基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法
【专利摘要】一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口半径测量方法，其特征是它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取、数据的后处理。刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度。刀具的安装是指选择合适角度的量块，将刀具正确安装到夹具上，保证刃口处于合适的测量位置。刀具刃口数据的获取包括：利用激光扫描共聚焦显微镜对刀具刃口进行定位并对焦；分层扫描，获取刃部的三维高度图像。数据的后处理包括数据平滑去噪、数据校准和拟合刃口过渡圆弧。根据激光共焦扫描显微镜获取的刃部，完成刀具刃口过段圆弧表征。本发明可以在不破坏刀具结构的前提下，有效提高刀刃测量精度。
【专利说明】基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量技术，尤其是一种非接触式刀具刃口测量技术，具体地说是一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，刀具在刃磨后，刃口会存在不同程度的微观缺陷，这些微观缺陷最终会影响刀具的切削性能。因此，在刀具刃磨后一般采用钝化的方式对刃口进一步处理。刃口钝化时，刃形以及刃口参数的选择至关重要。目前，常用的刃形有负倒棱、倒圆以及两者混合。负倒棱参数以及倒圆半径会对切削力、切削温度、刀具寿命和加工表面质量产生重要影响。
[0003]评判刀具刃口对加工过程的影响，首先要对刃口进行测量和表征。刀具刃口的精确测量较困难，现有的测量方法主要有光切法、投影法、复印法以及扫描电镜观察法等。其中光切法采用光切显微镜，测量繁琐且不太精确；投影法对刃口截形进行投影放大，再用密切圆测量，只能测量较大的半径值，结果也不太准确；复印法是一种间接测量方法，会受到嵌样、研磨等过程的影响，带来测量误差；扫描电镜观察的精度较高，但须截取刃口断面，是一种破坏式测量方法。
[0004]激光共焦扫描显微镜(LSCM)克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点，只对处于焦面的结构成像，避免了其余部分的影响，精度较高。激光共焦扫描显微镜成像时，把物体分为若干光学断层，逐层扫描成像，层与层之间有高的纵深分辨率，成像图像清晰。LSCM是一种理想的三维显微成像系统，可用于刀具刃口的非破坏式精密测量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有刀具刃口测量方法的精度不高和经济性不好等问题，发明一种基于激光扫描共聚焦技术的刀具刃口测量方法，以提高刀刃测量精度，为刀具刃口的准确表征及后续刃口作用机理研究提供条件。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法，其特征是它包括它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取和数据的后处理；
[0008]( I)所述的刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度；
[0009](2)所述的刀具的安装是指刀具正确安装到夹具上，保证刃口以及两侧前后刀面都有部分被能扫描到；
[0010](3)所述的刀具刃口数据的获取包括:
[0011]步骤一:对刀具刃口进行定位并对焦；先选择低倍物镜，调节X向和Y向位置，将刀具移到观察位置，调节焦点，直到在显示器上可清晰看到刃口图像；[0012]步骤二:旋转测量头，根据实际测量范围需要选择高倍物镜，采用自动测量的方式，由控制器自动调整镜头Z向位移，对刃口进行分层扫描，获取刃部的三维高度图像；
[0013](4)所述的数据的后处理包括以下步骤:
[0014]步骤一:数据平滑去噪；
[0015]步骤二:数据校准；根据采集的高度数据，截取中间附近水平轮廓并计算出刀具的安装倾角；
[0016]步骤三:截取处理后的刃口部分高度数据，进行坐标对齐，采用最小二乘法拟合刃口圆弧。
[0017]所述刀具刃口预处理是指在超声振动清洗机里加入丙酮试剂，将刀具放入其中清洗不少于10分钟。
[0018]所述的安装夹具包括角度量块、定位块、压板、复位弹簧和紧固螺钉；所述角度量块截面形状是直角梯形，所述角度量块的斜面角度Θ由以下公式确定:
[0019]θ=(90。+α0+y0)/2
[0020]式中α。为刀具前角，Y。为刀具后角；
[0021]控制误差在±5°范围内，所述复位弹簧在未安装刀具时处于自然状态，安装刀具后处于压缩状态。
[0022]所述显微镜是激光扫描共聚焦显微镜，综合放大倍率最高为16000，高度测量分辨率不小于0.005um,测量光源为658nm红色半导体激光；所述低倍物镜是指10倍物镜，高倍物镜放大倍数为20、50或100倍物镜。
[0023]所述数据平滑去噪采用加权平均的方法，平滑公式如下所示:
【权利要求】
1.一种基于激光扫描共聚焦技术的数控刀具刃口测量方法，其特征是它包括刀具刃口的预处理、刀具的安装、刀具刃口数据的获取和数据的后处理； (1)所述的刀具刃口的预处理是指对刀具刃口进行清洁，去除刃磨后的刀刃残留碎屑，保证测量精度； (2)所述的刀具的安装是指刀具正确安装到夹具上，保证刃口以及两侧前后刀面都有部分被能扫描到； (3)所述的刀具刃口数据的获取包括: 步骤一:对刀具刃口进行定位并对焦；先选择低倍物镜，调节X向和Y向位置，将刀具移到观察位置，调节焦点，直到在显示器上可清晰看到刃口图像； 步骤二:旋转测量头，根据实际测量范围需要选择高倍物镜，采用自动测量的方式，由控制器自动调整镜头Z向位移，对刃口进行分层扫描，获取刃部的三维高度图像； (4)所述的数据的后处理包括以下步骤: 步骤一:数据平滑去噪； 步骤二:数据校准；根据采集的高度数据，截取中间附近水平轮廓并计算出刀具的安装倾角； 步骤三:截取处理后的刃口部分高度数据，进行坐标对齐，采用最小二乘法拟合刃口圆弧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述刀具刃口预处理是指在超声振动清洗机里加入丙酮试剂，将刀具放入其中清洗不少于10分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的安装夹具包括角度量块、定位块、压板、复位弹簧和紧固螺钉；所述角度量块截面形状是直角梯形，所述角度量块的斜面角度Θ由以下公式确定: θ=(90。+α0+Υ(ι)/2 式中为刀具前角，Ytl为刀具后角； 控制误差在±5。范围内，所述复位弹簧在未安装刀具时处于自然状态，安装刀具后处于压缩状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述显微镜是激光扫描共聚焦显微镜，综合放大倍率最高为16000，高度测量分辨率不小于0.005um,测量光源为658nm红色半导体激光；所述低倍物镜是指10倍物镜，高倍物镜放大倍数为20、50或100倍物镜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述数据平滑去噪采用加权平均的方法，平滑公式如下所示:
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的刀具安装倾角α按以下公式计算，
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用最小二乘法进行刀具刃口圆弧拟合时，拟合残差方程的解及拟合圆弧参数由以下公式给出:
【文档编号】G01B11/00GK103791836SQ201410040986
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】宋树权, 左敦稳 申请人:南京航空航天大学