CN104526464B - 一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法及装置，可以同步完成主轴跳动量及刀刃初始角的测量。本专利提出的装置通过两个激光位移传感器同时采集刀柄跳动量及刀齿跳动量。前者数据用于计算刀具跳动量，后者数据与前者数据共同用于确定刀刃初始角。测量数据通过串口通信，交由上位机处理。刀具跳动量的计算通过刀柄处的激光位移传感器采集的数据，进行波峰波谷求差直接获得；刀刃初始角通过对刀柄、刀刃处激光位移传感器采集的两组数据进行波峰相位求差获得。

Description

一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法及装置
技术领域
本发明属于机床性能测试技术领域，更具体地，涉及一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法及装置。
背景技术
超精密机床正日益广泛的应用到机械制造尤其是高精度模具领域。由于被加工件一般都对尺寸精度以及表面形貌纹理等有极高要求，除机床自身几何精度外，刀具末端的变形量对尺寸精度也有显著影响。为了提高被加工件精度和控制形貌纹理，考虑刀具跳动的切削力建模以及形貌纹理算法变得尤为重要，其中刀具跳动量以及刀刃初始角通过实验测得。如图1所示，所述刀具跳动量为由刀具实际转动中心指向刀具理论中心矢量的模ΔD；所谓初始角为刀具上特定齿与理论中心的连线与刀具跳动矢量之间的夹角θ。
目前的刀具跳动量测量的装置及方法，重点都放在主轴性能的评估方面，对刀具跳动量以及刀刃初始角同时进行测量装置及方法鲜有见之。在中国发明专利说明书CN200920129369.7中公开了一种高精度电机主轴跳动无接触测量结构的改良。它在主轴行进位置的前后相对位设有光源装置及光敏组件，使光源装置的一部光源射向主轴，而余光则由光敏组件接收，光敏组件可将在主轴遮光的变化所感知的光量信号转换成相应的电信号输出并整理，这样可得到精确的主轴跳动的测量数据结果。但该专利只能单一的测量主轴跳动量，不能用于测量刀刃初始角，功能相对简单，应用范围也相对狭窄。由于铣削刀具在使用时都进行高速旋转运动，现有技术一般都将刀具考虑成圆柱体来进行刀具跳动量测量，没有考虑刀齿在旋转运动中的具体相位分布，能满足如主轴性能评估等一般应用场合，但在一些特定场合，如高精加工铣削工艺研究中，需要实时获取刀刃相对于实际旋转中心的位置分布，针对这点，现有技术还无法满足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是同步测量刀具跳动量及刀刃初始角，本发明提出的相关装置及方法可以同步完成主轴跳动量及刀刃初始角的测量。本专利提出的装置通过两个激光位移传感器同时采集刀柄跳动量及刀齿跳动量。前者数据用于计算刀具跳动量，后者数据与前者数据共同用于确定刀刃初始角。测量数据通过串口通信，交由上位机处理，能够达到自动化标准，减小人员工作量。
为了实现上述功能，按照本发明的一个方面，提出了一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，所述测量装置包括机械测量***，其中：
所述机械测量***包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、旋转支架、旋转底座与安装底座，其中所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器固定于旋转支架上，所述第一激光位移传感器的激光射线与刀具的刀柄轴线相交，所述第二激光位移传感器的激光射线与刀具的刀刃轴线相交，所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器的激光射线构成一个竖直平面；所述旋转支架通过旋转支架安装螺栓与旋转底座相固定；所述旋转底座通过轴承与安装底座构成旋转副；所述安装底座安装在机械工作台上。
过一步地，所述测量装置还包括数据处理***，其中所述数据处理***包括上位机、串口通信电缆、下位机以及传感器专用电缆，其中所述上位机通过串口通信电缆与下位机相连；所述下位机通过传感器专用电缆与机械测量***连接，所述下位机用于将第一激光位移传感器、第二激光位移传感器采集的位移数据转化成上位机能够处理的数据，所述上位机用于根据下位机传过来的第一激光位移传感器、第二激光位移传感器的两组数据计算刀具跳动量及刀刃初始角。
进一步地，所述第一激光位移传感器用于采集刀柄处跳动量，刀柄处跳动量的波峰波谷差值的一半即为刀具跳动量；第二激光位移传感器用于采集刀具旋转时刀齿相对第二激光位移传感器的位移数据。
在本发明的一个实施例中，所述装置还包括旋转定位压块，所述旋转定位压块通过旋转定位压块安装螺栓与旋转底座相固定。
在本发明的一个实施例中，所述装置还包括旋转定位螺栓，旋转定位螺栓穿过旋转定位压块上的螺孔与安装底座相接触，调节旋转定位螺栓可实现旋转底座相对于安装底座的旋转或固定。
在本发明的一个实施例中，其中所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器通过成对激光位移传感器固定螺栓与旋转支架相固定。
在本发明的一个实施例中，所述安装底座通过磁力安装在机械工作台上。
按照本发明的另一方面，还提供了一种基于上述装置的刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法，包括：
计算刀柄处第一激光位移传感器测得的位移数据的最大值与最小值的差值，差值的一半即为刀具跳动量；
对于单齿刀具，记录刀刃处第二激光位移传感器测得的位移数据的任一波峰对应的旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为刀刃初始角；
对于多齿刀具，测量前记录第一个被测刀刃的编号，其后通过统计刀刃处第二激光位移传感器测得的位移数据的波峰的个数，判断波峰所对应刀刃编号，根据所需求解刀刃选取对应波峰，记录该波峰对应旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为所求刀刃初始角。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)使用两个激光位移传感器同步采样刀具的刀柄跳动量及刀刃跳动量，并通过计算获取刀具跳动量及刀刃初始角，所测数据结果可靠，操作便捷，自动化程度高，现有技术多关注刀具跳动量的测量，无法完成刀具跳动量及刀刃初始角的同步测量。
(2)两个激光位移传感器所采样数据均通过下位机转换后交由上位机处理，不需要人工计算，将求解算法程序化后实现自主采集、自主计算刀具跳动量及刀刃初始角。
(3)激光位移传感器安装于旋转支架上，通过调节旋转定位螺栓可使旋转支架处于可以绕安装底座做旋转运动的状态，通过旋转旋转支架可以得知激光射线对准效果，并通过调节安装底座位置或者激光位移传感器本身位置来实现激光射线与刀柄或刀刃轴线的相交，完成对准后可以通过调节旋转定位螺栓可使旋转支架处于相对安装底座固定的状态。
附图说明
图1是本发明的刀具跳动量及刀刃初始角的测量原理图；
图2是本发明的刀具跳动量及刀刃初始角的求解原理图；
图3是本发明的***工作原理图；
图4是本发明的机械测量***结构图；
图5是数据处理***用户界面截图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、数据处理*** 2、上位机 3、串口通信电缆 4、下位机 5、传感器专用电缆 6、机械测量*** 7、主轴 8、激光位移传感器固定螺栓9、第一激光位移传感器 10、旋转支架 11、旋转底座 12、安装底座 13、旋转定位压块 14、旋转定位螺栓 15、轴承 16、旋转定位压块安装螺栓 17、旋转支架安装螺栓 18、铣刀 19、第二激光位移传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图3和图4所示，本发明提供了一种用于刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，该装置包括机械测量***6其中：
所述机械测量***6包括第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19、旋转支架10、旋转底座11与安装底座12，其中所述第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19固定于旋转支架10上，所述第一激光位移传感器9的激光射线与刀具的刀柄轴线相交，所述第二激光位移传感器19的激光射线与刀具的刀刃轴线相交，所述第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19的激光射线构成一个竖直平面；所述旋转支架10通过旋转支架安装螺栓17与旋转底座11相固定；所述旋转底座11通过轴承15与安装底座12构成旋转副；所述安装底座12安装在机械工作台上。
进一步地，如图3所示，所述测量装置还包括数据处理***1，其中所述数据处理***1包括上位机2、串口通信电缆3、下位机4以及传感器专用电缆5，其中所述上位机2通过串口通信电缆3与下位机4相连；所述下位机4通过传感器专用电缆5与机械测量***6连接，所述下位机4用于将第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19采集的位移数据转化成上位机2能够处理的数据，所述上位机2用于根据下位机4传过来的第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19的两组数据计算刀具跳动量及刀刃初始角。
其中，对于第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19，所述第一激光位移传感器9用于采集刀柄处跳动量，刀柄处跳动量的波峰波谷差值的一半即为刀具跳动量；第二激光位移传感器19用于采集刀具旋转时刀齿相对第二激光位移传感器19的位移数据。
进一步地，如图4所示，所述装置还包括旋转定位压块13，所述旋转定位压块13通过旋转定位压块安装螺栓16与旋转底座11相固定。
进一步地，如图4所示，所述装置还包括旋转定位螺栓14，旋转定位螺栓14穿过旋转定位压块13上的螺孔与安装底座12相接触，调节旋转定位螺栓14可实现旋转底座11与安装底座12的旋转或固定。
在将第一激光位移传感器9的激光射线对准刀柄的轴线时，可以通过手动旋转支架10，观察位移数据的变化量大小，来判断对准的效果，并通过调整安装底座12或第一激光位移传感器9来实现对准，一般要求数据变化量在1μm以下，同样，在将第二激光位移传感器19的激光射线对准刀刃的轴线时，可以先将刀具18往下移，使激光射线照射到刀柄处，通过手动旋转旋转支架10，观察位移数据的变化量大小，来判断对准的效果，并通过调整第二激光位移传感器19来实现对准，一般要求数据变化量在1μm以下，之后再将刀具上升到原来位置。
进一步地，如图4所示，其中所述第一激光位移传感器9、第二激光位移传感器19通过成对激光位移传感器固定螺栓8与旋转支架10相固定。
进一步地，所述安装底座12通过磁力安装在机械工作台上。
本发明还提供了一种基于上述装置的刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法，具体为：
计算刀柄处第一激光位移传感器9测得的位移数据的最大值与最小值的差值，差值的一半即为刀具跳动量；
对于单齿刀具，记录刀刃处第二激光位移传感器19测得的位移数据的任一波峰对应的旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器9测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为刀刃初始角；
对于多齿刀具，测量前记录第一个被测刀刃的编号，其后通过统计刀刃处第二激光位移传感器19测得的位移数据的波峰的个数，判断波峰所对应刀刃编号，根据所需求解刀刃选取对应波峰，记录该波峰对应旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器9测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为所求刀刃初始角。
下面以两刃铣刀为例(但不局限)详细说明本发明方法，该方法包括如下步骤：
如图2所示，为两个激光位移传感器传递给数据处理***1的数据。通过计算得到曲线1的波峰D1、波谷D2值，则刀具跳动量即为ΔD＝(D1-D2)/2，其中曲线1为刀柄处第一激光位移传感器9的测量结果(滤波、平滑处理后)，曲线2为刀刃处第二激光位移传感器19的测量结果(滤波、平滑处理后)；
对于两刃铣刀，易知刀具旋转一圈，第二激光位移传感器19扫过两个刀刃，会产生两个波峰和两个波谷。测量前记录第一个被测刀刃的编号，通过对波峰进行计数，获知图中旋转周期内的波峰所对应刀刃编号；
如图2所示，假设曲线2中第一个波峰为刀刃i1，第二个波峰为刀刃i2。φ1-φ2即为刀刃i1对应的跳动初始角θ。本发明专利所提出的装置及方法能够有效的解决刀具高速转动时，其跳动量和刀刃初始角的采集，并通过数据处理***1实现自动求解，具有操作方便，省时省力，结果可靠的特点，使得刀具跳动量及刀刃初始角测量能够达到自动化或半自动化程度。
下面给出本发明的具体实施办法，包括测量前刀具实际回转中心的定位和刀具跳动量、刀刃初始角测量。
1)刀具实际回转中心的定位
将机械测量***6安放到机床工作台，移动机床Z轴，使主轴7升降，保证第一激光位移传感器9射出光线照射到刀柄处，应当选相对光洁位置；保证第二激光位移传感器19射出光线照射到刀刃处。同时通过观察光线在刀柄上的反射点，通过挪动机械测量***6或通过机床手轮驱动工作台，使第一激光位移传感器9的激光射线基本与刀柄轴线相交。将数据处理***1与机械测量***6进行连接，启动用户界面，如图5所示。点击“定位”按钮，右边窗口将实时显示两个激光位移传感器所测得的位移数据。通过手动旋转旋转支架10，观察第一激光位移传感器9数据的变化，通过挪动机械测量***6或通过机床手轮驱动工作台将第一激光位移传感器9的激光射线精确对准到刀柄的轴线，反复调节，直到其变化量都在1μm以内。同样，将第二激光位移传感器19的激光射线对准到刀刃的轴线时，可以先将刀具18往下移，使激光射线照射到刀柄处，通过手动旋转旋转支架10，观察位移数据的变化量大小，来判断对准的效果，一般要求数据变化量在1μm以下，如变化量过大，可以进一步调整第二激光位移传感器19的位置，如此反复，直到达到要求，之后再将刀具18上升到原来位置。
2)刀具跳动量、刀刃初始角测量
以两刃刀具为例，两个刀刃仅凭肉眼很难进行区分，在测量开始前需要在选定刀刃上做上标记，并手动旋转刀具到特定位置，保证主轴7启动后，***测量到的第一个波峰对应的是选定刃。***通过统计第二激光位移传感器19检测的波峰数量，来判定刀具18旋转圈数及每个波峰对应的是哪一个切削刃。点击用户界面上的“采集”按钮，***开始采集两个传感器读数，随后启动主轴7，两个激光位移传感器的数据将被存储在上位机2中。一段时间后点击“结束”按钮(一般只需要保证主轴7度过启动过程，保持匀速旋转一小段时间后就可)，***停止采集数据并关停主轴7。点击“计算”按钮，数据处理***1会将两组数据进行滤波，平滑等处理，并将测量结果显示在用户界面。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特点在于，所述测量装置包括机械测量***(6)，其中：
所述机械测量***(6)包括第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)、旋转支架(10)、旋转底座(11)与安装底座(12)，其中所述第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)固定于旋转支架(10)上，所述第一激光位移传感器(9)的激光射线与刀具的刀柄轴线相交，所述第二激光位移传感器(19)的激光射线与刀具的刀刃轴线相交，所述第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)的激光射线构成一个竖直平面；所述旋转支架(10)通过旋转支架安装螺栓(17)与旋转底座(11)相固定；所述旋转底座(11)通过轴承(15)与安装底座(12)构成旋转副；所述安装底座(12)安装在机械工作台上。
2.根据权利要求1所述的刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括数据处理***(1)，其中所述数据处理***(1)包括上位机(2)、串口通信电缆(3)、下位机(4)以及传感器专用电缆(5)，其中所述上位机(2)通过串口通信电缆(3)与下位机(4)相连；所述下位机(4)通过传感器专用电缆(5)与机械测量***(6)连接，所述下位机(4)用于将第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)采集的位移数据转化成上位机(2)能够处理的数据，所述上位机(2)用于根据下位机(4)传过来的第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)的两组数据计算刀具跳动量及刀刃初始角。
3.根据权利要求1或2所述的刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器(9)用于采集刀柄处跳动量，刀柄处跳动量的波峰波谷差值的一半即为刀具跳动量；第二激光位移传感器(19)用于采集刀具旋转时刀齿相对第二激光位移传感器(19)的位移数据。
4.根据权利要求1或2所述的刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，所述装置还包括旋转定位压块(13)，所述旋转定位压块(13)通过旋转定位压块安装螺栓(16)与旋转底座(11)相固定。
5.根据权利要求4所述的刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，所述装置还包括旋转定位螺栓(14)，旋转定位螺栓(14)穿过旋转定位压块(13)上的螺孔与安装底座(12)相接触，调节旋转定位螺栓(14)可实现旋转底座(11)相对于安装底座(12)的旋转或固定。
6.根据权利要求1或2所述的刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，其中所述第一激光位移传感器(9)、第二激光位移传感器(19)通过成对激光位移传感器固定螺栓(8)与旋转支架(10)相固定。
7.根据权利要求1或2所述的一种刀具跳动量及刀刃初始角的测量装置，其特征在于，所述安装底座(12)通过磁力安装在机械工作台上。
8.根据权利要求1至7任一项所述装置的刀具跳动量及刀刃初始角的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
计算刀柄处第一激光位移传感器(9)测得的位移数据的最大值与最小值的差值，差值的一半即为刀具跳动量；
对于单齿刀具，记录刀刃处第二激光位移传感器(19)测得的位移数据的任一波峰对应的旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器(9)测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为刀刃初始角；
对于多齿刀具，测量前记录第一个被测刀刃的编号，其后通过统计刀刃处第二激光位移传感器(19)测得的位移数据的波峰的个数，判断波峰所对应刀刃编号，根据所需求解刀刃选取对应波峰，记录该波峰对应旋转角度，并计算刀柄处第一激光位移传感器(9)测得的位移数据中最临近波峰的旋转角度，两者的差值为所求刀刃初始角。
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