CN103791836B - 基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口半径测量方法，其特征是它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取、数据的后处理。刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度。刀具的安装是指选择合适角度的量块，将刀具正确安装到夹具上，保证刃口处于合适的测量位置。刀具刃口数据的获取包括：利用激光扫描共聚焦显微镜对刀具刃口进行定位并对焦；分层扫描，获取刃部的三维高度图像。数据的后处理包括数据平滑去噪、数据校准和拟合刃口过渡圆弧。根据激光共焦扫描显微镜获取的刃部，完成刀具刃口过段圆弧表征。本发明可以在不破坏刀具结构的前提下，有效提高刀刃测量精度。

Description

基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其是一种非接触式刀具刃口测量技术，具体地说是一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法。

背景技术

众所周知，刀具在刃磨后，刃口会存在不同程度的微观缺陷，这些微观缺陷最终会影响刀具的切削性能。因此，在刀具刃磨后一般采用钝化的方式对刃口进一步处理。刃口钝化时，刃形以及刃口参数的选择至关重要。目前，常用的刃形有负倒棱、倒圆以及两者混合。负倒棱参数以及倒圆半径会对切削力、切削温度、刀具寿命和加工表面质量产生重要影响。

评判刀具刃口对加工过程的影响，首先要对刃口进行测量和表征。刀具刃口的精确测量较困难，现有的测量方法主要有光切法、投影法、复印法以及扫描电镜观察法等。其中光切法采用光切显微镜，测量繁琐且不太精确；投影法对刃口截形进行投影放大，再用密切圆测量，只能测量较大的半径值，结果也不太准确；复印法是一种间接测量方法，会受到嵌样、研磨等过程的影响，带来测量误差；扫描电镜观察的精度较高，但须截取刃口断面，是一种破坏式测量方法。

激光共焦扫描显微镜（LSCM）克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点，只对处于焦面的结构成像，避免了其余部分的影响，精度较高。激光共焦扫描显微镜成像时，把物体分为若干光学断层，逐层扫描成像，层与层之间有高的纵深分辨率，成像图像清晰。LSCM是一种理想的三维显微成像***，可用于刀具刃口的非破坏式精密测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有刀具刃口测量方法的精度不高和经济性不好等问题，发明一种基于激光扫描共聚焦技术的刀具刃口测量方法，以提高刀刃测量精度，为刀具刃口的准确表征及后续刃口作用机理研究提供条件。

本发明的技术方案是：

一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法，其特征是它包括它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取和数据的后处理；

（1）所述的刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度；

（2）所述的刀具的安装是指刀具正确安装到夹具上，保证刃口以及两侧前后刀面都有部分被能扫描到；

（3）所述的刀具刃口数据的获取包括：

步骤一：对刀具刃口进行定位并对焦；先选择低倍物镜，调节X向和Y向位置，将刀具移到观察位置，调节焦点，直到在显示器上可清晰看到刃口图像；

步骤二：旋转测量头，根据实际测量范围需要选择高倍物镜，采用自动测量的方式，由控制器自动调整镜头Z向位移，对刃口进行分层扫描，获取刃部的三维高度图像；

（4）所述的数据的后处理包括以下步骤：

步骤一：数据平滑去噪；

步骤二：数据校准；根据采集的高度数据，截取中间附近水平轮廓并计算出刀具的安装倾角；

步骤三：截取处理后的刃口部分高度数据，进行坐标对齐，采用最小二乘法拟合刃口圆弧。

所述刀具刃口预处理是指在超声振动清洗机里加入丙酮试剂，将刀具放入其中清洗不少于10分钟。

所述的安装夹具包括角度量块、定位块、压板、复位弹簧和紧固螺钉；所述角度量块截面形状是直角梯形，所述角度量块的斜面角度θ由以下公式确定：

θ=(90°+α₀+γ₀)/2

式中α₀为刀具前角，γ₀为刀具后角；

控制误差在±5°范围内，所述复位弹簧在未安装刀具时处于自然状态，安装刀具后处于压缩状态。

所述显微镜是激光扫描共聚焦显微镜，综合放大倍率最高为16000，高度测量分辨率不小于0.005um，测量光源为658nm红色半导体激光；所述低倍物镜是指10倍物镜，高倍物镜放大倍数为20、50或100倍物镜。

所述数据平滑去噪采用加权平均的方法，平滑公式如下所示：

$h_i^{\′}=\frac{f_{i-2}{h}_{i-2}+f_{i-1}{h}_{i-1}+f_i{h}_i+f_{i+1}{h}_{i+1}+f_{i+2}{h}_{i+2}}{f_{i-2}+f_{i-1}+f_i+f_{i+1}+f_{i+2}}$

式中：h′_i表示第i个测量点平滑后的高度值;

h_i表示第i个测量点未经平滑的高度值;

f_i表示第i个测量点高度平滑的加权系数。

所述的刀具安装倾角α按以下公式计算，

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{arctg}|{\mathrm{\Δh}}_{a_i{b}_i}/{\mathrm{\Δl}}_{a_i{b}_i}|}{5}$

高度数据校准式h'=h-l×tgα计算;

式中：为a_i和b_i两点的高度差；

为a_i和b_i两点的水平距离；

h'为测量点校准后的高度值；

h为测量点未经校准的高度值；

l为当前测量点距离起始测量点的水平距离。

采用最小二乘法进行刀具刃口圆弧拟合时，拟合残差方程的解及拟合圆弧参数由以下公式给出：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}& n\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2+y_i^2)\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(x_i^2+y_i^2)\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(x_i^2+y_i^2)\end{array}\right]\\ \left\{\begin{array}{c}{x}_c=-a_1/2\\ y_c=-a_2/2\\ r=\sqrt{a_1^2+a_2^2-{4a}_3}/2\end{array}\right.\end{array}:$

式中各参数分别表示：

a₁、a₂和a₃为拟合残差方程解的分量；

x_i为数据后处理后第i点的横坐标；

y_i为数据后处理后第i点的纵坐标；

x_c为拟合圆弧的圆心横坐标；

y_c为拟合圆弧的圆心纵坐标;

r为拟合圆弧的半径；

n为测量点数量。

本发明的有益效果：

本发明利用激光共焦扫描显微镜对刀具刃口进行分层扫描测量，同时对测量数据进行后续处理，为切削刀具刃口微观结构的直接精密测量和表征提供了有效手段，可有效提高测量精度，同时不破坏刀具结构。

附图说明

图1是本发明的测量装置的结构示意图。

图2是本发明的安装夹具的结构示意图。

图3是本发明的数据处理流程图。

图4是本发明实施例中获得的刃口高度图像示意图。

图5是本发明的数据校准示意图。

图6是本发明实施例的刀具刃口最终拟合结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示。

一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口半径测量方法，它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取、数据的的后处理，如图3所示。其中：

（1）刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度。具体实施时在超声振动清洗机里加入丙酮试剂，将刀具放入其中清洗10分钟。

（2）刀具的安装是指选择合适角度的量块，将刀具正确安装到如图2所示的夹具上，夹具安装在图1所示的测量装置上，保证刃口以及两侧前后刀面都有部分被能扫描到。安装时，以角度量块斜面为主定位面，定位块辅助定位，将刀具固定在角度量块的斜面上并调整使刀刃垂直于量块前后面。图2中的夹具包括角度量块5、定位块6、压板8、复位弹簧9和紧固螺钉10。所述角度量块5斜面角度根据刀具7的前角和后角按公式（1）确定，误差控制在±5°范围内。所述复位弹簧9在未安装刀具时处于自然状态，安装刀具后处于压缩状态。

θ=(90°+α₀+γ₀)/2（1）

式中：α₀为刀具前角，γ₀为刀具后角。

刀具7安装在夹具3上，安装时，沿紧固螺钉10轴线方向提升压板8，以刀具底面为主定位面，将刀具安放在角度量块5的斜面上，同时将待测刀刃底边紧贴定位块6，使待测刀刃处于测量位置，放下压板8，在弹簧力作用下夹紧刀具。安装夹具3放置在旋转盘2上，并处于设定位置。

（3）刀具刃口数据的获取（即数据测量）如图4所示，它包括：

步骤一：刀具刃口定位及对焦：调节旋转盘2保证量块底面短边和显微镜立柱侧面平行。调节激光共焦扫描显微镜1的X向和Y向位置旋钮，将刀具移到物镜正下方位置。选择10倍物镜，调节焦距，直到在显示器上可清晰看到刃口图像。

步骤二：测量范围设定及自动测量：旋转测量头，根据实际测量范围需要选择高倍物镜，调节焦距并记录设定测量范围上下边界处清晰成像时的物镜Z向高度值，将其分别设为激光共聚焦扫描显微镜1的扫描上限位置和下限位置。采用自动测量的方式，由控制器自动调整镜头Z向位移，从上而下对刃口进行分层扫描，获取刃部的三维高度图像。

图4显示了在本发明一个实施例中获得的刃口高度图像。

（4）数据的后处理，包括以下步骤：

数据后处理是指对获取的刃口数据进行加工以保留有效数据，得到测量结果。它可分为以下几个步骤：

步骤一：数据平滑去噪：对获取的点云高度数据进行平滑去噪声，平滑采用±2加权平均的方法，对应加权系数如表1所示，计算公式如式（2）所示。平滑后的各像素点高度数据可按表2所列公式计算。

$h_i^{\′}=\frac{f_{i-2}{h}_{i-2}+f_{i-1}{h}_{i-1}+f_i{h}_i+f_{i+1}{h}_{i+1}+f_{i+2}{h}_{i+2}}{f_{i-2}+f_{i-1}+f_i+f_{i+1}+f_{i+2}}---\left(2\right)$

表1数据平滑加权系数

表2各点高度数据计算公式

点所处位置	各点高度数据hi计算公式
		第一点	(17h1+12h2-3h3)/26

第二点	(12h1+17h2+12h3-3h4)/38
		其余点	(-3hi-2+12hi-1+17hi+12hi+1-3hi+2)/35
倒数第二点	(-3hi-2+12hi-1+17hi+12hi+1)/38
		倒数第一点	(-3hi-2+12hi-1+17hi)/26

步骤二：数据校准：为消除刀具安装过程中产生的刃口高度数据误差，对平滑后的高度数据进行校准，具体实施时如图5所示截取测得的中间附近水平轮廓，选取10个共5对高度数据，据公式（3）计算安装倾角。表3为本发明一个实施例中选取点高度及安装倾角。

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{arctg}|{\mathrm{\Δh}}_{a_i{b}_i}/{\mathrm{\Δl}}_{a_i{b}_i}|}{5}---\left(3\right)$

对测量得到的各点高度数据可按公式（4）进行校准，

h'=h-l×tgα（4）

即校准后的高度数据由校准前的高度数据h减去当前测量点距离起始测量点的水平距离l与倾角正切的乘积。其中起始测量点根据选取的水平轮廓是向左倾斜还是向右倾斜，分别选取最右和最左的测量点。

表3用于数据校准的选取点数值

步骤三：拟合刃口过渡圆弧。对截取的刀具刃口部分高度数据进行坐标对齐，具体实施时，选定一平面右手直角坐标系，各点处理后高度数值作为纵坐标y数值，同时对各点从左向右进行坐标设定，起始坐标为0，间距为两测量点间距，依次确定各点横坐标x数值。

对完成坐标对齐的数据，采用最小二乘法进行拟合。首先给出刃口拟合圆的一般方程如下：

x²+y²+a₁x+a₂y+a₃=0（5）

在等精度多余观测的情况下，得到拟合残差方程为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_1\\ v_2\\ .\\ .\\ .\\ v_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ & ...& \\ x_n& y_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}-(x_1^2+y_1^2)\\ -(x_2^2+y_2^2)\\ ...\\ -(x_n^2+y_n^2)\end{array}\right]---\left(6\right)$

该方程最小二乘解可通过其法方程得到，具体为：

$\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i& n\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i^2+y_i^2)\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i(x_i^2+y_i^2)\\ -\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i(x_i^2+y_i^2)\end{array}\right]---\left(7\right)$

求解法方程后，拟合圆的圆心及半径可由下式求得

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=-a_1/2\\ y_c=-a_2/2\\ r=\sqrt{a_1^2+a_2^2-{4a}_3}/2\end{array}\right.---\left(8\right)$

表4是本发明一个实施例中坐标对齐后刃部测量点数据。

表4坐标对齐后刃部测量点数据

根据公式（7）和（8）可对测量数据进行最小二乘圆弧拟合，实施时采用MATLAB软件实现，具体实现源代码如下：

图6是利用本发明方法对刃口的最终拟合结果示意图。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法，其特征是它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取和数据的后处理；

(1)所述的刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度；

(2)所述的刀具的安装是指刀具正确安装到夹具上，保证刃口以及两侧前后刀面都有部分被能扫描到；

(3)所述的刀具刃口数据的获取包括：

步骤一：对刀具刃口进行定位并对焦；先选择低倍物镜，调节X向和Y向位置，将刀具移到观察位置，调节焦点，直到在显示器上可清晰看到刃口图像；

步骤二：旋转测量头，根据实际测量范围需要选择高倍物镜，采用自动测量的方式，由控制器自动调整镜头Z向位移，对刃口进行分层扫描，获取刃部的三维高度图像；

(4)所述的数据的后处理包括以下步骤：

步骤一：数据平滑去噪；

步骤二：数据校准；根据采集的高度数据，截取中间附近水平轮廓并计算出刀具的安装倾角；

步骤三：截取处理后的刃口部分高度数据，进行坐标对齐，采用最小二乘法拟合刃口圆弧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述刀具刃口预处理是指在超声振动清洗机里加入丙酮试剂，将刀具放入其中清洗不少于10分钟。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的夹具包括角度量块、定位块、压板、复位弹簧和紧固螺钉；所述角度量块截面形状是直角梯形，所述角度量块的斜面角度θ由以下公式确定：

θ＝(90°+α₀+γ₀)/2

式中α₀为刀具前角，γ₀为刀具后角；

控制误差在±5°范围内，所述复位弹簧在未安装刀具时处于自然状态，安装刀具后处于压缩状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述数据平滑去噪采用加权平均的方法，平滑公式如下所示：

式中：h′_i表示第i个测量点平滑后的高度值；

h_i表示第i个测量点未经平滑的高度值；

f_i表示第i个测量点高度平滑的加权系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的刀具安装倾角α按以下公式计算，

高度数据校准按公式h'＝h-l×tgα计算；

式中：为a_i和b_i两点的高度差；

为a_i和b_i两点的水平距离；

h'为测量点校准后的高度值；

h为测量点未经校准的高度值；

l为当前测量点距离起始测量点的水平距离。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用最小二乘法进行刀具刃口圆弧拟合时，拟合残差方程的解及拟合圆弧参数由以下公式给出：

式中各参数分别表示：

a₁、a₂和a₃为拟合残差方程解的分量；

x_i为数据后处理后第i点的横坐标；

y_i为数据后处理后第i点的纵坐标；

x_c为拟合圆弧的圆心横坐标；

y_c为拟合圆弧的圆心纵坐标；

r为拟合圆弧的半径；

n为测量点数量。