CN111412839A - 一种立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台及检测方法，旨在提供一种能够及时获得铣刀的实时磨损状态，容易标定的实验台及检测方法。该检测实验台中的三轴运动控制器安装于固定座上，三轴运动控制器的执行端安装有侧姿调节气缸，侧姿调节气缸的执行端安装有线激光扫描测微仪；与线激光扫描测微仪相对的位置有电动旋转平台，电动旋转平台的旋转台面上安装有立铣刀夹具；检测控制与实现模块通过控制所述三轴运动控制器及侧姿调节气缸的动作实现线激光扫描测微仪对立铣刀相对位置的调整，并实现对扫描初始位置的快速标定及线激光扫描测微仪的测量数据监测和获取。该检测实验台稳定性好，能够实现快速、精准的在机立铣刀磨损检测。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域，更具体的说，是涉及一种利用线激光边缘检测技术对立铣刀侧刃在机磨损状态进行检测的装置及方法。
背景技术
机床刀具磨损状态的检测精度和效率直接影响到机加工过程的产品质量和效率进而直接影响生产成本，是生产企业普遍关注的关键技术。随着制造业自动化水平的提升，刀具磨损状态的检测效率和精度的关注度逐年提高。伴随高效自动化生产和复杂生产线集成的现代智能生产模式的需要，急需研究刀具磨损在机、高效的检测方法和技术。
线激光检测方法具高效高精、量程大、灵敏度高、实时性好等特点被广泛应用于高精度非接触测量中。同时，相较于机器视觉检测方法，线激光检测方法具有：装置结构较为简单，容易标定，定位精度和重复定位精度高等优点，在刀具磨损状态检测领域具有广阔的应用潜力。
现有的激光测量技术在刀具磨损状态测量的应用中，研究热点主要集中于使用激光束扫描铣刀的三维形貌，获取刀具表面具体形貌，进而通过灰度图像分析等方法得到所测铣刀的磨损状态信息。此类方法构建铣刀三维形貌过程复杂，运算较大，受测量环境光源影响大，以及传感器标定困难等问题，不能及时获得铣刀的实时磨损状态，不适用于实际的刀具寿命监测的应用场合中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种容易标定，检测流程简单，检测效率高的立铣刀在机磨损状态的线激光式检测方法。
本发明的另一个目的是提供一种能够及时获得铣刀的实时磨损状态，稳定性好的线激光式在机立铣刀磨损状态检测实验台。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台包括检测控制与实现模块、三轴运动控制器、线激光扫描测微仪、侧姿调节气缸、电动旋转平台、立铣刀夹具及固定座；所述三轴运动控制器安装于所述固定座上；所述三轴运动控制器的执行端安装有所述侧姿调节气缸，所述侧姿调节气缸的执行端安装有所述线激光扫描测微仪；所述侧姿调节气缸用于调整所述线激光扫描测微仪与立铣刀的空间相对位置；与所述线激光扫描测微仪相对的位置设置有所述电动旋转平台，所述电动旋转平台的旋转台面上安装有所述立铣刀夹具；所述检测控制与实现模块分别与所述三轴运动控制器、侧姿调节气缸及线激光扫描测微仪连接，所述检测控制与实现模块通过控制所述三轴运动控制器及侧姿调节气缸的动作实现所述线激光扫描测微仪对立铣刀相对位置的调整，并实现对扫描初始位置的快速标定及所述线激光扫描测微仪的测量数据监测和获取；所述线激光扫描测微仪发出的线激光束沿被测立铣刀的轴线方向移动。
所述三轴运动控制器包括X轴、Y轴和Z轴，所述X轴固定在所述固定座上，所述Y轴固定在所述X轴的执行端，所述X轴的执行端控制所述Y轴沿空间的X轴方向平移；所述Y轴的悬空端与所述固定座滑动连接，所述Z轴固定在所述Y轴的执行端，所述Y轴的执行端控制所述Z轴沿空间的Y轴方向平移；所述Z轴的执行端作为所述三轴运动控制器的执行端，带动所述侧姿调节气缸及线激光扫描测微仪沿空间的Z轴方向平移。
还包括用于保证所述检测实验台上固定组件绝对水平的光学平台。
所述固定座为方形，所述固定座的四个角部分别安装有底脚，所述底脚与所述光学平台固定连接。
所述立铣刀夹具包括连接板、卡体、三个卡爪及调节转盘；所述卡体用于实现所述卡爪的周向限位及支撑，每个所述卡爪与所述调节转盘通过平面矩形螺纹连接，所述平面矩形螺纹的螺距相等；所述调节转盘通过所述连接板固定安装于所述电动旋转平台的旋转台面上。
一种立铣刀线激光在机磨损状态检测方法，包括下述步骤：
(1)模拟立铣刀在机状态：启动电动旋转平台带动待检测立铣刀保持怠速转动，模拟铣床内立铣刀在加工完工件回到初始位置时的状态；
(2)标定测量的初始位置：控制线激光扫描测微仪进行点位运动寻找待检测立铣刀的空间位置，所述线激光扫描测微仪的线激光束垂直于待检测立铣刀的轴线，调整所述线激光扫描测微仪的位姿以及与所述待检测立铣刀的相对位置，快速标定测量的初始位置；
(3)获得初始位置的侧刃后刀面磨损量：使用所述线激光扫描测微仪扫描待检测立铣刀在初始位置的边缘位置并得到当前截面的线性激光遮光量，得到所述待检测立铣刀在当前截面的最大直径值，通过与未磨损状态下的立铣刀在当前截面的直径进行对比，获取所述待检测立铣刀当前截面侧刃的径向变化量，再换算成所述待检测立铣刀当前截面的侧刃后刀面磨损量；所述侧刃后刀面磨损量与径向变化量的关系为:
其中，VB为待检测立铣刀侧刃后刀面磨损量；α为立铣刀侧刃的前角；γ为立铣刀侧刃的后角，β为立铣刀的螺旋角，△D为当前截面侧刃直径的变化量；△D/2为当前截面侧刃径向变化量；
(4)获得磨损区域侧刃后刀面磨损量：沿着待检测立铣刀的轴线方向移动所述线激光扫描测微仪，经过线激光扫描测微仪沿待检测立铣刀轴向切削深度范围内的多次位移进给，对待检测立铣刀磨损区域不同截面的边缘位置进行扫描，使用公式(1)进行计算，从而获得待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量；
(5)通过对步骤(3)与(4)得到的不同截面的侧刃后刀面磨损量进行数据处理得到所述待检测立铣刀的磨损状态数据。
对步骤(3)、(4)获得的待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量进行拟合并构建出待检测立铣刀侧刃磨损区域平面数值曲线图。
对步骤(3)、(4)获得的待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量进行统计运算，得到的平均值即为后刀面平均磨损宽度VBave，得到的最大值即为后刀面最大磨损宽度VBmax；将各截面处的侧刃后刀面磨损量进行积分，即可得到侧刃后刀面磨损面积AVB。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的检测方法运用线性激光扫描测量技术获得的线性激光遮光量作为依据计算立铣刀的磨损量，避开了铣刀的三维形貌的构建环节，提高了磨损检测的精度并简化了检测流程，实现检测效率和效果的双向提升。而且，容易标定，定位精度和重复定位精度高，能够实现快速、精准的立铣刀磨损检测。
2、本发明的检测方法为线激光式测量，便于实现自动化和无线传输等，提高了工厂生产效率。
3、本发明的检测实验台利用线激光边缘检测技术对立铣刀侧刃在机磨损状态进行检测，能够及时获得铣刀的实时磨损状态，结构简单，稳定性好，能够实现快速、精准的在机立铣刀磨损检测。
4、本发明的检测实验台中采用的立铣刀夹具采用螺距相等的平面矩形螺纹连接调节转盘与各个卡爪，有自动定心作用，而且，在可以适应多种直径、不同数目切削刃的立铣刀测量夹持的同时，还有着很高的定心精度和重复定位精度，满足了激光检测实验所需要的高精度要求。
附图说明
图1所示为本发明检测实验台的结构示意图；
图2所示为立铣刀夹具的结构示意图；
图3所示为立铣刀半径变化量与侧刃后刀面磨损量关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台的结构示意图如图1所示，包括检测控制与实现模块、三轴运动控制器1、线激光扫描测微仪2、侧姿调节气缸3、电动旋转平台6、立铣刀夹具7及固定座10；立铣刀8安装在立铣刀夹具7上。所述三轴运动控制器1安装于所述固定座10上。所述三轴运动控制器1的执行端安装有所述侧姿调节气缸3，所述侧姿调节气缸3的执行端安装有所述线激光扫描测微仪2。所述侧姿调节气缸3用于调整所述线激光扫描测微仪1与立铣刀8的空间相对位置。与所述线激光扫描测微仪2相对的位置设置有所述电动旋转平台6，所述电动旋转平台6的旋转台面上安装有所述立铣刀夹具7，电动旋转平台6带动立铣刀夹具7及立铣刀8保持怠速转动，模拟铣床内立铣刀在加工完工件回到初始位置时的状态。所述检测控制与实现模块分别与所述三轴运动控制器1、侧姿调节气缸3及线激光扫描测微仪2连接，所述检测控制与实现模块通过控制所述三轴运动控制器1及侧姿调节气缸3的动作实现所述线激光扫描测微仪2对立铣刀8相对位置的调整，并实现对扫描初始位置的快速标定及所述线激光扫描测微仪2的测量数据监测和获取；所述线激光扫描测微仪2发出的线激光束沿被测立铣刀的轴线方向移动。所述检测控制与实现模块可以采用PC机。
本实施例中，所述三轴运动控制器1包括X轴1-3、Y轴1-2和Z轴1-1，所述X轴1-1固定在所述固定座10上，所述Y轴1-2固定在所述X轴1-1的执行端，所述X轴1-1的执行端控制所述Y轴1-2沿空间的X轴方向平移；所述Y轴1-2的悬空端通过滑块4和导轨5与所述固定座10滑动连接，以保证Y轴1-2在运动过程的稳定性，防止发生抖动。所述Z轴1-3固定在所述Y轴1-2的执行端，所述Y轴1-2的执行端控制所述Z轴1-3沿空间的Y轴方向平移；所述Z轴1-3的执行端作为所述三轴运动控制器1的执行端，带动所述侧姿调节气缸3及线激光扫描测微仪2沿空间的Z轴方向平移。
还包括光学平台9，所述光学平台9用于保证本发明的检测实验台上固定组件的绝对水平，为实验中线激光平面与立铣刀8轴线的垂直度要求提供良好的硬件条件。
所述固定座10为方形，所述固定座10的四个角部分别安装有底脚11。
所述立铣刀夹具7的结构示意图如图2所示，包括连接板12、卡体13、三个卡爪15及调节转盘16，所述卡体12用于实现所述卡爪15的周向限位及支撑，每个所述卡爪15与所述调节转盘16通过平面矩形螺纹连接，所述平面矩形螺纹的螺距相等。所述卡体13上设置有注油孔14。所述调节转盘16通过所述连接板12固定安装于所述电动旋转平台6的旋转台面上。转动调节转盘16时，通过调节转盘16内部平面矩形螺纹与三个卡爪15底部螺纹的传动，带动三块卡爪15同时趋近或离散。因为平面矩形螺纹螺距相等，所以三个卡爪15运动距离相等，有自动定心作用。此夹具是在原有的三爪卡盘的基础上加以改进，较三爪卡盘省去了一个锥齿轮传动环节。因此这种轻、薄的夹具更适合工件测量夹持，可以在适应多种直径、不同数目切削刃的立铣刀测量夹持的同时，还有着很高的定心精度和重复定位精度，以此来满足激光检测实验所需要的高精度要求。
本发明的立铣刀线激光在机磨损状态检测方法包括下述步骤：
(1)测量前对完成加工的立铣刀使用切削液、***等进行清理，以清洁和冷却立铣刀边缘；
(2)模拟立铣刀在机状态：启动电动旋转平台6带动待检测立铣刀8保持怠速转动，模拟铣床内立铣刀在加工完工件回到初始位置时的状态；
(3)标定测量的初始位置：控制线激光扫描测微仪2进行点位运动寻找待检测立铣刀8的空间位置，所述线激光扫描测微仪2的线激光束垂直于待检测立铣刀8的轴线，调整所述线激光扫描测微仪2的位姿以及与所述待检测立铣刀8的相对位置，快速标定测量的初始位置；
(4)获得初始位置的侧刃后刀面磨损量：使用所述线激光扫描测微仪2扫描待检测立铣刀8在初始位置的边缘位置并得到当前截面的线性激光遮光量，得到所述待检测立铣刀8在当前截面的最大直径值，通过与未磨损状态下的立铣刀在当前截面的直径进行对比，获取所述待检测立铣刀当前截面侧刃的径向变化量，再换算成所述待检测立铣刀当前截面的侧刃后刀面磨损量；所述侧刃后刀面磨损量与径向变化量的关系示意图如图3所示，关系式为:
其中，VB为待检测立铣刀侧刃后刀面磨损量；α为立铣刀侧刃的前角；γ为立铣刀侧刃的后角，β为立铣刀的螺旋角，△D为当前截面侧刃直径的变化量；△D/2为当前截面侧刃径向变化量；
(5)获得磨损区域侧刃后刀面磨损量：沿着待检测立铣刀的轴线方向移动所述线激光扫描测微仪，经过线激光扫描测微仪沿待检测立铣刀轴向切削深度范围内的多次位移进给，对待检测立铣刀磨损区域不同截面的边缘位置进行扫描，参照步骤(4)的方法利用公式(1)获得待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量。
(6)通过对步骤(4)、(5)得到的所有截面的侧刃后刀面磨损量进行数据处理得到所述待检测立铣刀的磨损状态数据。可以采用下述处理方法：
A、对步骤(4)、(5)获得的待检测立铣刀磨损区域所有截面的侧刃后刀面磨损量进行拟合并构建出待检测立铣刀侧刃磨损区域平面数值曲线图。
B、将步骤(4)、(5)获得的待检测立铣刀各截面处的侧刃后刀面磨损量进行统计运算，得到的平均值即为后刀面平均磨损宽度VBave，得到的最大值即为后刀面最大磨损宽度VBmax；将各截面处的侧刃后刀面磨损量进行积分，即可得到侧刃后刀面磨损面积AVB。
其中，线激光扫描测微仪2测量范围(≤28mm)要大于待检测铣刀8的直径，测量距离大于待检测立铣刀8加工时的轴向切削深度。可以根据实验情况调节平移进给的量程，为后续过程获得更完善的VB值变化曲线，确保立铣刀侧刃磨损量的检测精度。
本发明的检测方法及检测实验台通过对铣刀在机磨损状态的检测的详细设计，达到了快速、精准的立铣刀磨损检测要求，同时，能够模拟铣床工位立铣刀的实际在机状态，包括立铣刀随停工作状态、启停工况下铣刀与传感器的空间相对位置等。本发明的在机的在机立铣刀磨损状态检测实验台结构简单、标定方便、定位与重复定位精度高、非接触式测量，便于实现自动化和无线传输等，提高工厂生产效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台，其特征在于，包括检测控制与实现模块、三轴运动控制器、线激光扫描测微仪、侧姿调节气缸、电动旋转平台、立铣刀夹具及固定座；所述三轴运动控制器安装于所述固定座上；所述三轴运动控制器的执行端安装有所述侧姿调节气缸，所述侧姿调节气缸的执行端安装有所述线激光扫描测微仪；所述侧姿调节气缸用于调整所述线激光扫描测微仪与立铣刀的空间相对位置；与所述线激光扫描测微仪相对的位置设置有所述电动旋转平台，所述电动旋转平台的旋转台面上安装有所述立铣刀夹具；所述检测控制与实现模块分别与所述三轴运动控制器、侧姿调节气缸及线激光扫描测微仪连接，所述检测控制与实现模块通过控制所述三轴运动控制器及侧姿调节气缸的动作实现所述线激光扫描测微仪对立铣刀相对位置的调整，并实现对扫描初始位置的快速标定及所述线激光扫描测微仪的测量数据监测和获取；所述线激光扫描测微仪发出的线激光束沿被测立铣刀的轴线方向移动。
2.根据权利要求1所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台，其特征在于，所述三轴运动控制器包括X轴、Y轴和Z轴，所述X轴固定在所述固定座上，所述Y轴固定在所述X轴的执行端，所述X轴的执行端控制所述Y轴沿空间的X轴方向平移；所述Y轴的悬空端与所述固定座滑动连接，所述Z轴固定在所述Y轴的执行端，所述Y轴的执行端控制所述Z轴沿空间的Y轴方向平移；所述Z轴的执行端作为所述三轴运动控制器的执行端，带动所述侧姿调节气缸及线激光扫描测微仪沿空间的Z轴方向平移。
3.根据权利要求1或2所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台，其特征在于，还包括用于保证所述检测实验台上固定组件绝对水平的光学平台。
4.根据权利要求3所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台，其特征在于，所述固定座为方形，所述固定座的四个角部分别安装有底脚，所述底脚与所述光学平台固定连接。
5.根据权利要求3所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测实验台，其特征在于，所述立铣刀夹具包括连接板、卡体、三个卡爪及调节转盘；所述卡体用于实现所述卡爪的周向限位及支撑，每个所述卡爪与所述调节转盘通过平面矩形螺纹连接，所述平面矩形螺纹的螺距相等；所述调节转盘通过所述连接板固定安装于所述电动旋转平台的旋转台面上。
6.一种立铣刀线激光在机磨损状态检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)模拟立铣刀在机状态：启动电动旋转平台带动待检测立铣刀保持怠速转动，模拟铣床内立铣刀在加工完工件回到初始位置时的状态；
(2)标定测量的初始位置：控制线激光扫描测微仪进行点位运动寻找待检测立铣刀的空间位置，所述线激光扫描测微仪的线激光束垂直于待检测立铣刀的轴线，调整所述线激光扫描测微仪的位姿以及与所述待检测立铣刀的相对位置，快速标定测量的初始位置；
(3)获得初始位置的侧刃后刀面磨损量：使用所述线激光扫描测微仪扫描待检测立铣刀在初始位置的边缘位置并得到当前截面的线性激光遮光量，得到所述待检测立铣刀在当前截面的最大直径值，通过与未磨损状态下的立铣刀在当前截面的直径进行对比，获取所述待检测立铣刀当前截面侧刃的径向变化量，再换算成所述待检测立铣刀当前截面的侧刃后刀面磨损量；所述侧刃后刀面磨损量与径向变化量的关系为:
其中，VB为待检测立铣刀侧刃后刀面磨损量；α为立铣刀侧刃的前角；γ为立铣刀侧刃的后角，β为立铣刀的螺旋角，△D为当前截面侧刃直径的变化量；△D/2为当前截面侧刃径向变化量；
(4)获得磨损区域侧刃后刀面磨损量：沿着待检测立铣刀的轴线方向移动所述线激光扫描测微仪，经过线激光扫描测微仪沿待检测立铣刀轴向切削深度范围内的多次位移进给，对待检测立铣刀磨损区域不同截面的边缘位置进行扫描，使用公式(1)进行计算，从而获得待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量；
(5)通过对步骤(3)与(4)得到的不同截面的侧刃后刀面磨损量进行数据处理得到所述待检测立铣刀的磨损状态数据。
7.根据权利要求6所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测方法，其特征在于，对步骤(3)、(4)获得的待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量进行拟合并构建出待检测立铣刀侧刃磨损区域平面数值曲线图。
8.根据权利要求6所述的立铣刀线激光在机磨损状态检测方法，其特征在于，对步骤(3)、(4)获得的待检测立铣刀磨损区域不同截面的侧刃后刀面磨损量进行统计运算，得到的平均值即为后刀面平均磨损宽度VBave，得到的最大值即为后刀面最大磨损宽度VBmax；将各截面处的侧刃后刀面磨损量进行积分，即可得到侧刃后刀面磨损面积AVB。
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