专利名称：刀具锋利度的光学测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于应用光学领域。它涉及一种应用光学原理测量刀具锋利度的方法，并提供一种实际中可应用的装置。
正如人们所知道的，刀具在机械加工中起着决定性的作用，其主刀刃的性质直接影响被加工工件的表面质量。到目前为止，评价刀具的质量主要是通过测量其侧面和前倾面的磨损进行的。在绝大多数情况下，这些磨损都是用光学显微镜来测量的。Bruins，D.H.的书(Bruins，D.H.&Draeger，H.J.WerkzeugeundWerkzeugmaschinenfuerdiespanendeMetallbearbeitung，CarlVerlagMuenchenWien，1984)中给出了刀具侧面和前倾面的定义和测量方法。Bertani，D.(Bertani，D.;Cetica，M.&Francini，F.FastAutomaticMethodtoMeasuretheRecessionofaBladeEdgeduetoWear，Wear，Vol.105，Nr.4，1985)和Maeda，Y.(Maeda，Y.;Uchida，H.&Yamamoto，A.ContourMappingofCuttingToolFacewiththeAidofDigitalImageProcessingTechnique，Bull.JpnSoc.Precis.Eng.，Vol.21，Nr.2，Jun.1987)等人分别于1985年和1987年给出了自动测量刀具表面磨损的装置。虽然他们将数字化技术和图象处理技术应用于仪器中，但是最基本的放大单元仍然是光学显微镜。而且测量对象仍然是刀具表面的磨损。直接影响加工精度的因素-刀具的刀刃性质，特别是刀刃的半径，直到今天仍然没有人试图测量它。其主要原因就是没有一个适当的测量方法。人们过去传统上所说的刀刃半径是在主观想象刀刃轮廓是一圆弧情况下的圆弧半径r，因为在以前的时间里还没有人对刀刃的真实轮廓形状作具体地研究.本发明在大量的实验基础上认为，用单一参数-即刀刃的圆弧半径r来描述刀刃的几何性质与实际情况极少相符。
本发明的目的是试图利用光学方法测量刀具刀刃的半径，以便能更准确地评价它。其具体任务是，提出一种精确测量刀具刀刃半径的方法，并且提出实现这种方法的一种装置。本发明提出的方法和装置可以应用于各种刀具锋利度的测量和评定。
本发明用两个参数来描述刀刃的几何形状，也就是说，认为刀刃的形状为一椭圆。它可用二个参数-长轴半径a和短轴半径b来描述，如
图1所示。那么以往所说的圆弧半径在这里只是一种特殊情况，即a＝b。
本发明提出的方法基本内容是利用一束激光，在刀刃楔角角平分面内近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，于是将有部分光散射回来。利用光电接收器件在-45°到45°角度范围内测量散射光的强度分布，然后根据入射光的总强度及强度分布，散射光的强度分布和被测件的光学性质计算出刀刃的半径。
利用本发明所述的方法测量刀刃锋利度的具体步骤是1.测量光源的强度PO;
2.测量被测刀刃的反射率R;
3.调整光源和刀具的相对位置，使入射光在刀刃楔角角平分面内近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，此位置作为散射角0度;
4.利用光电接收器在-45°到+45°范围内接收散射光强度分布W(ψ);
5.利用以下公式
及曲线拟合的方法计算出a和b的值。
式中W(P)-在P′处的散射光强度;
PO-入射光的强度;
ΩO-光电接收器对被测点的空间角;
h-刀刃长度的一半;
ψ-被测点的散射角;
φ-光电接收器与XZ平面之夹角;
φO-光轴与Z-轴的夹角.
各参数的几何关系如图2所示.
本发明是建立在利用散射光学理论对刀刃散射光的强度分布进行定量分析基础上的。这就决定了本发明的一个优点，即可以用它来精确地测量刀具的锋利度，以完成评判性的检验工作，这是传统的测量方法无法实现的。因为传统的通过测量刀具磨损来评定刀刃质量的方法是一种间接方法，它无法精确地给出刀刃半径的数值，所以也就无法保证正确地评定刀具刀刃的锋利度。
至于如何实现这种装置，技术措施主要是利用一束激光照射刀具刀刃，同时要有一套机械运动系统(或/和接收器阵列)以实现刀具的运动和在不同角度上测量散射光的强度。测量工作的进行和测量结果的分析处理是由操作软件来控制执行的，而操作软件是依据本发明给出的方法编写的。
图1是刀具刀刃的椭圆模型图。
图1中各符号所代表的意义如下1-刀具侧面，2-刀刃轮廓，B-刀刃与侧面的相切点，a-椭圆长轴半径，b-椭圆短轴半径，β-刀具楔角.
图2是测量中各参数的几何关系图.
图2中各符号所代表的意义如下3-光电接收器，4-刀具.
图3是说明本发明提供装置的机械部分结构原理图.
图3中各符号所代表的意义如下
M1...M4-步进电机，5，17-底座，6，9-导轨，7，10-滑橇，8，11-螺杆，12-试件夹座，13-调整钮，14，15-转动臂，16-光电接收器，18-半导体激光器.
下面结合附图具体介绍体现本发明思想的一个实施范例。
依据本发明的方法，所设计的测量装置应包括机械部分和电器部分。其中机械部分应使光电接收器在不同角度处接收散射光的强度，同时还要保证入射光在近垂直的方向上照射刀刃，这点是根据从与刀具平行安装的反射镜反射回来的光束方向来调整的。整个机械系统可分为接收器运动部分和被测件运动部分，其全部运动由四个步进电机驱动。步进电机M1和M2通过螺杆8，11可带动滑橇7，10在导轨6，9上运动，从而使被测刀具及与刀具平行的反射镜随同与滑橇10相连接的试件夹座12一起运动。接收器运动部分可使光电接收器16分别绕水平和竖直两个轴转动，从而达到对散射光信号在正确位置上进行扫描测量的目的。固定在转动臂14上的光电接收器16在步进电机M3的驱动下可绕竖直轴转动，在进电机M4的驱动下又可绕水平轴转动。
电器部分的功能是驱动机械部分的正确运动，激光器的驱动，散射信号的采集，存储和计算。被测刀刃上的散射光被光电接收器16(光电二极管或CCD摄像机等)接收后经由放大器，解调器和A/D转换器转换为数字信号后存入计算机，同时光电接收器的位置信号也被存储，为进一步的处理做好准备。
在后继的处理步骤中，将根据已经获得的这些数据信息计算出刀具的长轴半径和短轴半径，从而得知刀具的锋利程度。
实施上述建议措施的器材主要包括-高度灵敏的光电接收器，如光电二极管或CCD摄像机;
-能够带动光电接收器绕二个轴转动的机械系统;
-能够带动被测刀具在一平面内运动的机械系统;
-一个与刀具平行安装的反射镜;
-一个激光光源及其准直系统;
-能够将散射光强度信号转换为数字信号并存储起来的电器系统.
装置的操作方法是由本发明所提供的测量方法所决定和派生的。它主要体现为计算机程序的形式。
包括计算机程序在内的计算机控制着整个系统的运行操作。计算机通过其接口控制被测刀具和光电接收器的运动。同时光电接收器的信号经电路处理后变为数字信号存入计算机，计算机根据这些信号进行进一步的处理。作为一个完整的系统，计算机还包括诸如键盘，监视器，打印机等。
关于本发明的基本实施方案，除本文前面给出的那些方法和措施之外，还可以包括下面这些附加措施-为达到快速测量的目的，可用一光电接收器阵列代替单一光电接收器的扫描，-测量刀刃散射光的范围可扩大到半个空间
权利要求
1.一种测量刀刃锋利度的测量方法，其特征在于利用一束激光，在刀刃楔角角平分面内近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，利用光电接收器件在散射角±45°角度范围内测量散射光的强度分布，按照以下公式计算出刀刃半径并以曲线拟合的方法求出a和b
式中W(P′)--在P′处的散射光强度；P0--入射光的强度；Ω0--光电接收器对被测点的空间角；h--刀刃长度的一半；ψ--被测点的散射角；φ--光电接收器与xz平面之夹角；φ0--光轴与z轴的夹角。
2.根据权利要求1所述方法设计的测量装置，包括机械部分和电器部分，其特征在于机械部分为接收器运动部分和被测件运动部分，包括步进电机M1、M2、M3、M4，底座[5]、[17]，导轨[6]、[9]，滑橇[7]、[10]，螺杆[8]、[11]，试件夹座[12]，调整钮[13]，转动臂[14]、[15]，光电接收器[16]，半导体激光器[18]，全部运动由四个步进电机M1、M2、M3、M4驱动，步进电机M1和M2通过螺杆[8]，[11]带动滑橇[7]，[10]在导轨[6]，[9]上运动，从而使被测刀具及与刀具平行的反射镜随同与滑橇[10]相连接的试件夹座[12]一起运动，接收器运动可使光电接收器[16]分别绕水平和竖直两个轴转动，固定在转动臂[14]上的光电接收器[16]在步进电机M3的驱动下可绕竖直轴转动，在步进电机[14]的驱动下又可绕水平轴转动。
全文摘要
本发明提出了测量刀具锋利度的光学测量方法，其主要步骤是用一束激光在刀刃楔角角分线方向上近垂直照射刀刃，用光电接收器在一定范围内接收散射光的强度分布，然后根据这一分布，刀具材料的性质以及所用光源的性质计算出刀刃在所测点处的半径。
文档编号G01N21/47GK1081249SQ9210558
公开日1994年1月26日 申请日期1992年7月7日 优先权日1992年7月7日
发明者唐文彦 申请人:哈尔滨工业大学