CN104669065A - 金刚石刀具在位检测与定位方法 - Google Patents

金刚石刀具在位检测与定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金刚石刀具在位检测与定位方法，所述的方法包括如下步骤：a)把成像系统固定安装在机床主轴上，机床主轴与机床X运动轴的相对位置固定；b)利用成像系统的景深实现金刚石刀具高度方向的定位；c)高度方向定位完成后，调节光源亮度及金刚石刀具水平位置以获得清晰完整的刀具图像；d)根据刀具类型的不同，利用上述光学图像分别测量刀具不同的几何参数；e)获取刀具定位参考点在光学图像坐标系内的坐标；f)把刀具定位参考点坐标转换为在机床坐标系内的坐标，实现金刚石刀具在机床水平面内的定位。采用本发明，能够实现超精密机床上金刚石刀具几何参数的在位检测，还能够实现其在机床坐标系内X、Y、Z三个方向的定位。

Description

金刚石刀具在位检测与定位方法
技术领域
 本发明属于机械加工领域，具体涉及超精密机床上金刚石刀具的在位检测与定位方法。
背景技术
金刚石刀具工作参数的精确测定是进行工艺参数优化和提高加工精度的重要手段之一。与其设计参数不同，金刚石刀具的工作参数必须在超精密机床上进行在位检测才能获得。另一方面，金刚石刀具必须精确安装到与机床主轴重合的高度上，并进行水平面内的精确定位，才能保证加工过程中金刚石刀具与机床主轴的相对位置控制，从而提高加工精度和表面质量。目前国外商品化超精密机床上分别采用LVDT对刀系统和光学对刀系统实现了金刚石刀具的定位功能和刀尖圆弧半径等基本参数的在位检测。国内自行研制的超精密机床上基本以试切法进行刀具定位，不仅耗时耗力，精度难以保证，而且无法进行刀具工作参数的在位检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金刚石刀具在位检测与定位方法。
本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特点是，按照如下工作流程实现上述功能，a) 把成像系统11固定安装在机床主轴上，机床主轴与机床X运动轴的相对位置固定，以保证成像系统获得的光学图像坐标系与机床坐标系间的相对位置固定；b) 利用成像系统的景深实现金刚石刀具高度方向的定位；c) 高度方向定位完成后，获得清晰的光学图像；d) 根据刀具类型的不同，分别测量刀具不同的几何参数；e) 获取刀具定位参考点在光学图像坐标系内的坐标；f) 把刀具定位参考点坐标转换为在机床坐标系内的坐标。
所述的金刚石刀具在超精密机床高度方向定位功能，把成像系统固定安装在机床主轴上，保证其焦平面与机床主轴轴线重合，利用成像系统的景深实现金刚石刀具在超精密机床高度方向的定位，其定位误差为成像系统的景深。
所述的刀具几何参数在位检测功能，完成刀具高度方向定位后，获得金刚石刀具清晰的光学图像，并基于该图像进行刀具几何参数的在位检测，根据刀具类型的不同，分别测量刀具几何参数。对于圆弧刃金刚石刀具，主要测量刀具圆弧的圆心坐标、半径，对尖刃金刚石刀具，主要测量刀具的主偏角、副偏角、刀尖角。
所述的金刚石刀具在超精密机床水平面内定位功能，利用金刚石刀具的定位参考点实现其在超精密机床水平面内的定位，针对尖刃金刚石刀具和圆弧刃金刚石刀具，分别采用不同的方法提取定位参考点，针对尖刃金刚石刀具，选择刀尖点作为金刚石刀具的定位参考点，针对圆弧刃金刚石刀具，选择刀尖圆弧圆心作为定位参考点。在进行刀具定位时，成像系统固定安装在机床的主轴上。此时，成像系统的图像坐标系与机床坐标系之间存在固定的相对位置关系。通过控制机床导轨运动并利用成像系统提取运动轨迹，可以把成像系统坐标系校正为与机床坐标系相互平行。通过校正可以得到两个坐标系间的转换公式，根据该转换公式和刀具参考定位点在光学图像坐标系的坐标，可以获得其在机床坐标系内的坐标，实现金刚石刀具水平面内的定位功能。
本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，不仅可以实现超精密机床上金刚石刀具几何参数的在位检测，而且能够实现其在机床坐标系内X、Y、Z三个方向的定位。
附图说明
图1所示为本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法的基本流程图；
图2所示为本发明的金刚石刀具光学在位检测成像原理示意图；
图3所示为本发明的尖刃金刚石刀具参考点提取示意图；
图4所示为本发明的圆弧刃金刚石刀具定位参考点提取示意图；
图5所示为本发明的金刚石刀具水平面内定位原理示意图；
图中，11.成像系统    12.焦平面     21.成像范围     22.尖刃金刚石刀具     23.主切削刃     24.副切削刃     31.圆弧刃金刚石刀具     32.轮廓拾取范围     33.刃口     41.机床导轨     42.金刚石刀具。
具体实施方式
实施例1
本实施例如图1所示。
图1所示为本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法的基本流程图，图2所示为本发明的金刚石刀具光学在位检测成像原理示意图。本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，其基本工作流程是：a) 把成像系统固定安装在机床主轴上，机床主轴与机床X运动轴的相对位置固定；b) 利用成像系统的景深实现金刚石刀具高度方向的定位；c) 高度方向定位完成后，调节光源亮度及金刚石刀具水平位置以获得清晰完整的刀具图像；d) 根据刀具类型的不同，利用上述光学图像分别测量刀具不同的几何参数，对尖刃金刚石刀具，测量刀具的主偏角、副偏角、刀尖角，对于圆弧刃金刚石刀具，测量刀具圆弧的圆心坐标、半径；e) 获取刀具定位参考点在光学图像坐标系内的坐标；f) 把刀具定位参考点坐标转换为在机床坐标系内的坐标，实现金刚石刀具在机床水平面内的定位。
实施例2
本实施例如图2所示。
图2所示为本发明的金刚石刀具光学在位检测成像原理示意图。本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，其基本原理是，当刀具置于成像系统11的焦平面12附近一定范围内时，可以获得清晰的光学图像，该成像范围21即为光学系统的景深。利用该特点，把成像系统11固定安装在机床主轴上，并保证其焦平面12与机床主轴轴线重合，调整金刚石刀具高度以获得清晰的光学图像，即可实现金刚石刀具在超精密机床上高度方向的定位。利用该方法所确定的金刚石刀具高度方向定位误差为成像系统的景深。
实施例3
本实施例如图3、图4所示。
图3所示为本发明的尖刃金刚石刀具参考点提取示意图；图4所示为本发明的圆弧刃金刚石刀具定位参考点提取示意图。本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，选择金刚石刀具定位参考点作为其在超精密机床水平面内的定位基准；针对尖刃金刚石刀具22和圆弧刃金刚石刀具31，分别采用不同的方法提取定位参考点。
针对尖刃金刚石刀具22，提取刀刃最前端点作为金刚石刀具的定位参考点。其具体方法是，在成像范围21内分别获取金刚石刀具的主切削刃23、副切削刃24及其交点A1，根据获得的数据点坐标，分别计算交点A1到两个切削刃之间刀具轮廓线上各点的距离，以距离最小值对应的点A作为金刚石刀具的定位参考点。
针对圆弧刃金刚石刀具31，选取刀尖圆弧圆心Ot作为定位参考点。其具体方法是，根据圆弧刃金刚石刀具31的光学图像，提取轮廓拾取范围32内的刀具刃口33轮廓点坐标，利用最小二乘法拟合其圆弧圆心Ot，作为圆弧刃金刚石刀具31的定位参考点。
实施例4
图5所示为本发明的金刚石刀具水平面内定位原理示意图。本发明的金刚石刀具在位检测与定位方法，在进行刀具定位时，成像系统11固定安装在机床的主轴上，成像系统11的图像坐标系O1与机床坐标系O之间存在固定的相对位置关系。通过控制机床导轨41运动并利用成像系统11提取运动轨迹，可以把图像坐标系O1校正为与机床坐标系O相互平行，则两个坐标系间的转换关系可表示为
式中， 为金刚石刀具42定位参考点在机床坐标系O内的坐标，为该点在图像坐标系O1的坐标；分别为图像坐标系O1原点到机床坐标系O原点在两个方向上的相对距离。图像坐标系O1坐标轴与机床坐标系O坐标轴方向一致时，式中取“+”号；反之取“-”号。
利用成像系统11检测得到金刚石刀具42定位参考点在图像坐标系O1的坐标，根据上述公式可以获得金刚石刀具42定位参考点在机床坐标系O的坐标。

Claims (8)

1.一种金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：a) 把成像系统（11）固定安装在机床主轴上，机床主轴与机床X运动轴的相对位置固定；b) 利用成像系统（11）的景深实现金刚石刀具高度方向的定位；c) 高度方向定位完成后，调节光源亮度及金刚石刀具水平位置以获得清晰完整的刀具图像；d) 根据刀具类型的不同，利用上述光学图像分别测量刀具不同的几何参数；e) 获取刀具定位参考点在光学图像坐标系内的坐标；f) 把刀具定位参考点坐标转换为在机床坐标系内的坐标，实现金刚石刀具在机床水平面内的定位。
2.根据权利要求1所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于，把成像系统（11）固定安装在机床主轴上，使得其焦平面（12）与机床主轴轴线重合，调整金刚石刀具高度，当获得清晰的光学图像即实现其高度方向定位。
3.根据权利要求2所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的金刚石刀具高度方向的定位误差为成像系统（11）的景深。
4.根据权利要求1所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的刀具几何参数在位检测功能，是在完成刀具高度方向定位后，获得金刚石刀具清晰的光学图像，基于该图像进行刀具几何参数检测，对尖刃金刚石刀具（22），测量刀具的主偏角、副偏角、刀尖角，对于圆弧刃金刚石刀具（31），测量刀具圆弧的圆心坐标、半径。
5.根据权利要求1所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的金刚石刀具水平面内定位方法，选择金刚石刀具定位参考点作为其在超精密机床水平面内的定位基准；针对尖刃金刚石刀具（22）和圆弧刃金刚石刀具（31），分别采用不同的方法进行提取定位参考点。
6.根据权利要求5所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的尖刃金刚石刀具（22）提取刀刃最前端点（A）作为定位参考点，所述的圆弧刃金刚石刀具（31）选择刀尖圆弧圆心（Ot）作为定位参考点。
7.根据权利要求1所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的金刚石刀具水平面内定位方法中，成像系统（11）固定安装在机床的主轴上，成像系统（11）的图像坐标系（O1）与机床坐标系（O）之间存在固定的相对位置关系，两个坐标系间的转换关系可表示为                                                
利用成像系统（11）检测得到金刚石刀具（42）定位参考点在图像坐标系（O1）的坐标，根据上述公式可以获得金刚石刀具（42）定位参考点在机床坐标系（O）的坐标，即实现金刚石刀具水平面内定位。
8.根据权利要求7所述的金刚石刀具在位检测与定位方法，其特征在于：所述的金刚石刀具水平面内定位方法中，所述的图像坐标系（O1）与机床坐标系（O）间的转换关系公式中，当图像坐标系（O1）坐标轴与机床坐标系（O）坐标轴方向一致时，取“+”号，反之取“-”号。
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