CN103706816A - 一种超精密车削对刀装置 - Google Patents

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Abstract

一种超精密车削对刀装置，属于超精密加工技术领域。其安装方便快捷，成本低廉，对刀精度高，对刀分辨率可调，是解决超精密车削对刀难题的有效手段。对刀装置基座固定于机床主轴的上端，对刀装置基座的前端固定安装有快换夹头，光学系统安装座通过快换夹头夹持固定，光学显微镜固定在光学系统安装座上，CCD图像传感器与光学显微镜连接，且光学显微镜位于CCD图像传感器的下端，刀具安装在刀架上，刀架的滑块滑动设置在刀架安装座的滑槽内，刀架安装座的滑槽与机床Z向导轨滑动配合，机床主轴固定在超精密机床上，超精密机床的滑槽与机床X向导轨滑动配合。本发明用于超精密车削对刀。

Description

一种超精密车削对刀装置
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，具体的说是一种超精密车削对刀装置。
背景技术
在数控车削加工中，应首先确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，同时要考虑刀具尺寸不同对加工的影响，这些都需要通过对刀来解决。对刀的目的是在机床上建立工件坐标系，是必不可少的一项非常重要的操作内容。
对刀的精度和效率直接影响了产品的加工质量和生产效率，因此寻找适合的刀具对刀方法，提高对刀速度和精度，减少加工误差和对刀时间，对于车削加工来说是提高生产效率，保证经济效益的有效手段之一。
在数控车削加工中，对刀的基本方法有手动对刀和自动对刀等。对于常规精度零件的车削加工，手动对刀其原理简单、方法直观易掌握及适用性广而被广泛采用，如试切法，塞尺对刀法，顶尖对刀法等，但其对刀效率及对刀精度均较低，不适合超精密车削机床。而目前的自动对刀方法如对刀仪对刀法等，虽对刀效率较高，但结构复杂，成本较高，且一般达不到超精密加工的要求。电感测微仪法虽能达到2~3μm的对刀精度，但其结构复杂，操作繁琐，成本较高。
对于超精密车削而言，对刀精度已成为影响加工精度的一项主要因素。目前虽有一种基于图像处理的双CCD对刀装置，但由于两个CCD获取的图像间的匹配误差等因素，并不能满足超精密车削加工的要求，且其系统较为复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种超精密车削对刀装置，其安装方便快捷，成本低廉，对刀精度高，对刀分辨率可调，是解决超精密车削对刀难题的有效手段。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种超精密车削对刀装置，包括机械系统和光学系统，所述的机械系统包括对刀装置基座、快换夹头、光学系统安装座、刀具、刀架、刀架安装座、机床Z向导轨和机床X向导轨，所述的光学系统包括CCD图像传感器和光学显微镜，
所述的对刀装置基座固定于机床主轴的上端，对刀装置基座的前端固定安装有快换夹头，光学系统安装座通过快换夹头夹持固定，光学显微镜固定在光学系统安装座上，CCD图像传感器与光学显微镜连接，且光学显微镜位于CCD图像传感器的下端，刀具安装在刀架上，刀架的下端设有滑块，刀架安装座的上端面设有与刀架的滑块形状相匹配的滑槽，刀架的滑块滑动设置在刀架安装座的滑槽内，刀架安装座的下端面设有与机床Z向导轨相匹配的滑槽，刀架安装座的滑槽与机床Z向导轨滑动配合，机床主轴固定在超精密机床上，超精密机床的下端面设有与机床X向导轨相匹配的滑槽，超精密机床的滑槽与机床X向导轨滑动配合。
进一步的是，所述的光学系统还包括照明光源；所述的照明光源安装在光学显微镜上。
    本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明通过对刀装置基座固定于机床主轴的上端，将光学系统固定于光学系统安装座上，根据不同的对刀条件，可通过更换光学显微镜物镜的放大倍数来提供不同的对刀分辨率；通过快换夹头可实现光学系统的快速精确定位；初次安装时通过试切法对光学系统位置进行标定从而使光学系统定位机床的某一确定坐标位置；通过测量工件原点与机床某一固定点的距离关系即可获取光学系统定位点与工件原点间的坐标关系；通过CCD图像传感器和光学显微镜标定刀具的水平坐标位置，并通过CCD图像传感器的调焦算法标定刀尖的垂直高度；在外部计算机和运动控制器的控制下实现刀尖在机床Z向和机床X向的调节。当刀尖到达光学系统标定的坐标位置时便可获知刀尖与工件原点的坐标关系，即完成了对刀过程。
2、快换夹头采用钢球锁紧光学系统安装座，夹紧可靠，在工作中不会松动脱落，结构简单，径向尺寸小，操作方便，仅用单手进行推或拉，即可在1~2秒的时间内装卸光学系统。其定位精度为2μm。
3、光学显微镜的放大作用主要取决于物镜。物镜是决定显微镜的分辨率和成像清晰程度的主要部件，所以对物镜的校正是很重要的。本装置使用10倍无穷远物镜（可更换其他倍数无穷远物镜）与工业CCD(300万像素，2048*1536分辨率)相配合可达到0.3μm的数字分辨率。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下突出的主要效果：
1、根据不同的对刀条件，通过更换光学显微镜物镜的放大倍数来提供不同的对刀分辨率；
2、通过快换夹头实现光学系统的快速更换及精确定位；
3、通过光学显微镜和工业CCD的配合工作，最终可达到小于3μm的定位精度；
4、通过CCD图像传感器和光学显微镜实现机床水平坐标的标定，同时通过光学系统的调焦算法标定机床垂直高度坐标，从而实现对车刀空间三维坐标的定位；
5、通过测量工件原点与机床某一固定点的距离关系即可获取光学系统定位点与工件原点间的坐标关系；
6、通过固定于机床的光学系统标定一个空间三维坐标，调整车刀的位置，当车刀刀尖到达该坐标位置后，通过机床坐标系的转换即可完成对刀操作；
7、本发明具有安装方便快捷，成本低廉，对刀精度高，对刀分辨率可调等优势，是解决超精密车削对刀难题的有效手段。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图。
图2是图1的主视图。
图3是图1的俯视图。
图4是图1的右侧视图。
图中：1. CCD图像传感器；2.光学系统安装座；3.光学显微镜；4.刀具；5.刀架；6.刀架安装座；7.机床Z向导轨；8. 机床X向导轨；9.超精密机床；10.机床主轴；11.照明光源；12.快换夹头；13.对刀装置基座；14.外部计算机；15.运动控制器。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明专利进一步说明，但不限定本发明。
如图1至图4所示，一种超精密车削对刀装置，包括机械系统和光学系统，所述的机械系统包括对刀装置基座13、快换夹头12、光学系统安装座2、刀具4、刀架5、刀架安装座6、机床Z向导轨7和机床X向导轨8，所述的光学系统包括CCD图像传感器1和光学显微镜3，
所述的对刀装置基座13固定于机床主轴10的上端，对刀装置基座13的前端固定安装有快换夹头12，光学系统安装座2通过快换夹头12夹持固定，光学显微镜3固定在光学系统安装座2 上，CCD图像传感器1与光学显微镜3连接，且光学显微镜3位于CCD图像传感器1的下端，刀具4安装在刀架5上，刀架5 的下端设有滑块，刀架安装座6的上端面设有与刀架5 的滑块形状相匹配的滑槽，刀架5 的滑块滑动设置在刀架安装座6的滑槽内，刀架安装座6的下端面设有与机床Z向导轨7相匹配的滑槽，刀架安装座6的滑槽与机床Z向导轨7滑动配合，机床主轴10固定在超精密机床9上，超精密机床9的下端面设有与机床X向导轨8相匹配的滑槽，超精密机床9的滑槽与机床X向导轨8滑动配合。
快换夹头12的型号为3R-628_28-S，为市场采购件。 
根据不同的对刀条件，可通过更换光学显微镜3物镜的放大倍数来提供不同的对刀分辨率；通过快换夹头12即可实现光学系统的快速更换及精确定位；通过光学系统位置标定从而使光学系统定位机床的某一确定坐标位置；外部计算机14通过运动控制器15控制，实现刀尖在机床Z向导轨7方向和机床X向导轨8方向的位置调节，当刀尖到达光学系统标定的三维坐标位置时便可获知刀尖与工件原点的坐标关系，即完成了对刀过程。
所述的光学系统还包括照明光源11；所述的照明光源11安装在光学显微镜3上，用于光学显微镜3照明。
本发明提供的总的工作过程是：包括光学系统安装定位和机床对刀两个过程。
光学系统安装定位过程为：初次使用时，将本装置通过对刀装置基座13固定于机床主轴10之上，将光学系统固定于光学系统安装座2，根据不同的对刀分辨率要求，选择合适放大倍数的光学显微镜物镜的光学系统，通过快换夹头12可实现光学系统的快速精确定位；初次安装时通过试切法确定主轴的空间三维坐标位置，调整光学系统使刀尖处于视场中即可获取刀尖的水平坐标，通过调焦算法确定刀尖的垂直高度，测量工件与主轴间的位置关系从而标定光学系统与主轴的坐标关系。
机床对刀过程为：通过测量工件原点与机床主轴间的距离关系并将相关数据输入外部计算机中，即可获取光学系统定位点与工件原点间的坐标关系；在外部计算机14和运动控制器15的控制下实现刀尖在机床Z向和机床X向的调节，从而将刀尖移动至视场中，通过CCD图像传感器1和光学显微镜3标定刀具4的水平坐标位置，调整刀尖高度使刀尖图像最清晰，当刀尖到达光学系统标定的坐标位置时便可获知刀尖与工件原点的坐标关系即完成了对刀过程。

Claims (2)

1.一种超精密车削对刀装置，包括机械系统和光学系统，其特征是：所述的机械系统包括对刀装置基座(13)、快换夹头(12)、光学系统安装座(2)、刀具(4)、刀架(5)、刀架安装座(6)、机床Z向导轨(7)和机床X向导轨(8)，所述的光学系统包括CCD图像传感器(1)和光学显微镜(3)，
所述的对刀装置基座(13)固定于机床主轴(10)的上端，对刀装置基座(13)的前端固定安装有快换夹头(12)，光学系统安装座(2)通过快换夹头(12)夹持固定，光学显微镜(3)固定在光学系统安装座(2) 上，CCD图像传感器(1)与光学显微镜(3)连接，且光学显微镜(3)位于CCD图像传感器(1)的下端，刀具(4)安装在刀架(5)上，刀架(5) 的下端设有滑块，刀架安装座(6)的上端面设有与刀架(5) 的滑块形状相匹配的滑槽，刀架(5) 的滑块滑动设置在刀架安装座(6)的滑槽内，刀架安装座(6)的下端面设有与机床Z向导轨(7)相匹配的滑槽，刀架安装座(6)的滑槽与机床Z向导轨(7)滑动配合，机床主轴(10)固定在超精密机床(9)上，超精密机床(9)的下端面设有与机床X向导轨(8)相匹配的滑槽，超精密机床(9)的滑槽与机床X向导轨(8)滑动配合。
2.如权利要求1所述的一种超精密车削对刀装置，其特征是：所述的光学系统还包括照明光源(11)；所述的照明光源(11)安装在光学显微镜(3)上。
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