CN103753353A - 一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速测定旋转过程中铣刀偏心的非接触式激光测量方法，能快速获取铣刀安装后实际的刀具偏心，从而来判断刀具安装是否合理并能确定有效的加工参数，实现零件的精密、高效加工。其特征在于：采用激光位移传感器采集铣刀在不同转速的旋转过程中的动态位移，经过滤波获取在不同转速下动态位移的峰-峰值，根据峰-峰值建立刀具偏心求解的数学模型，通过求解所述刀具偏心的最优化模型来获取实际刀具偏心。

Description

一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法

技术领域

本发明涉及数控加工在线测量技术领域，尤其是涉及铣刀偏心测量方法，具体为一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法。

背景技术

在机床高速加工过程中，铣刀经常由于安装、热膨胀等问题造成铣刀回转中心和刀具的几何中心不同轴，即发生刀具偏心。均匀分布的标准多齿铣刀的偏心会造成铣刀各个刀刃上切削载荷不一致，使得不同刀刃上所受的切削力不一致，因此造成刀刃的快速磨损以及加工表面形貌发生变化，刀具偏心在精密加工中显得尤为重要。在当前对产品质量更高要求的情形下，快速有效地在线获取铣刀的偏心数据变得十分必要。

现有的铣刀偏心数据可以通过多种方法来获得，譬如采用千分表静态测量，利用加工后的表面拓扑逆向分析求解；最常用的方法是通过对运行工况下的切削力信号辨识获得（Wan, M., Zhang, W. H., Dang, J. W., and Yang, Y., 2009, "New Procedures for Calibration of Instantaneous Cutting Force Coefficients and Cutter Runout Parameters in Peripheral Milling," International Journal of Machine Tools and Manufacture, 49(14), pp. 1144-1151.），其原因在于切削过程中的实际偏心是最真实的，且和静态过程采集的可能会稍有不同。但是，基于切削力信号来辨识刀具偏心的方法也有如下不足之处：（1）切削力测试必须配备昂贵的动态切削测力仪；（2）在工厂生产车间实际环境难以操作；（3）安装测力仪后工艺系统的刚度会发生变化；（4）受测力仪采集的带宽限制（通常2~3kHz），在高速旋转下切削力信号会发生失真变形。

现有的大多数精密数控机床一般都带有激光位移传感器测量功能，但是其仅能给出刀具偏心情形下实际刀刃切削的最大直径，而无法给出具体的刀具偏心值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种快速测定旋转过程中铣刀偏心的非接触式激光测量方法，能快速获取铣刀安装后实际的刀具偏心，从而来判断刀具安装是否合理并能确定有效的加工参数，实现零件的精密、高效加工。

其技术方案是这样的，其特征在于：采用激光位移传感器采集铣刀在不同转速的旋转过程中的动态位移，经过滤波获取在所述不同转速下动态位移的峰-峰值，根据所述峰-峰值建立刀具偏心求解的数学模型，通过求解所述刀具偏心的最优化模型来获取实际刀具偏心，其包括以下具体步骤：

（1）在机床上安装激光位移传感器，将所述激光位移传感器与采集器、工控机连接，然后将铣刀安装在机床主轴上、并将所述铣刀移到所述激光位移传感器量程范围内；

（2）采用迭代测试方法将所述激光位移传感器的激光测点准确对齐所述铣刀的几何中心；

（3）所述激光位移传感器采集所述铣刀在不同转速下的动态位移信号，并将所述动态位移信号传递给所述工控机，由所述工控机对所述动态位移信号进行滤波处理、提取动态位移峰值数据，并保存；

（4）建立铣刀偏心求解的优化数学模型，然后求解决所述铣刀偏心求解的优化模型从而获取实际刀具偏心。

其进一步特征在于：

所述步骤（2）中的迭代测试方法的具体操作为：将所述铣刀的刀杆部分移动至所述激光位移传感器的激光测点高度内从而使铣刀刀杆移至测试量程内，让激光光斑投射在光滑刀杆上，自动记录当前的位移值x0，然后将所述主轴在和激光投射的垂直方向进行小量Δy移动，分别记录向两个相反方向移动后的位移值x1和x2，定义激光光斑与传感器之间距离增大时为正方向，如果x2为最大值且不超出激光位移传感器测量量程，则将铣刀从x0位移值向x1位移值方向移动，直至位移数值等于x0，记录主轴移动的距离L1，由于激光位移传感器在位移采集中带有测试误差（主要是漂移），再将主轴向反向移动直至位移值为x0，记录主轴移动值L2，当|L2-L1|小于给定的很小的数值时可以确定刀具的几何中心位置，即从当前位置向x1方向移动（L1+L2）/4；

所述步骤（3）中，将激光光斑移至铣刀杆接近端部处，让主轴以恒定转速进行旋转，将激光光斑投射在铣刀的外轮廓上，再利用所述激光位移传感器在不同主轴转速下对所述铣刀外轮廓进行采集记录，得到不同主轴转速下所述铣刀的外轮廓曲线，所述外轮廓曲线中峰值点对应所述铣刀刃口处，其余部分对应所述铣刀的后刀面、测试噪声以及超出测量量程区域；通过数据处理将所述外轮廓曲线中的铣刀刃口对应的动态位移峰值点取出并保存；

所述步骤（4）建立铣刀偏心求解的优化模型：所述铣刀的几何半径为R，所述铣刀的几何中心为o，所述铣刀的旋转中心为o’，所述铣刀几何中心与旋转中心之间的位移为刀具偏心的距离ρ，刀具偏心角θ ₀定义为偏心位移方向顺时针旋转到最近的刀刃所对应的名义半径方向的角度，对于通用的多齿等距分布铣刀，铣刀齿数为N，且N≧3，所述刀具偏心角满足关系θ ₀∈[0, 2π/N]，将相邻刀齿所对应的实际切削半径的长度差分别定义为h ₁, h ₂,…h _N，即：

                                                 

对于低速旋转的刀具，可认为刀具安装偏心ρ在主轴低速旋转过程中保持不变，偏心为静态、固定不变的，将对应刀刃的峰值点取出，然后做平均化，获得不同刀刃之间的高度差，然后测量刀具的实际几何尺寸，确定铣刀刃旋转半径，每个刀齿的实际的切削半径为：

 

其中，刀具偏心距离满足ρ∈[0,∑|h _i|/2, i=1，…N, N≧3]；

由于铣刀外轮廓曲线相邻刀刃的测试数值高度差等于相邻刀齿对应的实际切削半径的长度差，刀具偏心的优化求解可定义为以下目标函数的最小化问题：

min

并同时满足约束ρ∈[0,∑|h _i|/2, i=1，…N, N≧3], θ ₀∈[0,2π/N]。

其更进一步特征在于：

　　对于高速旋转下的刀具偏心先假设为刀具偏心为动态变化的，由于不同刀刃轮廓测量的结果不是同时的，在优化求解偏心时，计算不同刀刃轮廓峰值对应的时刻需要作以下假设：在计算刀具偏心的过程中，对于当前刀齿而言，假设前一刀刃和后一刀刃所测得的位移与测量当前刀刃是同时发生的。

由于本发明中采用激光位移传感器能够获取铣刀在转动情形下的动态偏心，相较于静态测试获得的安装偏心更加接近真实的加工状况，从而可以有效地判断铣刀安装是否合理，偏心程度的大小针对不同的加工工况是否合适，并以此来优化加工参数；本发明对非接触式测量获得的动态位移进行数据处理，建立了与之相对应的刀具偏心优化求解模型，能够快速获取不同刀具每次安装后的实际偏心情况，有效保证了加工的质量的稳定性，从而达到对零件进行合理加工工艺参数优化以及高精加工的目标。

附图说明

图1为本发明方法中铣刀偏心测试示意图；

　　图2为本发明方法的步骤（2）中采用迭代测试方法将激光位移传感器的激光测点准确对齐所述铣刀的几何中心的示意图；

　　图3为本发明方法的步骤（2）中采用迭代测试方法将激光位移传感器的激光测点准确对齐所述铣刀的几何中心的迭代测试流程图；

　　图4为本发明方法实施例中转速为500 转/分钟时的激光位移传感器测量的铣刀外轮廓曲线；

　　图5为本发明方法实施例中铣刀周期旋转下动态位移局部峰值点分布示意图；

　　图6为本发明方法实施例中等距分布的铣刀偏心计算的几何模型示意图；

　　图7为本发明方法实施例中获取的随转速变化的刀具偏心分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的接受方案作进一步的详细描述：本实施例选取硬质合金三齿平底立铣刀为加工刀具，齿距均匀分布，该刀具装夹在Mikron ucp800五轴机床上，该刀具的几何参数为：直径实测为7.99毫米（名义值为8毫米）；螺旋角30度；总长度65毫米；悬臂长度35毫米。按照本发明的方法进行铣刀旋转情形下的偏心测试，其步骤为：

1、在机床上安装激光位移传感器，位移传感器和采集器、工控机连接，所采用激光位移传感器测量系统的技术参数为：直径30微米的激光光斑，50千赫兹的采样频率以及0.05微米的位移重复采样精度。首先通过迭代测试的方法将激光测点准确对齐刀具的几何中心，详细的过程为：将铣刀的刀杆部分移动至激光测点高度内，然铣刀刀杆移至测试量程内，让激光光斑投射在刀杆上，自动记录当前的位移值x0，然后刀杆在和激光投射的垂直方向进行小量Δy移动，分别记录向两个相反方向移动后的位移值x1和x2，定义激光光斑与传感器之间距离增大时为正方向，如果x2为最大值且不超出量程，则将铣刀从x0位移值向x1位移值方向移动，直至位移数值等于x0，记录主轴移动的距离L1，由于激光位移传感器在位移采集中带有测试误差（主要是漂移），再将主轴向反反向移动直至位移值为x0，记录主轴移动值L2，当|L2-L1|小于给定的很小的数值时，可以确定刀具的几何中心位置，即从当前位置向x1方向移动（L1+L2）/4，见图2、图3；图1中1为铣刀刀杆，

2、采用迭代测试的方法将激光光斑对齐铣刀的几何中心后，再将激光光斑移至铣刀杆接近端部处，让主轴以恒定转速进行旋转，将激光光斑投射在铣刀的外轮廓上，再利用激光位移传感器在不同主轴转速下对铣刀外轮廓进行采集记录，数据曲线如图4所示，数据曲线主要有以下几部分特征，峰值点对应着铣刀刃口，其余部分对应着铣刀后刀面、测试噪声以及超出测试量程范围（这里经过数据处理自动记为-5毫米）；采用数据处理将铣刀刃口对应的动态位移峰值点取出用于后续计算，本例中采用的为均匀分布的三刃铣刀，可以看到在转速为500转/分钟时提取出的峰值点呈现明显的周期关系，周期为3，等于铣刀齿数，如图5所示。

3、建立等距分布的铣刀偏心求解的优化模型，本例采用了一把等距分布的3刃铣刀，来说明刀具偏心建模和优化求解的过程，带有偏心的铣刀加工端面几何模型如图6所示，其中给出了相应的几何关系。点‘o’为铣刀的横截面的几何中心，点‘o’’为铣刀的旋转中心，几何中心和旋转中心之间的位移为刀具偏心的距离ρ，刀具偏心角θ ₀，定义为从偏心位移方向顺时针旋转到最近的刀刃所对应的名义半径方向的角度（图5中的刀齿1），对于3刃等距铣刀而言，刀具偏心角满足关系θ ₀∈[0, 2π/3]，将相邻刀齿所对应的实际切削半径的长度差分别定义为h ₁, h ₂, h ₃，即：

 

可以看出差值分别等于图4中刀刃波形峰值间的高度差；

由于低速下刀刃处峰值具有很好的周期性，首先假设刀具安装偏心在主轴低速旋转过程中保持不变，偏心为静态、固定不变的。以3刃铣刀为例，将对应刀刃的峰值点取出，然后做平均化，这样就获得了不同刀刃之间的高度差。然后测量刀具的实际几何尺寸，确定铣刀刃旋转半径。每个刀齿的实际的切削半径为：

其中，刀具偏心距离满足ρ∈[0,max(|h ₁|, |h ₂|, |h ₃|)]（对3刃而言，当齿数≥3时，ρ∈[0,∑|h _i|/2, i=1，…N]；当N=3时，两种约束条件等价）。刀具偏心的优化求解可以定义为以下目标函数的最小化问题：

min 

 

并同时满足约束ρ∈[0,max(|h ₁|, |h ₂|, |h ₃|)], θ ₀∈[0,2π/3].

利用以上的优化方法，我们对同一把铣刀在不同次安装情形下的刀具偏心进行了测量，将高度最大的峰值点所对应的刀刃指定为第3刃，可得：

第3刃与第1刃的高度差值：h ₁=0.0337mm；

第1刃与第2刃的高度差值：h ₂=-0.0177mm；

刀具直径为7.99mm。

经过优化搜索求解得ρ=19.44um，θ ₀= 28.36deg；

4、对于高速旋转下的刀具偏心先假设为动态变化的，即使是在同一主轴转速上（这里不考虑产生动态变化的原因，只从测试的角度来作分析）。那么对于动态偏心的处理，就不能将对应的刀刃轮廓峰值进行简单地相加然后取平均处理。由于不同刀刃轮廓测量的结果不是同时的，在优化求解偏心时，计算不同刀刃轮廓峰值对应的时刻需要作以下假设：在计算刀具偏心的过程中，对于当前刀齿而言，假设前一刀刃和后一刀刃所测得的位移与测量当前刀刃是同时发生的。换言之，考虑当前刀刃的偏心情况时，假设所测的前一刀刃的位移一直保持不变，直至持续到当前刀刃测量的时刻；对于后一刀刃来说，所测得的位移可向前推移至前一刀刃所对应的时刻。

将主轴转速逐渐变化，测试获取不同转速下的动态位移峰值分布情形。重复步骤3的铣刀偏心优化模型的求解，可以得到不同转速下的铣刀偏心分布情形，如图7所示，可以看出，转速较小时，刀具偏心分布集中在很小的区域，此时可认为刀具偏心为一恒定矢量常数。但是随转速的增加，刀具偏心波动范围增加，偏心距和偏心角的分布变得更加分散，刀具偏心不能再认为是不变的，尤其是高速情形下。

采用本发明测试方法得到的刀具偏心分布，更新了刀具回转中偏心不变的观念，有利于现场判断刀具安装是否合适以及切削工艺参数优化选取，使得工件加工质量更优。

Claims (5)

1.一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法，其特征在于：采用激光位移传感器采集铣刀在不同转速的旋转过程中的动态位移，经过滤波获取在所述不同转速下动态位移的峰-峰值，根据所述峰-峰值建立刀具偏心求解的数学模型，通过求解所述刀具偏心的最优化模型来获取实际刀具偏心，其包括以下具体步骤：

（1）在机床上安装激光位移传感器，将所述激光位移传感器与采集器、工控机连接，然后将铣刀安装在机床主轴上、并将所述铣刀移到所述激光位移传感器量程范围内；

（2）采用迭代测试方法将所述激光位移传感器的激光测点准确对齐所述铣刀的几何中心；

（3）所述激光位移传感器采集所述铣刀在不同转速下的动态位移信号，并将所述动态位移信号传递给所述工控机，由所述工控机对所述动态位移信号进行滤波处理、提取动态位移峰值数据，并保存；

（4）建立铣刀偏心求解的优化数学模型，然后求解决所述铣刀偏心求解的优化模型从而获取实际刀具偏心。

2.根据权利要求1所述的一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法，其特征在于：所述步骤（2）中的迭代测试方法的具体操作为：将所述铣刀的刀杆部分移动至所述激光位移传感器的激光测点高度内从而使铣刀刀杆移至测试量程内，让激光光斑投射在光滑刀杆上，自动记录当前的位移值x0，然后将所述主轴在和激光投射的垂直方向进行小量Δy移动，分别记录向两个相反方向移动后的位移值x1和x2，定义激光光斑与传感器之间距离增大时为正方向，如果x2为最大值且不超出激光位移传感器测量量程，则将铣刀从x0位移值向x1位移值方向移动，直至位移数值等于x0，记录主轴移动的距离L1，由于激光位移传感器在位移采集中带有测试误差（主要是漂移），再将主轴向反向移动直至位移值为x0，记录主轴移动值L2，当|L2-L1|小于给定的很小的数值时，可以确定刀具的几何中心位置，即从当前位置向x1方向移动（L1+L2）/4。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法，其特征在于：所述步骤（3）中，将激光光斑移至铣刀杆接近端部处，让主轴以恒定转速进行旋转，将激光光斑投射在铣刀的外轮廓上，再利用所述激光位移传感器在不同主轴转速下对所述铣刀外轮廓进行采集记录，得到不同主轴转速下所述铣刀的外轮廓曲线，所述外轮廓曲线中峰值点对应所述铣刀刃口处，其余部分对应所述铣刀的后刀面、测试噪声以及超出测量量程区域；通过数据处理将所述外轮廓曲线中的铣刀刃口对应的动态位移峰值点取出并保存。

4.根据权利要求3所述的一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法，其特征在于：所述步骤（4）建立铣刀偏心求解的优化模型：所述铣刀的几何半径为R，所述铣刀的几何中心为o，所述铣刀的旋转中心为o’，所述铣刀几何中心与旋转中心之间的位移为刀具偏心的距离ρ，刀具偏心角θ ₀定义为偏心位移方向顺时针旋转到最近的刀刃所对应的名义半径方向的角度，对于通用的多齿等距分布铣刀，铣刀齿数为N，且N≧3，所述刀具偏心角满足关系θ ₀∈[0, 2π/N]，将相邻刀齿所对应的实际切削半径的长度差分别定义为h ₁, h ₂,…h _N，即：

                                                 

对于低速旋转的刀具，可认为刀具安装偏心ρ在主轴低速旋转过程中保持不变，偏心为静态、固定不变的，将对应刀刃的峰值点取出，然后做平均化，获得不同刀刃之间的高度差，然后测量刀具的实际几何尺寸，确定铣刀刃旋转半径，每个刀齿的实际的切削半径为：

 

其中，刀具偏心距离满足ρ∈[0,∑|h _i|/2, i=1，…N, N≧3]；

由于铣刀外轮廓曲线相邻刀刃的测试数值高度差等于相邻刀齿对应的实际切削半径的长度差，刀具偏心的优化求解可定义为以下目标函数的最小化问题：

min

并同时满足约束ρ∈[0,∑|h _i|/2, i=1，…N, N≧3], θ ₀∈[0,2π/N]。

5.根据权利要求4所述的一种快速测定铣刀偏心的非接触式激光测量方法，其特征在于：对于高速旋转下的刀具偏心先假设为刀具偏心为动态变化的，由于不同刀刃轮廓测量的结果不是同时的，在优化求解偏心时，计算不同刀刃轮廓峰值对应的时刻需要作以下假设：在计算刀具偏心的过程中，对于当前刀齿而言，假设前一刀刃和后一刀刃所测得的位移与测量当前刀刃是同时发生的。

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