一种微铣削刀具的偏心量提取方法与流程

本发明属于微铣削加工技术领域，特别是涉及一种微铣削刀具的偏心量提取方法。

背景技术：

现今在众多领域对高精密微型零件的需求正在不断剧增，尤其是在航空航天、生物医学、电子通讯和环保技术等领域。微铣削加工技术在加工复杂微型零部件方面有着其独特的优势，因为微铣削加工技术出现相对较晚，且相对于宏观铣削加工技术有着其特有的尺寸效应等特性，国内外众多学者纷纷对其铣削过程的加工机理进行研究，主要包括铣削力的建模、表面形貌的建模等，目前对于微铣削加工机理研究还处于发展阶段。在微铣削加工机理的研究过程中，刀具的偏心量是影响模型精确性的关键变量，从而准确提取刀具偏心量显得至关重要。

刀具的偏心通常被当作主轴的回转中心与刀具的几何中心的偏离来处理，且基于刀具的几何形状完整或是误差小于偏心量的假设，提取的偏心量是刀具的近底部的值。其中，刀具偏心量主要包括两个参数：一、刀具偏心距离R₀(指主轴回转中心与刀具几何中心的偏移距离)；二、刀具偏心角度γ₀(指刀具偏离的方向与相邻最近刀齿之间的夹角)。对于这两个参数的提取，刀具偏心距提取相对比较容易，而刀具偏心角度提取存在一定的难度。

目前关于偏心量提取的方法有很多种，包括：采用铣削力实验数据代入铣削力模型进行反向标定；采用千分表测量各个刀齿旋转半径之间的差值代入理论模型进行求解；采用实际测量的表面形貌与其理论模型进行分析反向标定。不难发现，上述的偏心量提取方法都有涉及理论模型，提取的精度对模型以及数值计算方法等都有很大的依赖，提取方法复杂，操作繁琐，难度较大。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种微铣削刀具的偏心量提取方法，该方法简单，便于操作。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种微铣削刀具的偏心量提取方法，采用以下步骤：

一)采用激光位移传感器Ⅰ获取微铣刀刀柄外轮廓跳动量数据，采用激光位移传感器Ⅱ获取铣削刀底部外轮廓跳动量数据，所述激光位移传感器Ⅰ和所述激光位移传感器Ⅱ测量方向与刀具主轴的旋转中心线垂直且所处相位相同；

二)采集一个周期内的微铣刀刀柄外轮廓跳动量数据和微铣刀底部外轮廓跳动量数据；

三)提取微铣削刀具的偏心量：

${\mathrm{\γ}}_0=\arcsin \frac{\mathrm{\Δ}h*{\mathrm{sin\γ}}_1*{\mathrm{sin\γ}}_2}{R*({\mathrm{sin\γ}}_2-{\mathrm{sin\γ}}_1)}$

$R_0=\frac{\mathrm{\Δ}h}{2}\sqrt{\frac{4*R^2-{\mathrm{\Δh}}^2}{4*R^2*{\cos }^2{\mathrm{\γ}}_0-{\mathrm{\Δh}}^2}}$

其中，γ₀-刀具偏心角度；R₀-刀具偏心距离；R-刀具半径；Δh-位于偏心线两侧且距离偏心线最近的刀齿C和刀齿F有效切削半径差值，等于刀齿C与刀齿F经过激光位移传感器Ⅱ时跳动量数据的差值，通过步骤二)获得；γ₁-离偏心线最近且处于偏心正半轴区域内的刀齿C和刀具主轴回转中心O连线与偏心线BE的夹角，等于刀齿C经过激光位移传感器Ⅱ时对应时刻t₂与刀柄距离传感器最近端B经过激光位移传感器Ⅰ时对应时刻t₁的时间差Δt₁乘以刀具主轴转速，刀具主轴转速已知，时间差Δt₁可通过步骤二)获得；γ₂-离偏心线最近且处于偏心负半轴区域内的刀齿F和刀具主轴回转中心O连线与偏心线BE的夹角，等于刀齿F经过激光位移传感器Ⅱ的时刻t₄与刀柄距离传感器最远端E经过激光位移传感器Ⅰ的对应时刻t₃的时间差Δt₂乘以刀具主轴转速，时间差Δt₂通过步骤二)获得；

所述激光位移传感器Ⅰ和所述激光位移传感器Ⅱ固定在竖直设置的传感器支架上，所述传感器支架固定在水平设置的分度盘上，所述激光位移传感器Ⅰ和所述激光位移传感器Ⅱ测量方向沿所述分度盘的同一径向设置且所处相位相同；

所述分度盘安装在Z向精密位移平台上，所述Z向精密位移平台安装在X向精密位移平台上，所述X向精密位移平台安装在Y向精密位移平台上，所述Y向精密位移工作台固定在微铣削机床工作台上。

所述X向精密位移平台、所述Y向精密位移平台、所述Z向精密位移平台和所述分度盘各设有一手动摇把。

本发明具有的优点和积极效果是：基于测量传感器的测量数据，通过几何计算提取微铣削刀具的偏心量，易于实现对刀具偏心量的精确提取，可操作性好、可移植性强，可应用于微铣削加工技术领域，实用性强，市场前景广阔，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明应用的结构示意图；

图2为应用本发明的刀具偏心示意图；

图3为本发明应用时调整传感器Ⅰ和传感器Ⅱ测量方向相对主轴旋转中心的位置示意图；

图4为本发明应用时传感器Ⅰ的测量示意图；

图5为本发明应用时传感器Ⅱ的测量示意及微微铣刀的偏心量提取原理图；

图6为本发明步骤二)采集的数据曲线图。

图中：1、X向精密位移平台；2、手动摇把；3、分度盘；4、激光位移传感器Ⅱ；5、传感器支架；6、激光位移传感器Ⅰ；7、刀具夹具；8、微铣刀；9、手动摇把；10、手动摇把；11、Z向精密位移平台；12、手动摇把；13、Y向精密位移平台；O、刀具主轴回转中心；O′、刀齿部分几何中心；O″、刀柄部分几何中心；O′与O″水平投影重合；O₀、分度盘几何中心；A、刀齿A位置；C、刀齿C位置；D、刀齿D位置；F、刀齿F位置；B、刀柄距离传感器最近端；E、刀柄距离传感器最远端。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图6，一种微铣削刀具的偏心量提取方法，采用以下步骤：

一)采用激光位移传感器Ⅰ6获取微铣刀刀柄外轮廓跳动量数据，采用激光位移传感器Ⅱ4获取铣削刀8底部外轮廓跳动量数据，所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4所处相位相同。所述微铣刀8通过刀具夹具7装夹在刀具主轴上。

二)采用一个周期内的微铣刀刀柄外轮廓跳动量数据和微铣刀底部外轮廓跳动量数据。

三)提取微铣削刀具的偏心量：

${\mathrm{\γ}}_0=\arcsin \frac{\mathrm{\Δ}h*{\mathrm{sin\γ}}_1*{\mathrm{sin\γ}}_2}{R*({\mathrm{sin\γ}}_2-{\mathrm{sin\γ}}_1)}$

$R_0=\frac{\mathrm{\Δ}h}{2}\sqrt{\frac{4*R^2-{\mathrm{\Δh}}^2}{4*R^2*{\cos }^2{\mathrm{\γ}}_0-{\mathrm{\Δh}}^2}}$

其中，γ₀-刀具偏心角度；R₀-刀具偏心距离；R-刀具半径；Δh-位于偏心线两侧且距离偏心线最近的刀齿C和刀齿F有效切削半径差值，等于刀齿C与刀齿F经过激光位移传感器Ⅱ4时跳动量数据的差值，通过步骤二)可以获得；γ₁-离偏心线最近且处于偏心正半轴区域内的刀齿C和刀具主轴回转中心O连线与偏心线BE的夹角，等于刀齿C经过激光位移传感器Ⅱ4时对应时刻t₂与刀柄距离传感器最近端B经过激光位移传感器Ⅰ6时对应时刻t₁的时间差Δt₁乘以刀具主轴转速，刀具主轴转速已知而时间差Δt₁可通过步骤二)获得；γ₂-离偏心线最近且处于偏心负半轴区域内的刀齿F和刀具主轴回转中心O连线与偏心线BE的夹角，等于刀齿F经过激光位移传感器Ⅱ4的时刻t₄与刀柄距离传感器最远端E经过激光位移传感器Ⅰ6的对应时刻t₃的时间差Δt₂乘以刀具主轴转速，主轴转速已知而时间差Δt₂通过步骤二)获得。

所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4固定在竖直设置的传感器支架5上，所述传感器支架5固定在水平设置的分度盘3上，所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4测量方向沿所述分度盘3的同一径向设置且所处相位相同，具体地说，为了保证所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4所取数据是同一相位的数据，须保证所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4的测量方向在同一竖直面内、相互平行且与刀具主轴旋转中心线垂直，两个传感器安装位置除了高度外其余均保持一致。

所述分度盘3安装在Z向精密位移平台11上，所述Z向精密位移平台11安装在X向精密位移平台1上，所述X向精密位移平台1安装在Y向精密位移平台13上，所述Y向精密位移工作台13固定在微铣削机床工作台上。

在本实施例中，为了增强可操作性，所述X向精密位移平台1、所述Y向精密位移平台13、所述Z向精密位移平台11和所述分度盘3各设有一手动摇把2、12、10和9。

具体操作过程分三部分：

一)传感器位置调整

首先通过手动摇把10调整Z向精密位移工作台11使得所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4分别对准微铣刀刀柄和微铣刀底部，然后通过手动摇把2、12调整X向精密位移平台1和Y向精密位移平台13，使所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4位于其量程内的合适位置。

接着启动刀具主轴，转速ω，通过手动摇把9调整分度盘3使得所述激光位移传感器Ⅰ6的测量数据在一个周期内峰-谷差值最小，即认为所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4测量方向与刀具主轴的旋转中心线垂直，调整过程可参阅图3。

二)测量信号采集

刀具主轴启动后，开启所述激光位移传感器Ⅰ6和所述激光位移传感器Ⅱ4，采集一个完整周期的测量信号，如图6所示。

三)刀具偏心量提取

如图6所示，激光位移传感器Ⅰ6采集的数据为虚线，其中刀柄距离传感器最近端B经过激光位移传感器Ⅰ6时的跳动量为谷值、刀柄距离传感器最远端E经过激光位移传感器Ⅰ6时的跳动量为峰值，所在时间轴的位置t₁与t₃确定，同样激光位移传感器Ⅱ4采集的数据为实线，其中离偏心线BE最近且处于偏心正半轴区域内的刀齿C经过激光位移传感器Ⅱ4时跳动量为谷值，离偏心线BE最近且处于偏心负半轴区域内的刀齿F经过激光位移传感器Ⅱ4时跳动量为谷值，所在时间轴位置t₂与t₄也可以确定，从而可以获知Δt₁＝t₂-t₁、Δt₂＝t₄-t₃和Δh。

如图5所示，γ₁与γ₂可分别表示为γ₁＝ω*Δt₁、γ₁＝ω*Δt₁，作辅助线垂直于偏心线BE且垂足为M与N，再由几何关系，和可表示为且已知，从而可以得到刀具偏心角度γ₀。其中和又可表示为且已知，刀具偏心角度γ₀已从上面求出，从而可以得到刀具偏心距R₀。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。