一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法。

背景技术：
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圆弧修光刃金刚石刀具由于其高硬度和耐磨性、低摩擦因数、加工时便于对刀、极小的刃口钝圆半径、低表面粗糙度和平滑的刃口等特点，已经成为超精密加工中不可或缺的一环。刀尖圆弧半径、刀尖圆弧波纹度、前刀面粗糙度值、后刀面粗糙度值和刃口钝圆半径是目前衡量圆弧修光刃金刚石刀具制造水平的重要标准；其中，金刚石刀具因参与数控插补，决定切削刃形状精度的刀尖圆弧波纹度会影响加工零件的轮廓精度和表面粗糙度，进行金刚石刀具研磨加工时需要严格控制刀尖圆弧波纹度的大小。

目前高精度金刚石刀具技术指标要求研磨制造的金刚石刀具，切削刃在60°刀尖圆弧内波纹度50nm，前后刀面粗糙度ra10nm，刃口钝圆半径100nm；目前，国际上英国、日本、加拿大、韩国等国家已能研磨出符合上述技术指标的高精度金刚石刀具，而国内致力于研究金刚石刀具制造技术的科研院所已经可以调控切削刃钝圆半径、前后刀面粗糙度值，使其达到国际先进水平，但仍不能有效控制刀尖圆弧波纹度指标。

若要提高金刚石刀具研磨加工的水平，不仅依赖于高精度的研磨加工机床及完备的金刚石刀具研磨加工理论，还需要高精度的在位检测评价手段对其后刀面的真实形貌进行检定，以指导金刚石刀具研磨加工工艺。目前，用于金刚石刀具圆弧波纹度检测的方法大多是基于庞大检测系统的离线检测手段，这意味着如果检测结果显示金刚石刀具圆弧波纹度没有达到技术要求，就需要重新装夹刀具再次进行研磨加工，而二次装夹造成的定位误差极不利于基于圆弧波纹度检测结果对研磨加工过程、机床参数进行修正。因此，对金刚石刀具圆弧波纹度在位检测技术的研究具有重要意义和实用价值。

目前国内外关于金刚石刀具圆弧波纹度检测的研究资料较少，也没有行之有效的检测手段。刀尖圆弧半径在1-5mm、圆弧包角在120°以内的高精度金刚石刀具，其圆弧波纹度误差最小可达0.05μm/60°或0.1μm/120°，这需要高精度的检测系统对其加工误差进行测量。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，用以解决上述问题，满足对金刚石刀具后刀面圆弧波纹度精确测量的需要。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在金刚石刀具研磨机床上搭建基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置，确保c_lvdt传感器的测量方向与金刚石刀具研磨机床进给箱的进给方向平行；

步骤二：在金刚石刀具研磨机床摆轴上安装标准球，将c_lvdt传感器对准研磨机床摆轴回转中心位置，同时通过c_lvdt传感器专用夹具的水平珠调整c_lvdt传感器的水平状态；

步骤三：开启基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源，通过调整金刚石刀具研磨机床进给箱与c_lvdt传感器的相对位置，确保c_lvdt传感器测头与标准球表面接触后，标准球转动整周时c_lvdt传感器所测径向变动量在量程范围内，然后对标准球进行调心，使标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于1μm；

步骤四：恒温控制在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，在位测量装置静置半小时，然后等待其达到稳定状态；

步骤五：设定研磨机床摆轴回转角度360°，转动角速度1°/s，数据采集卡的采样频率100hz，通过采集控制及数据处理控制计算机完成36000个数据点的采集，从0°开始每隔0.1°取当前点测量值、其左侧5个点测量值和右侧5个点测量值共11个点的平均值作为当前角度的采样值，对0°和360°，分别取其右侧5个点和左侧5个点进行计算；

所得采样值结果记为a1(θi)，i＝0,1,2...359；

步骤六：记录研磨机床摆轴在0°时标准球与c_lvdt传感器的接触位置并做标记，取下标准球，控制研磨机床摆轴转动180°，在确保标准球与c_lvdt传感器测头接触位置不变的前提下再次安装标准球，通过进给箱调整摆轴与c_lvdt传感器的相对距离，以确保标准球转动整周时径向变动量在c_lvdt传感器的量程范围内，然后调整标准球与摆轴轴心的偏心量小于1μm；

重复步骤四和步骤五中操作，所得采样值结果记为a2(θi)，i＝0,1,2...359；

步骤七：标定研磨机床摆轴的径向回转误差，通过控制系统软件对原始数据a1(θi)和a2(θi)进行一次低通滤波处理后，再通过一次谐波滤波消除标准球偏心误差，并将标准球圆度误差和研磨机床摆轴径向回转误差分离，得到研磨机床摆轴的径向回转误差；

步骤八：从研磨机床摆轴上卸下标准球，关闭基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源，并从研磨机床上拆卸下c_lvdt在位测量装置，重新安装金刚石刀具刀架，固定好金刚石刀具，然后按照圆弧波纹度要求研磨金刚石刀具的圆锥后刀面至研磨工作完成；

步骤九：金刚石刀具用丙酮擦拭干净但无需从刀架上卸下，重新搭建基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置，确保c_lvdt传感器测量方向与研磨机床进给箱的进给方向平行，然后将c_lvdt传感器测头的对称中心线与金刚石刀具的刀尖圆弧对称中心线对正，并使c_lvdt传感器测头与后刀面接触，同时严格确保c_lvdt传感器的水平状态；

步骤十：再次开启基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源，通过调整金刚石刀具研磨机床进给箱与c_lvdt传感器的相对位置，确保c_lvdt传感器测头与金刚石刀具后刀面接触时，刀具转动引起的径向变动量在量程范围内；

步骤十一：恒温控制在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，在位测量装置静置半小时，然后等待其达到稳定状态；

步骤十二：根据研磨后金刚石刀具后刀面的圆弧包角范围设定研磨机床摆轴的回转角度，摆轴回转角速度设为2°/s，数据采集卡采样频率设为1000hz，通过采集控制及数据处理控制计算机进行数据采集；

步骤十三：利用数据处理程序1.0对步骤十二中采集所得的原始数据进行处理，先进行一次低通滤波，再根据步骤七中所得标定结果，减去相应角相位的摆轴径向回转误差，得到修正后的金刚石刀具后刀面轮廓误差数据，最后采用最小二乘圆法进行圆弧拟合，计算得到金刚石刀具在该截面的刀尖圆弧半径，同时采用通带范围更小的带通滤波得到金刚石刀具在该截面的后刀面圆弧波纹度数据。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤二中，所用标准球安装在一个精密二维微位移平台上，

⑴、将精密二维微位移平台安装于研磨机床摆轴上后，利用千分表对标准球进行粗测量；

⑵、通过调节微位移平台，确保标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于10μm。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述步骤三中调整标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于1μm的方法是：

⑴、设置研磨机床摆轴的回转模式为手动，通过数据采集程序1.0设置在位测量装置处于实时采集状态，然后手动旋转研磨机床摆轴，

⑵、通过采样数据的动态显示结果观察因偏心量引起的标准球径向跳动量的变化，据此调节精密二维微位移平台，直至采样数据的动态显示结果变化量小于1μm。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤四中，在位测量装置静置半小时后，使在位测量装置的测头接触标准球某一固定位置进行动态监测，观察测量数据至动态显示结果无漂移，即可认为在位测量装置已达到稳定状态。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤七的具体步骤如下：

⑴、对采样所得的两组数据a1(θi)和a2(θi)(i＝0,1,2...359)分别进行一次低通滤波处理，去除高频噪声信号，低通滤波后两组数据变为t1(θi)和t2(θi)(i＝0,1,2...359)；

⑵、对两组数据t1(θi)和t2(θi)(i＝0,1,2...359)再进行一次谐波滤波，消除标准球偏心误差，消除偏心误差的具体过程是：

t′1(θi)＝δt1(θi)-[a1·cos(θi)+b1·sin(θi)]

t′2(θi)＝δt2(θi)-[a2·cos(θi)+b2·sin(θi)]

式中，δt1(θi)、δt2(θi)、a1、b1、a2和b2均为一次谐波滤波中间变量；

计算所得两组数据t′1(θi)和t2'(θi)(i＝0,1,2...359)即为消除偏心后所得数据；

⑶、分离标准球圆度误差和研磨机床摆轴径向回转误差，得到研磨机床摆轴回转误差的计算步骤如下：

式中：δ(θi)——分离的摆轴的回转误差信号；

r(θi)——分离的标准球的圆度误差信号；

得到的结果δ(θi)(i＝0,1,2...359)即为研磨机床摆轴径向回转误差。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤十一中，在位测量装置静置半小时后，使在位测量装置的测头接触金刚石刀具后刀面某一固定位置进行动态监测，观察测量数据至动态显示结果无漂移，即可认为在位测量装置已达到稳定状态。

有益效果：

1.本发明通过采用标准球标定金刚石刀具研磨机床摆轴径向回转误差，在位采集金刚石刀具后刀面轮廓误差数据，然后进行数据处理，实现了对金刚石刀具圆弧波纹度的精确测量，很好地满足了高精度金刚石刀具制造技术对金刚石刀具圆弧波纹度在位测量技术的需要

2.本发明测量金刚石刀具圆弧波纹度精度较高，测量系统精度达到45nm，且测量过程简洁高效。

附图说明：

图1是本发明的利用标准球对金刚石刀具研磨机床摆轴径向误差进行标定的结构示意图；

图2是本发明c_lvdt夹具结构示意图；

图3是本发明的金刚石刀具研磨机床摆轴径向误差标定结果图；

图4是本发明的调整c_lvdt传感器，使c_lvdt传感器测头的对称线与金刚石刀具的刀尖圆弧对称线对正图；

图5是本发明的测量金刚石刀具圆弧波纹度装置结构示意图；

图6是本发明的测得的金刚石刀具圆弧波纹度数据图。

具体实施方式：

实施例1

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在金刚石刀具研磨机床上搭建基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置，确保c_lvdt传感器的测量方向与金刚石刀具研磨机床进给箱的进给方向平行；如图1所示，

步骤二：在金刚石刀具研磨机床摆轴上安装标准球，将c_lvdt传感器对准研磨机床摆轴回转中心位置，同时通过c_lvdt传感器专用夹具的水平珠调整c_lvdt传感器的水平状态；如图1所示，

步骤三：开启基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源(主要是c_lvdt控制器、采集控制及数据处理控制计算机)，通过调整金刚石刀具研磨机床进给箱与c_lvdt传感器的相对位置，确保c_lvdt传感器测头与标准球表面接触后，标准球转动整周时c_lvdt传感器所测径向变动量在量程范围内，然后对标准球进行调心，使标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于1μm；

步骤四：恒温控制在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，在位测量装置静置半小时，然后等待其达到稳定状态；

步骤五：设定研磨机床摆轴回转角度360°，转动角速度1°/s，数据采集卡的采样频率100hz，通过采集控制及数据处理控制计算机完成36000个数据点的采集。从0°开始每隔0.1°取当前点测量值、其左侧5个点测量值和右侧5个点测量值共11个点的平均值作为当前角度的采样值。对0°和360°，分别取其右侧5个点和左侧5个点进行计算；

所得采样值结果记为a1(θi)，i＝0,1,2…359；

步骤六：记录研磨机床摆轴在0°时标准球与c_lvdt传感器的接触位置并做标记，取下标准球，控制研磨机床摆轴转动180°，在确保标准球与c_lvdt传感器测头接触位置不变的前提下再次安装标准球，通过进给箱调整摆轴与c_lvdt传感器的相对距离，以确保标准球转动整周时径向变动量在c_lvdt传感器的量程范围内，然后调整标准球与摆轴轴心的偏心量小于1μm；

重复步骤四和步骤五中操作，所得采样值结果记为a2(θi)，i＝0,1,2…359；

步骤七：标定研磨机床摆轴的径向回转误差，利用数据处理程序1.0对原始数据a1(θi)和a2(θi)进行一次低通滤波处理后，再通过一次谐波滤波消除标准球偏心误差，并将标准球圆度误差和研磨机床摆轴径向回转误差分离，得到研磨机床摆轴的径向回转误差；如图3所示，

步骤八：从研磨机床摆轴上卸下标准球，关闭基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源(主要是c_lvdt控制器、采集控制及数据处理控制计算机)，并从研磨机床上拆卸下c_lvdt在位测量装置，重新安装金刚石刀具刀架，固定好金刚石刀具，然后按照圆弧波纹度要求研磨金刚石刀具的圆锥后刀面至研磨工作完成；

步骤九：金刚石刀具用丙酮擦拭干净但无需从刀架上卸下，重新搭建基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置，确保c_lvdt传感器测量方向与研磨机床进给箱的进给方向平行，然后将c_lvdt传感器测头的对称中心线与金刚石刀具的刀尖圆弧对称中心线对正，并使c_lvdt传感器测头与后刀面接触，同时严格确保c_lvdt传感器的水平状态；如图4所示，

步骤十：再次开启基于c_lvdt的金刚石刀具圆弧波纹度在位测量装置电源(主要是c_lvdt控制器、采集控制及数据处理控制计算机)，通过调整金刚石刀具研磨机床进给箱与c_lvdt传感器的相对位置，确保c_lvdt传感器测头与金刚石刀具后刀面接触时，刀具转动引起的径向变动量在量程范围内；

步骤十一：恒温控制在位测量装置周围的环境温度为23℃，恒温精度±0.5℃，在位测量装置静置半小时，然后等待其达到稳定状态；

步骤十二：根据研磨后金刚石刀具后刀面的圆弧包角范围设定研磨机床摆轴的回转角度，摆轴回转角速度设为2°/s，数据采集卡采样频率设为1000hz，通过采集控制及数据处理控制计算机进行数据采集；

步骤十三：利用数据处理程序1.0对步骤十二中采集所得的原始数据进行处理，先进行一次低通滤波，再根据步骤七中所得标定结果，减去相应角相位的摆轴径向回转误差，得到修正后的金刚石刀具后刀面轮廓误差数据，最后采用最小二乘圆法进行圆弧拟合，计算得到金刚石刀具在该截面的刀尖圆弧半径，同时采用通带范围更小的带通滤波得到金刚石刀具在该截面的后刀面圆弧波纹度数据，计算结果如图6所示。

实施例2

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤二中，所用标准球安装在一个精密二维微位移平台上，

⑴、将精密二维微位移平台安装于研磨机床摆轴上后，利用千分表对标准球进行粗测量；

⑵、通过调节微位移平台，确保标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于10μm。

调整并确保c_lvdt传感器水平状态的方法是：在安装c_lvdt传感器于专用夹具的同时，观察c_lvdt传感器专用夹具上的水平珠，不断调整磁性表座的支撑杆倾斜程度和微调旋钮，至专用夹具上水平珠的气泡处于中心位置，此时即可认为c_lvdt传感器已经处于水平状态。

实施例3

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述步骤三中调整标准球与研磨机床摆轴轴心的偏心量小于1μm的方法是：

⑴、设置研磨机床摆轴的回转模式为手动，利用数据采集程序1.0设置在位测量装置处于实时采集状态，然后手动旋转研磨机床摆轴，

⑵、通过采样数据的动态显示结果观察因偏心量引起的标准球径向跳动量的变化，据此调节精密二维微位移平台，直至采样数据的动态显示结果变化量小于1μm。

实施例4

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤四中，在位测量装置静置半小时后，使在位测量装置的测头接触标准球某一固定位置进行动态监测，观察测量数据至动态显示结果无漂移，即可认为在位测量装置已达到稳定状态。

实施例5

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，其特征是：所述的步骤七的具体步骤如下：

⑴、对采样所得的两组数据a1(θi)和a2(θi)(i＝0,1,2…359)分别进行一次低通滤波处理，去除高频噪声信号。低通滤波后两组数据变为t1(θi)和t2(θi)(i＝0,1,2…359)。

⑵、对两组数据t1(θi)和t2(θi)(i＝0,1,2…359)再进行一次谐波滤波，消除标准球偏心误差。消除偏心误差的具体过程是：

t′1(θi)＝δt1(θi)-[a1·cos(θi)+b1·sin(θi)]

t′2(θi)＝δt2(θi)-[a2·cos(θi)+b2·sin(θi)]

式中，δt1(θi)、δt2(θi)、a1、b1、a2和b2均为一次谐波滤波中间变量；

计算所得两组数据t′1(θi)和t2'(θi)(i＝0,1,2…359)即为消除偏心后所得数据。

⑶、分离标准球圆度误差和研磨机床摆轴径向回转误差，得到研磨机床摆轴回转误差的计算步骤如下：

式中：δ(θi)——分离的摆轴的回转误差信号；

r(θi)——分离的标准球的圆度误差信号；

得到的结果δ(θi)(i＝0,1,2…359)即为研磨机床摆轴径向回转误差。

实施例6

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所述的步骤十一中，在位测量装置静置半小时后，使在位测量装置的测头接触金刚石刀具后刀面某一固定位置进行动态监测，观察测量数据至动态显示结果无漂移，即可认为在位测量装置已达到稳定状态。

实施例7

实施例1-6所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所使用的机床摆轴径向误差标定装置如图1所示，其组成包括进给箱1，所述的进给箱1的顶面设置研磨机床摆轴2，所述的研磨机床摆轴2的上表面设置二维微位移运动平台3，所述的二维微位移运动平台3上设置三爪夹盘4，所述的三爪夹盘4上设置标准球5，

所述的进给箱1上还设置二维精密运动平台6，所述的二维微位移运动平台6上设置磁性表座7，所述的磁性表座7的横向支杆上设置c-lvdt夹具8，所述的c-lvdt夹具8的上表面设置水平珠9，所述的c-lvdt夹具8的前端设置c-lvdt传感器10，所述的进给箱1与l形支架11的竖向底端连接，所述的l形支架11的横向支杆底设置磁性表座7的竖向支杆，所述的l形支架11的横向支杆上设置ccd体视显微镜12，所述的c-lvdt传感器10配合三爪夹盘4使用。

将研磨机床摆轴2上的二维微位移运动平台3、三爪夹盘4与标准球5更换成刀架17与金刚石刀具16，所述的研磨机床摆轴2上设置刀架17，所述的刀架17上设置金刚石刀具16，所述的金刚石刀具16配合c-lvdt传感器10使用，快速、可靠地对金刚石刀具圆弧波纹度进行在位、准确地测量，填补了金刚石刀具圆弧波纹度在位测量技术的空白。

实施例8

实施例7所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测方法，所使用的机床摆轴径向误差标定装置，所述的c-lvdt夹具8包括传感器支架13，所述的铜套14设置在传感器支架13的首端，所述的传感器支架13的尾端装配有磁性表座7的横向支杆，所述的紧固螺钉15穿过磁性表座7的横向支杆并装配在传感器支架13的尾端，所述的传感器支架13的上顶面设置水平珠9。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。