CN102410808B - 一种可转位刀片的刃口半径测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种可转位刀片的刃口半径测量装置，它是由传感器支架、直线位移传感器、联轴器、滑杆支架、相切片、刀刃模型、卡槽、滑杆和底座组成，六个直线位移传感器在底座上固定，相邻直线位移传感器的轴线方向夹角相同；每个直线位移传感器用不同高度的传感器支架支撑；直线位移传感器的测量头通过联轴器与滑杆一端相连，滑杆另一端头部连接相同半径的相切片，滑杆从滑杆支架的中部圆孔穿过，在相切片半圆形头部的重合点附近安装有卡槽，将刀片卡入卡槽内将圆片向后推动一段距离，而此距离被采集进PC机并在电脑内用软件进行处理。一种可转位刀片的刃口半径测量方法，它有两大步骤；一、数据采集；二、数据处理。本发明在金属切削加工里有广阔应用前景。

Description

一种可转位刀片的刃口半径测量方法及其装置

技术领域  本发明涉及一种可转位刀片的刃口半径测量方法及其装置。属于金属切削加工技术领域。

背景技术  刀具的刃口钝圆半径是影响刀具切削性能的一个重要因素，直接影响切削力、切削温度和刀具寿命及其一致性。刀具刃口的型式主要有倒圆型和椭圆型刃口。刀具刃口钝圆在加工结束后，需要测量刀具刃口是否达到要求的圆弧半径值，以确定生产的刀具是否符合技术要求。测量刀片刃口圆弧半径比较困难，传统的刀片刃口的测量方法主要是投影法、光切法、轮廓放大法等。其中，投影法比较简单，但对工作环境要求较高，首先必须要有投影屏，另外如果刃口与工作台不垂直则误差较大，且只能测出最大半径值，不能测量椭圆刃口的长短轴；光切法虽然较精确，但测量过程繁琐且计算复杂；轮廓放大法可以测出不同形状的刃口半径，但刀片的安装定位与测量都复杂且费时。可见已有的方法不适应要求高效率高可靠性的现代化刀具生产的在线检测的要求。本发明利用包络线的原理来测量可转位刀片的刃口半径，其原理是利用一组不同安装位置的相等半径大小的圆片与刃口相切，经过计算得到这组圆片对刀具刃口的包络线并转化为刃口半径近似大小的方法。本发明克服了传统方法缺点，实现了高效高精度的测量，平且对测量环境的要求较低并且可测量任意形状的刃口形状。

发明内容  本发明的目的在于提供可以在生产线上使用的一种可转位刀片的刃口半径测量方法及装置，它克服了现有技术的不足，效率高且精度高。

1)本发明一种可转位刀片的刃口半径测量装置，它是由传感器支架、直线位移传感器、联轴器、滑杆支架、相切片、卡槽、滑杆和底座组成，它们之间的位置连接关系是：六个直线位移传感器在底座上固定，相邻直线位移传感器的轴线方向夹角相同；每个直线位移传感器用不同高度的传感器支架支撑；直线位移传感器的测量头通过联轴器与滑杆一端相连，滑杆另一端头部连接相同半径的相切片(六个相切片头部圆孔在非工作状态下保持重合，重合点为坐标系原点)。滑杆从滑杆支架的中部圆孔穿过，为保证滑动顺畅可以涂机油润滑。在相切片半圆形头部的重合点附近安装有卡槽，将刀片卡入卡槽内可以将相切片向后推动一段距离，而这些距离可以被采集进PC机并在电脑内用软件进行处理。

所述传感器支架是底部两边代凸耳、中部设置有圆孔的长方体状件，加工方法为铣削；

所述直线位移传感器是圆柱状件，测量范围0～100mm，分辨力0.05μm；

所述联轴器是加工的普通小联轴器，用定位销与测量杆、滑杆相连，加工方法为车削；

所述滑杆支架是中部设置有圆孔的L型金属结构支架，加工方法为钣金或铣削；

所述相切片是形状为长方形薄板的加工零件，一端为半圆形，另一端末端带有6×10mm的凹槽，加工方法为线切割；

所述卡槽是由一长方体和方形底板构成，长方体立于方形底板角端，其中，长方体一长边开有2×2×16mm长方形凹槽，加工方法为铣削；

所述滑杆是圆柱杆状件，加工方法为车削，并在一端沿直径方向进行线切割切出一厚度1mm，长度16mm的通槽，可以将相切片的凹槽插入其中，并用定位销固定；

所述底座是四分之一圆的金属结构件，加工方法为线切割底板后，用数控机床打孔。

其中，该直线位移传感器的型号规格是ZKL-A型(LVDT)；

其中，该联轴器的内径为5-7mm；

其中，该相切片的外形尺寸为80×5×1mm；

其中，该卡槽的长方体及底板尺寸分别为12×12×14mm和35×35×2mm；

其中，该滑杆的外形尺寸为φ6×119.5mm；

其中，该底座的半径为200-400mm，厚度为3-5mm。

2)一种可转位刀片的刃口半径测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：数据采集。使用时，刀具测量员将待测刀片用手插入卡槽，使刀具后刀面与卡槽凹槽的一边相接处，同时将刀片的刃口顶到卡槽的内角，该过程为定位。定位过程中，刀刃将推动六个相切片沿直线位移传感器的轴线方向各向后移动一段距离。待刀具定位稳定后，进行数据采集。直线位移传感器的位移量用电压差值的形式表示，经过采集经USB借口输入PC机转化为位移量，这六个位移量将经过软件处理得到刃口的长短轴半径，数据处理软件为MATLAB。

步骤二：数据处理。软件处理的具体步骤如下：

1)输入六根杆的直线位移，输入六根杆的实际角度和相切片头部圆形片的实际半径(可标定，即测量出实际角度和半径的大小，并用软件修正)；

2)计算圆片的实际圆心位置(可标定，即测量初始的圆心位置与原点的误差)；

3)计算六个圆两两相交后靠近刃口的五个交点，并用图形输出交点位置；

4)利用六个相同大小的圆片与刀具刃口相切得到的靠近刃口的五个交点的坐标作为数据点(非切点，但在误差允许范围内)，建立椭圆模型，如式(1)所示：

x²+Exy+Ay²+Bx+Cy+D＝0                  (1)

其中，E＝0，因为利用两边呈90°的卡槽可以卡住刀片的后刀面与刀尖顶部，使坐标系内的椭圆为正椭圆，从而消除xy项；A为短轴与长轴的比值，B、C决定椭圆圆心的坐标，D为常数项，x、y分别表示椭圆曲线上一点的坐标。

5)对五个交点的坐标进行最小二乘法拟合，转化为线性方程，如式(2)所示：

$\left[\begin{array}{cccc}{y}^4& {\mathrm{xy}}^2& y^3& y^2\\ {\mathrm{xy}}^2& x^2& \mathrm{xy}& x\\ y^3& \mathrm{xy}& y^2& y\\ y^2& x& y& N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{x}^2{y}^2\\ x^3\\ x^{2}y\\ x^2\end{array}\right]---\left(2\right)$

求出二次曲线的四个未知参数；

6)转化二次曲线公式为标准式，得到刃口的长短轴半径和椭圆圆心。

应用本发明测量快速，精度高。经过仿真发现，测量刃口半径大于30μm的椭圆或圆形刃口时，精度小于15％，达到目前公认的测量标准。本发明适用于刀具生产线上的在线检测，测量员只需将刀片卡入卡槽即可进行读数，得到近似结果，符合现代化生产线的需求。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是刀刃与圆片相切部分的示意图。

图3是数据处理流程图。

图4是标准对比法结果示意图。(实测数据点为20μm和55μm的刃口半径)

图中符号说明如下：

1传感器支架；2直线位移传感器；3联轴器；4滑杆支架；5相切片；6卡槽；7滑杆；8底座。

具体实施方式

1)本发明一种可转位刀片的刃口半径测量装置，它是由传感器支架1、直线位移传感器2；联轴器3、滑杆支架4、相切片5、卡槽6、滑杆7和底座8组成，它们之间的位置连接关系是：六个直线位移传感器2在底座8上固定，相邻直线位移传感器2的轴线方向夹角相同；每个直线位移传感器2用不同高度的传感器支架1支撑；直线位移传感器的2测量头通过联轴器3与滑杆7一端相连，滑杆7另一端头部连接相同半径的相切片5(六个相切片头部圆孔在非工作状态下保持重合，重合点为坐标系原点)。滑杆7从滑杆支架4的中部圆孔穿过，为保证滑动顺畅可以涂机油润滑。在相切片5半圆形头部的重合点附近安装有卡槽6，将刀片卡入直角卡槽6内可以将相切片5向后推动一段距离，而这些距离可以被采集进PC机并在电脑内用软件进行处理。其中，该直线位移传感器2的型号规格是ZKL-A型(LVDT)；该联轴器3的内径为6mm；该相切片5的外形尺寸为80×5×1mm；该卡槽6的长方体及底板尺寸分别为12×12×14mm和35×35×2mm；该滑杆7的外形尺寸为φ6×119.5mm。

测量设备底座8为一个四分之一圆的薄钢板，圆半径为300mm，板厚为4mm，圆心坐标设为(0，0)；在圆心处安装一90°卡槽6，卡槽6两边距离圆心2mm，即交点为(2，2)。这样，每一次测量时，相同半径的刃口将位于同一位置。相邻直线位移传感器2的轴线方向呈10°夹角(六个圆片与底座底边呈20°、30°、…、70°)；每个传感器支架1为不同高度且相互交错，以保证不同的相切片5位于不同水平面，轴线所在水平面之间的距离为1.5mm。测量用的相切片5实际是头部加工成15mm半圆的长方形薄板，最下面一层相切片5与最上面一层的间距为6.5mm，即可测出尺寸大于6.5mm刀片的刃口半径。直线位移传感器2精度范围要求0.05～0.1μm，应用程序读取数据时取小数点后前三位。

2)本发明一种可转位刀片的刃口半径测量方法，该方法具体步骤如下：：

步骤一：数据采集，即测量过程。由于制作误差的存在，在正式测量前首先应该进行误差标定，标定内容为：六个相切片5前段半圆的实际半径、六根轴的实际轴线角度、六个相切片5前段半圆圆心的位置。将测得的数据在软件中相应位置(详见表2中的算法程序)进行修改，可以提高精度。测量时，将刀片用手卡入固定在测量设备底座8上的卡槽6，使用头部连有相切片5的六个直线位移传感器2记录刃口推动相切片5向后移动的距离，将采集到的数据输入PC机进行软件处理。

步骤二：数据处理。数据处理软件为MATLAB，处理流程见图3，源代码见表2。首先，需要对刀具刃口进行建模。利用六个相同大小的相切片5与刀具刃口相切，求出六个相切片5靠近刃口的五个交点的坐标，作为数据点(非切点，但在误差允许范围内)；建立椭圆模型，如式(1)所示：

x²+Exy+Ay²+Bx+Cy+D＝0              (1)

其中，E＝0，因为利用两边呈90°的卡槽6可以卡住刀片的后刀面与刀尖顶部，使坐标系内的椭圆为正椭圆，从而消除xy项；A为短轴与长轴的比值，B、C决定椭圆圆心的坐标，D为常数项，x、y分别表示椭圆曲线上一点的坐标。模型建立后，就可以使用采集到的数据进行刃口轮廓的拟合。对五个交点的坐标进行最小二乘法拟合，转化为线性方程，如式(2)所示：

$\left[\begin{array}{cccc}{y}^4& {\mathrm{xy}}^2& y^3& y^2\\ {\mathrm{xy}}^2& x^2& \mathrm{xy}& x\\ y^3& \mathrm{xy}& y^2& y\\ y^2& x& y& N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{x}^2{y}^2\\ x^3\\ x^{2}y\\ x^2\end{array}\right]---\left(2\right)$

求出二次曲线的四个未知参数；转化二次曲线公式为标准式，得到刃口的长短轴半径。

一次标准的刃口半径测量如下：定位过程中，测量员手持刀片，用待测刃口推动六个相切片5，将刀片的后刀面与卡槽6的一边接触，同时用力顶进90°的卡槽6，待稳定后采集数据。六个直线位移传感器2的数据经过采集卡采集后输入PC机，用MATLAB程序进行处理。处理流程图见附图3所示。最终结果采用两种方法给出。第一种方法称为为标准对比法，将本次测量的五个数据点绘制在用该设备测过的30μm到80μm圆形刃口的六条轮廓线的图上，见图4。该方法可以测出小于30μm半径的外圆轮廓的大致范围，但只用于测量圆形刃口并且无法给出具体值。第二种方法则直接给出数据，测量范围要求大于30μm，可以测量任何椭圆刃口，仿真过程中误差见下表：

表1仿真测量数据

从表1可以看出，应用该方法无论测量倒圆刃口还是椭圆刃口，当椭圆长轴大于30μm时，测得数据的误差均小于误差允许范围15％，精度较高。随着刃口半径的减小，测量误差在输入数据中的比值增大，当刃口半径小于30μm后，应用本方法计算出的二次曲线将转化为抛物线或双曲线，使长短轴出现在虚轴范围内。因此，当刃口半径小于30μm时，用标准对比法可以帮助测量人员判断出刃口是否合格。

表2MATLAB程序

％输入六根杆的位移，单位mm

L1＝7.415；L2＝7.669；L3＝7.799；

L4＝7.799；L5＝7.669；L6＝7.415；

％输入六根杆与水平位置的夹角，单位(°)，此处可进行误差标定

A1＝pi/9；A2＝pi/6；A3＝2*pi/9；

A4＝5*pi/18；A5＝pi/3；A6＝7*pi/18；

％输入圆盘半径，单位mm，此处可进行误差标定

t1＝5；t2＝5；t3＝5；t4＝5；t5＝5；t6＝5；

％求六个圆盘的圆心坐标，此处可进行误差标定

O1x＝L1*cos(A1)；O1y＝L1*sin(A1)；

O2x＝L2*cos(A2)；O2y＝L2*sin(A2)；

O3x＝L3*cos(A3)；O3y＝L3*sin(A3)；

O4x＝L4*cos(A4)；O4y＝L4*sin(A4)；

O5x＝L5*cos(A5)；O5y＝L5*sin(A5)；

O6x＝L6*cos(A6)；O6y＝L6*sin(A6)；

％列出六个圆盘的解析式

syms x y

f1＝(x-O1x)^2/t1^2+(y-O1y)^2/t1^2-1；

f2＝(x-O2x)^2/t2^2+(y-O2y)^2/t2^2-1；

f3＝(x-O3x)^2/t3^2+(y-O3y)^2/t3^2-1；

f4＝(x-O4x)^2/t4^2+(y-O4y)^2/t4^2-1；

f5＝(x-O5x)^2/t5^2+(y-O5y)^2/t5^2-1；

f6＝(x-O6x)^2/t6^2+(y-O6y)^2/t6^2-1；

％求六个圆盘，两两相交的交点，共5*2个交点

[B1x，B1y]＝solve(f1，f2)；

[B2x，B2y]＝solve(f2，f3)；

[B3x，B3y]＝solve(f3，f4)；

[B4x，B4y]＝solve(f4，f5)；

[B5x，B5y]＝solve(f5，f6)；

z1＝[B1x，B1y]；Z1＝eval(z1)；

z2＝[B2x，B2y]；Z2＝eval(z2)；

z3＝[B3x，B3y]；Z3＝eval(z3)；

z4＝[B4x，B4y]；Z4＝eval(z4)；

z5＝[B5x，B5y]；Z5＝eval(z5)；

％取靠近刃口的五个交点

B1X＝Z1(2，1)；B1Y＝Z1(2，2)；

B2X＝Z2(2，1)；B2Y＝Z2(2，2)；

B3X＝Z3(2，1)；B3Y＝Z3(2，2)；

B4X＝Z4(2，1)；B4Y＝Z4(2，2)；

B5X＝Z5(2，1)；B5Y＝Z5(2，2)；

％输出交点位置

plot(B1X，B1Y，’x’)；hold on；

plot(B2X，B2Y，’x’)；hold on；

plot(B3X，B3Y，’x’)；hold on

plot(B4X，B4Y，’x’)；hold on；

plot(B5X，B5Y，’x’)；

％最小二乘法，线性化矩阵的参数

R11＝B1Y^4+B2Y^4+B3Y^4+B4Y^4+B5Y^4；

R12＝B1X*B1Y^2+B2X*B2Y^2+B3X*B3Y^2+B4X*B4Y^2+B5X*B5Y^2；

R13＝B1Y^3+B2Y^3+B3Y^3+B4Y^3+B5Y^3；

R14＝B1Y^2+B2Y^2+B3Y^2+B4Y^2++B5Y^2；

R21＝R12；

R22＝B1X^2+B2X^2+B3X^2+B4X^2+B5X^2；

R23＝B1X*B 1Y+B2X*B2Y+B3X*B3Y+B4X*B4Y+B5X*B5Y；

R24＝B1X+B2X+B3X+B4X+B5X；

R31＝R13；

R32＝R23；

R33＝R14；

R34＝B1Y+B2Y+B3Y+B4Y+B5Y；

R41＝R14；

R42＝R24；

R43＝R34；

R44＝5；

P1＝B1X^2*B1Y^2+B2X^2*B2Y^2+B3X^2*B3Y^2+B4X^2*B4Y^2+B5X^2*B5Y^2；

P2＝B1X^3+B2X^3+B3X^3+B4X^3+B5X^3；

P3＝B1X^2*B1Y+B2X^2*B2Y+B3X^2*B3Y+B4X^2*B4Y+B5X^2*B5Y；

P4＝B1X^2+B2X^2+B3X^2+B4X^2+B5X^2；

％解方程，求二次圆锥曲线的四个参数

BETA＝[R11R12R13R14

R21R22R23R24

R31R32R33R34

R41R42R43R44]；

P＝[P1P2P3P4]’；

NI＝inv(BETA)*(-P)；

AA＝NI(1，1)；

BB＝NI(2，1)；

CC＝NI(3，1)；

DD＝NI(4，1)；

％标准化，求圆心、长短轴半径

OOX＝-BB/2

OOY＝-CC/AA/2

LONG＝(BB^2/4+CC^2/4/AA-DD)^0.5

SHORT＝((BB^2/4+CC^2/4/AA-DD)/AA)^0.5。

Claims (7)

1.一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：它是由传感器支架、直线位移传感器、联轴器、滑杆支架、相切片、卡槽、滑杆和底座组成，六个直线位移传感器在底座上固定，相邻直线位移传感器的轴线方向夹角相同；每个直线位移传感器用不同高度的传感器支架支撑；直线位移传感器的测量杆通过联轴器与滑杆一端相连，滑杆另一端头部连接相同半径的相切片，六个相切片头部圆孔在非工作状态下保持重合，重合点为坐标系原点；滑杆从滑杆支架的中部圆孔穿过，在相切片半圆形头部的重合点旁安装有卡槽，将刀片卡入卡槽内将相切片向后推动一段距离，而此距离被采集进PC机并在PC机内用软件进行处理；

所述传感器支架是底部两边带凸耳、中部设置有圆孔的长方体状件；

所述直线位移传感器是圆柱状件，测量范围0-100mm，分辨率0.05μm；

所述联轴器是加工的普通小联轴器，用定位销与测量杆、滑杆相连；

所述滑杆支架是中部设置有圆孔的L型金属结构支架；

所述相切片是形状为长方形薄板的加工零件，一端为半圆形，另一端末端带有6×10mm的凹槽；

所述卡槽是由一长方体和方形底板构成，长方体立于方形底板角端，其中，长方体一长边开有2×2×16mm长方形凹槽；

所述滑杆是圆柱杆状件，在一端沿直径方向进行线切割切出一厚度1mm，长度16mm的通槽，将相切片的凹槽插入其中，并用定位销固定；

所述底座是四分之一圆的金属结构件，线切割底座后，用数控机床打孔。

2.一种采用权利要求1所述测量装置的可转位刀片的刃口半径测量方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：数据采集：定位过程，刀具测量员将待测刀片用手插入卡槽，使刀具后刀面与卡槽凹槽的一边相接触，同时将刀片的刃口顶到卡槽的内角；定位过程中，刀刃将推动六个相切片沿直线位移传感器的轴线方向各向后移动一段距离；待刀具定位稳定后，进行数据采集，直线位移传感器的位移量用电压差值的形式表示，经过采集经USB接口输入PC机转化为位移量，这六个位移量将经过软件处理得到刃口的长短轴半径，数据处理软件为MATLAB；

步骤二：数据处理：软件处理的具体步骤如下：

1）输入六根滑杆的直线位移，输入六根滑杆的实际角度和相切片头部圆形片的实际半径；

2）计算圆片的实际圆心位置；

3）计算六个圆两两相交后靠近刃口的五个交点，并用图形输出交点位置；

4）利用六个相同大小的圆片与刀具刃口相切得到的靠近刃口的五个交点的坐标作为数据点，建立椭圆模型，如式（1）所示：

x²+Exy+Ay²+Bx+Cy+D=0                      （1）

其中，E=0，因为利用两边呈90°的卡槽卡住刀片的后刀面与刀尖顶部，使坐标系内的椭圆为正椭圆，从而消除xy项；A为短轴与长轴的比值，B、C决定椭圆圆心的坐标，D为常数项，x、y分别表示椭圆曲线上一点的坐标；

5）对五个交点的坐标进行最小二乘法拟合，转化为线性方程，如式（2）所示：

$\left[\begin{array}{cccc}{y}^4& {\mathrm{xy}}^2& y^3& y^2\\ {\mathrm{xy}}^2& x^2& \mathrm{xy}& x\\ y^3& \mathrm{xy}& y^2& y\\ y^2& x& y& N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{x}^2{y}^2\\ x^3\\ x^{2}y\\ x^2\end{array}\right]---\left(2\right)$

求出二次曲线的四个未知参数；

6）转化二次曲线公式为标准式，得到刃口的长短轴半径和椭圆圆心。

3.根据权利要求1所述的一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：该直线位移传感器的型号规格是ZKL-A型LVDT。

4.根据权利要求1所述的一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：该联轴器的内径为5-7mm。

5.根据权利要求1所述的一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：该相切片的外形尺寸为80×5×1mm。

6.根据权利要求1所述的一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：该滑杆的外形尺寸为φ6×119.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种可转位刀片的刃口半径测量装置，其特征在于：该底座的半径为200-400mm，厚度为3-5mm。

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