標(biāo)信息，進而對砂輪表面形貌進行重建。

該檢測方法可獲得砂輪表面的大致輪廓，分析出磨粒的形狀、分布和出刃高度，具有直觀、容易理解等特性，但檢測精度不高；掃描速度慢的缺點也限制了此方法的工業(yè)化應(yīng)用。另外，測量過程中觸針易磨損，使砂輪表面形貌檢測信息失真，因此該檢測方法很難測量細(xì)微的形貌特征，只可用于較粗粒度砂輪表面形貌的檢測。

（２）劃痕復(fù)印法

劃痕復(fù)印法是在外圓磨床上進行的。在復(fù)印前需對工件進行研磨，使工件表面光亮、平整。復(fù)印時，砂輪與工件的轉(zhuǎn)速比成整倍數(shù)，如轉(zhuǎn)速比為２時，砂輪轉(zhuǎn)動１周與工件的１／２周相接觸，最終工件上可以得到兩條相似的劃痕。劃痕可以反映砂輪的形貌狀態(tài)，但只能粗略分析砂輪有效切削刃密度。

劃痕復(fù)印法操作方便，檢測速度快，但檢測精度低，不能檢測磨粒形狀和大小，只能檢測粗粒度砂輪表面的形貌。而且劃痕復(fù)印所使用的工件必須是光整的研磨件，每次檢測的成本很高。

（３）印跡法

其原理是在彈性支承輥與砂輪之間放置玻璃板和復(fù)寫紙，砂輪緩慢轉(zhuǎn)動的同時同步移動復(fù)寫紙和玻璃板，即可在玻璃板上復(fù)印出磨粒的二維分布點圖。對其進行分析計算就可得到磨粒分布密度。

該檢測方法簡單方便，但檢測精度低，只能粗略檢測出最大出刃高度磨粒的分布情況，無法提供完整的砂輪表面形貌信息，且只適合檢測粗粒度砂輪。

3.2 非接觸式檢測法

非接觸式檢測法主要通過兩種方式來獲取砂輪表面形貌：一種是顯微鏡式檢測法，通過顯微鏡成像、測量或掃描來獲取砂輪表面形貌信息；另一種是光學(xué)式檢測法，將光學(xué)測量技術(shù)與信息處理技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)光學(xué)散射或干涉原理進行檢測。

3.2.1 顯微鏡式檢測法

（１）顯微鏡準(zhǔn)焦法

該檢測方法的基本原理如圖４所示，利用反光顯微鏡分別對砂輪表面磨粒的頂點和周圍的金屬結(jié)合劑的最低點進行聚焦，同時記錄調(diào)焦旋鈕刻度的變化值，該變化值與調(diào)焦旋鈕每格所代表尺寸的乘積則為磨粒的出刃高度。調(diào)焦旋鈕每格代表的尺寸越小，顯微鏡準(zhǔn)焦法的檢測精度就越高。

顯微鏡準(zhǔn)焦法設(shè)備投資小，操作簡單，能直接檢測出磨粒的出刃高度；且磨粒的形狀可由反光顯微鏡對磨粒的多次聚焦得到。但磨粒分布密度的計算比較煩瑣，而且聚焦情況的判別過于主觀，檢測精度低。

（２）雙目視覺法

雙目視覺法是通過模仿人類視覺系統(tǒng)，利用體式顯微鏡對砂輪表面進行雙目立體圖像的采集。通過對圖像的分析和處理，準(zhǔn)確獲取砂輪表面各點的深度信息，再通過建模處理重構(gòu)出砂輪表面形貌，其示意圖如圖５所示。在構(gòu)建實際的雙目視覺檢測系統(tǒng)，采集雙目立體圖像時，用一臺固定的CCD攝像機，通過平移裝置移動砂輪來實現(xiàn)。

該方法實現(xiàn)了砂輪表面磨粒高度、磨粒間距和磨粒磨損量等特征信息的檢測。這種直接檢測方法具有檢測精度較高、檢測結(jié)果直觀、計算效率高、適應(yīng)性較強、操作較簡單等優(yōu)點。

（３）掃描電子顯微鏡法

該方法是利用聚焦電子束對砂輪表面各點進行掃描而得到砂輪表面的立體圖像。其原理是在砂輪上截取小塊試樣，采用真空蒸鍍法在其表面鍍上一層金屬，然后將試樣放于掃描電子顯微鏡中進行檢測。砂輪表面反射出二次電子信號，并由探測器接收后轉(zhuǎn)換成電信號；砂輪形貌的高低不同導(dǎo)致二次電子發(fā)射量改變，從而導(dǎo)致電信號的大小也隨之改變。調(diào)節(jié)顯像管亮度，可獲得砂輪表面形貌的立體圖像，而后采用等高線法繪制出其立體形貌輪廓圖，分析出磨粒間距及其出刃高度。

該檢測方法直觀，但掃描電子顯微鏡價格較高，視野較小，檢測過程比較煩瑣，難以檢測磨粒密度等特征參數(shù)，且是一種破壞性檢測方法。

3.2.2 光學(xué)式檢測法

根據(jù)所使用的檢測原理不同，將光學(xué)式檢測法分為光學(xué)散射原理檢測技術(shù)和光學(xué)干涉原理檢測技術(shù)。下列方法中，前６種方法依據(jù)光學(xué)散射原理；余下２種方法依據(jù)光學(xué)干涉原理。

（１）   光電檢測法

光電檢測法的原理是利用光束投射到砂輪表面，砂輪磨粒切削刃的各個棱面對光線進行反射，反射光經(jīng)過矩形光柵射入光電倍增管，從而得到相應(yīng)的光電波形，然后加以放大、限幅與整形得到待測的方波，計算機接收方波信號并對其進行分析與處理。方波的間隔和寬度分別與磨粒間距和磨粒磨損面長度相對應(yīng)，從而可以求得平均磨粒間距和平均磨粒磨損面長度等參數(shù)。比較磨削過程不同階段檢測的矩形波，可以獲得磨粒的變動情況（如：磨損、鈍化、破碎、脫落），可對砂輪表面實現(xiàn)實時監(jiān)測。

該方法可檢測磨粒間距、密度和磨損程度，但無法檢測出磨粒的出刃高度。

（２）光截法

光截法又稱光切法。其檢測裝置主要由光學(xué)分度頭、投射鏡、顯微鏡等構(gòu)成。光截法的原理是轉(zhuǎn)動分度手柄，讀取磨粒在砂輪圓周上的空間位置，然后采用投射鏡中的光源，經(jīng)透鏡及光柵以矩形光束照射于砂輪表面，形成矩形測定帶，測定帶的長軸與砂輪軸線平行。顯微鏡鏡頭與砂輪圓周方向相切，通過顯微鏡中的刻度目鏡可以測量磨粒切削刃的長度和軸向位置。

此法能檢測出磨粒出刃高度，但對磨粒分布密度進行檢測時操作很煩瑣。由于光線照射在透明物上，大部分發(fā)生透射和折射，導(dǎo)致反射效果不明顯，成像模糊，加之測量視域為一狹縫，視場較暗，難以辨認(rèn)被測點，甚至有時把砂輪表面的劃痕或磨粒脫落的凹坑也誤判為出刃高度，因此檢測透明度高的金剛石磨粒效果并不理想。

（３）激光功率譜法

激光功率譜法的檢測裝置示意圖如圖６所示。激光束從激光源發(fā)出，經(jīng)光學(xué)裝置投射到砂輪表面，光束經(jīng)過砂輪面反射，再通過光學(xué)裝置后在衍射場上形成功率譜圖像，經(jīng)光電接收器后傳入微機中進行采樣，砂輪表面上的采樣位置由編碼定位器的信號確定。計算機采樣的同時控制光電接收器，使其在線檢測時完成一系列完整的采樣動作。計算機對采樣數(shù)據(jù)進行處理后得到砂輪磨粒間距和磨損情況等特征信息。

該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，檢測精度較觸針法高；但它不能獲取砂輪表面的高度信息。

（４）激光三角法

激光三角法的掃描裝置由激光器LA、透鏡組L１、L２和位置敏感器件PSD１、PSD２組成，其原理如圖７所示。砂輪對投射到表面的激光進行漫反射，反射光穿過L１、L２后匯聚到兩邊的PSD上。砂輪表面反射光斑的位置隨掃描裝置沿X軸方向移動，在Z軸方向不斷改變，導(dǎo)致光斑在PSD器件上所成的像的位置也發(fā)生相應(yīng)改變，位置信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機，并根據(jù)三角關(guān)系求得砂輪表面檢測點處Z方向的深度值。

通過測量砂輪表面各點可得到其磨粒密度、間距和出刃高度。該檢測方法檢測精度較高，但不適用于細(xì)粒度砂輪的表面形貌檢測，另外激光探頭較貴，不宜進行工業(yè)化的使用。

杜晗等采用具有激光三角法原理的電荷耦合器件和激光位移傳感器對金剛石砂輪進行輪廓檢測，它可以將砂輪表面輪廓的高度值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模擬電壓輸出，實現(xiàn)高精度檢測。

（５）激光共焦法

該方法利用激光共焦掃描顯微鏡掃描砂輪表面，實現(xiàn)其表面形貌特征的檢測。其成像原理如圖８所示。采取共軛焦點技術(shù)使砂輪表面、激光光源及探測器處于相互對應(yīng)的共軛位置，由激光器輸出的激光束經(jīng)物鏡后聚焦于砂輪表面，對砂輪表面進行逐點掃描。光束被砂輪表面反射經(jīng)物鏡后被分光鏡反射到探測光路，經(jīng)收集透鏡匯聚，并通過探測針孔被探測器接收，之后傳送到計算機進行存儲；對砂輪某一位置進行軸向多次二維截面圖像掃描，重構(gòu)出砂輪表面的三維形貌圖。其中，探測針孔過濾了焦平面外的雜散光，具有濾波的作用。

激光共焦法可用于檢測砂輪表面磨粒的出刃高度、分布密度、大小，具有非接觸、對表面沒有破壞性、檢測精度高、對比度高、成像清晰等優(yōu)點，能夠?qū)ι拜啿煌疃冗M行逐層掃描，獲得砂輪大量斷層圖像，但其掃描速度較慢。

（６）白光色差傳感器法

該方法采用包含白光色差傳感器的三維輪廓掃描系統(tǒng)來檢測砂輪表面形貌，其原理如圖９所示。白色光通過具有高度色差的透鏡，按照波長把光分為７種色光，７種色光通過透鏡后在與透鏡不同距離處聚焦。聚焦在砂輪表面上不同波長的光將被反射透過透鏡，而沒有聚焦在砂輪表面的光將被發(fā)散出去，通過返回到傳感器的光的波長和波長的焦距來推斷出透鏡到砂輪的距離，從而檢測出磨粒切削刃的密度、大小、間距和出刃高度。

該檢測方法對砂輪無破壞性且檢測速度快，但檢測精度不高。

（７）白光干涉儀法

該檢測方法的原理如圖１０所示，光源發(fā)出的白光光束通過分光棱鏡后被分成兩束，兩束光線分別投射到參考平面和砂輪表面后均被反射，反射光線相交后發(fā)生干涉，并形成干涉條紋。兩束光的光程差決定干涉條紋的亮度，根據(jù)白光干涉條紋明暗度就可以分析出被測表面的相對高度。掃描頭沿磨粒高度方向?qū)ι拜啽砻鎾呙璧耐瑫r，CCD攝像對產(chǎn)生的干涉圖像進行采集，經(jīng)過頻域分析就可獲得相應(yīng)的高度值，之后對測量所得的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理，從而獲得三維表面形貌特征。

該檢測方法不損傷被測物體表面，可以檢測砂輪表面磨粒的出刃高度、密度和間距等參數(shù)，掃描速度快，檢測精度高，相位不模糊，取樣面積和檢測精度都能滿足細(xì)粒度金剛石砂輪表面形貌檢測的要求。此外白光干涉穩(wěn)定性較高，光源輸出功率的變化和外界干擾對測量結(jié)果沒有影響。但數(shù)據(jù)和圖像處理過程復(fù)雜，且不能進行在線測量。目前干涉式輪廓儀的價格較貴，不宜進行工業(yè)化推廣。

崔長彩等對白光干涉掃描系統(tǒng)進行了改進，驅(qū)動機構(gòu)中增加了用于對焦的步進電動機，運用自動掃描控制程序?qū)崿F(xiàn)了對焦功能和掃描范圍的確定，實現(xiàn)了自動對焦和垂直掃描范圍的確定，提高了測量效率、檢測精度和白光干涉儀法的自動化水平。

（８）激光聚焦法

激光聚焦法又叫激光干涉法。目前最典型的就是激光探針干涉法，其原理如圖１１所示。利用很細(xì)的聚焦光探針投射砂輪表面，砂輪表面附近放置參考鏡，參考光和測量光采用相同的路徑，其中參考光可以通過壓電驅(qū)動器在軸向位置輕微地移動，對干涉條紋進行觀察并儲存，表面上高度的變化引起參考光和測量光光程差的變化，從而導(dǎo)致光電探測器上的信號發(fā)生改變；對干涉條紋圖像進行相位分析可得出砂輪表面上采樣點的實際高度，從而得到砂輪的表面廓形。

此法可以檢測砂輪表面磨粒的出刃高度、間距和密度。該技術(shù)靈敏度高，但易受振動的影響。

4 總結(jié)與展望

砂輪表面形貌檢測的研究已經(jīng)有五十多年，其檢測方法種類繁多，由最初的低精度、人眼主觀測量到現(xiàn)在的高精度、借助電子計算機用程序操作及處理數(shù)據(jù)，可見砂輪表面形貌檢測技術(shù)越來越先進。

上述砂輪表面形貌檢測方法各有不同的特點，表１對現(xiàn)有砂輪表面形貌檢測方法按工作狀態(tài)、檢測精度、有無人為因素影響進行比較。由上述砂輪表面形貌檢測方法及表１可知，砂輪表面形貌檢測方法存在以下特點和問題：

（１）間接檢測方法種類較少，一般能實現(xiàn)在線測量。主要借助傳感器檢測砂輪表面磨粒的磨損狀況或切削刃數(shù)目，但會引進眾多環(huán)境誤差，不能提供磨粒出刃高度、磨粒密度等主要參數(shù)和完整的砂輪信息。

（２）直接接觸式檢測方法以觸針輪廓儀法最為常見，它可以獲得砂輪表面的磨粒形狀和分布，具有簡單直觀等特點，但檢測速度慢、精度低，容易磨損，只可用于較粗粒度的砂輪。

（３）近年來，國內(nèi)外對直接非接觸式檢測技術(shù)的研究較多，其優(yōu)點主要有：精度高、測量范圍大、檢測時間較短、不影響測量對象和現(xiàn)場等。

直接非接觸式檢測技術(shù)中，掃描電子顯微鏡法能檢測較小樣本，但檢測成本較高，視野較小，檢測過程比較煩瑣。用光學(xué)儀器測量砂輪表面形貌比較困難。在測量陡峭斜面、鋒利的邊緣時，光學(xué)儀器經(jīng)常會丟失數(shù)據(jù)。大多光學(xué)式檢測法檢測精度不高、測量煩瑣，往往只涉及砂輪表面形貌個別特征的檢測，且不宜測量細(xì)粒度砂輪。只有白光干涉儀法對細(xì)粒度砂輪表面檢測具有一定的優(yōu)勢，外界干擾少，測量范圍大，不損傷砂輪，測量精度高，但設(shè)備價格較高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，不便于工業(yè)化推廣。

目前砂輪表面形貌檢測方法還不夠成熟完善，各類檢測方法只能對砂輪形貌的一個要素或幾個要素進行測量，若要從不同角度描述砂輪形貌特征，則需要各檢測方法相互配合，取長補短。表２對各檢測方法按照檢測砂輪參數(shù)不同進行了分類。

總體而言，間接檢測方法和直接接觸式檢測方法檢測精度較低，不適合現(xiàn)在對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性的要求?，F(xiàn)在的檢測方法主要朝著直接非接觸式檢測法發(fā)展，單是該類檢測方法還不夠完美，還有待進一步發(fā)展與完善。

對檢測方法的研究應(yīng)朝智能化、高效率、低成本在線測量、操作簡單、取樣范圍廣的方向發(fā)展，能夠借助計算機程序?qū)z測數(shù)據(jù)進行自動處理，并對砂輪的形貌特征各要素的特點進行精準(zhǔn)描繪，如磨粒數(shù)、磨削刃數(shù)、有效磨粒數(shù)、磨粒密度、磨粒間距、出刃高度等。

我們認(rèn)為，接下來應(yīng)對光學(xué)式檢測方法進行進一步研究，現(xiàn)存的光學(xué)式檢測方法已能達到高精度的要求，如激光三角法、激光共焦法等；但很難實現(xiàn)在線測__量，檢測成本較高。應(yīng)加大研究力度，早日克服此類缺點，以實現(xiàn)砂輪表面形貌檢測技術(shù)的躍升。