CN107796338A - 一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置 - Google Patents

Abstract

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置。本发明涉及一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置。进给台(1)上设置二维精密运动平台(5)，二维精密运动平台(5)上设置磁性表座(6)，磁性表座(6)的横向支杆上设置C_LVDT夹具(7)，C_LVDT夹具(7)的上表面设置水平珠(8)，C_LVDT夹具(7)的前端设置C_LVDT(9)，进给台(1)所连接L形支架(10)的竖向底端，L形支架(10)的横向支杆底设置磁性表座(6)的竖向支杆，L形支架(10)的横向支杆上设置CCD体视显微镜(11)，C_LVDT(9)配合金刚石刀具(4)使用。本发明用于金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测。

Description

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置

技术领域：

本发明涉及一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置。

背景技术：

圆弧修光刃金刚石刀具由于其高硬度和耐磨性、低摩擦因数、加工时便于对刀、极小的刃口钝圆半径、低表面粗糙度和平滑的刃口等特点，已经成为超精密加工中不可或缺的一环，刀尖圆弧半径、刀尖圆弧波纹度、前刀面粗糙度值、后刀面粗糙度值和刃口钝圆半径是目前衡量圆弧修光刃金刚石刀具制造水平的重要标准。其中，金刚石刀具因参与数控插补，决定切削刃形状精度的刀尖圆弧波纹度会影响加工零件的轮廓精度和表面粗糙度，进行金刚石刀具研磨加工时需要严格控制刀尖圆弧波纹度的大小。

目前高精度金刚石刀具技术指标要求研磨制造的金刚石刀具，切削刃在60°刀尖圆弧内波纹度≤50nm，前后刀面粗糙度Ra≤10nm，刃口钝圆半径≤100nm。目前，国际上英国、日本、加拿大、韩国等国家已能研磨出符合上述技术指标的高精度金刚石刀具，而国内致力于研究金刚石刀具制造技术的科研院所已经可以调控切削刃钝圆半径、前后刀面粗糙度值，使其达到国际先进水平，但仍不能有效控制刀尖圆弧波纹度指标。

若要提高金刚石刀具研磨加工的水平，不仅依赖于高精度的研磨加工机床及完备的金刚石刀具研磨加工理论，还需要高精度的在位检测评价手段对其后刀面的真实形貌进行检定，以指导金刚石刀具研磨加工工艺。目前，用于金刚石刀具圆弧波纹度检测的方法大多是基于庞大检测系统的离线检测手段，这意味着如果检测结果显示金刚石刀具圆弧波纹度没有达到技术要求，就需要重新装夹刀具再次进行研磨加工，而二次装夹造成的定位误差极不利于基于圆弧波纹度检测结果对研磨加工过程、机床参数进行修正。因此，对金刚石刀具圆弧波纹度在位检测技术的研究具有重要意义和实用价值。

从目前的可查阅文献资料来看，传统的测量手段已经不能满足如此微小数据的精度要求，甚至会对刀具后刀面产生一定程度的损伤；基于高精度测量元件的检测方法因受到其测量元件、检测条件或计算精度的限制，很难应用于金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的在位检测，如扫描电子显微镜需涂抹导电涂层且无法提供准确的圆弧波纹度参数；原子力显微镜的纵向扫描范围不足，需要复杂的调心、对刀装置；轮廓仪、白光干涉仪系统庞大，不能用于在位检测等。因此，若要实现金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的在位检测，对测量元件、检测手段、检测环境、数据采集的精度、检测系统的空间布局等均有极高的要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，用以解决上述问题，为后续金刚石刀具圆弧波纹度在位检测奠定技术基础。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其组成包括进给台1，所述的进给台1的顶面设置研磨机床摆轴2，所述的研磨机床摆轴2的上表面设置金刚石刀具夹具3，所述的金刚石刀具夹具3上设置金刚石刀具4；

所述的进给台1上还设置二维精密运动平台5，所述的二维精密运动平台5上设置磁性表座6，所述的磁性表座6的横向支杆上设置C_LVDT夹具7，所述的C_LVDT夹具7的上表面设置水平珠8，所述的C_LVDT夹具7的前端设置C_LVDT9，所述的进给台1与L形支架10的竖向底端连接，所述的L形支架10的横向支杆底设置磁性表座6的竖向支杆，所述的L形支架10的横向支杆上设置CCD体视显微镜11，所述的C_LVDT9配合金刚石刀具4使用。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，所述的C_LVDT9包括接触式金刚石探针13，所述的接触式金刚石探针13装在方形轴14的内腔中，所述的方形轴14设置在多孔质碳座15的内腔中，并由端盖12轴向阻挡防止方形轴14探头从多孔质碳座15中脱离，所述的多孔质碳座15设置在不锈钢外壳16内，所述的方形轴14的后端设置电容探测靶标17，所述的电容探测靶标17的后侧设置电容探头18，电容探测靶标17和电容探头18均设置在不锈钢外壳16内，所述的不锈钢外壳16后端沿轴向设有螺纹安装孔，所述的螺纹安装孔内螺纹连接有接触压力调整螺钉19，不锈钢外壳16后端设置气源进口20；

所述的不锈钢外壳16的前端设置探针回缩口21。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，所述的C_LVDT夹具7包括传感器支架24，所述的铜套22设置在传感器支架24的首端，所述的传感器支架24的尾端装配有磁性表座6的横向支杆，所述的紧固螺钉23穿过磁性表座6的横向支杆并装配在传感器支架24的尾端，所述的传感器支架24的上顶面设置水平珠8。

所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，信号采集、处理控制计算机与NI数据采集双向传输信号，所述的信号采集、处理控制计算机将信号经过数据处理后得到刀尖圆弧波纹度；

所述的NI数据采集将信号传输至C_LVDT控制器，所述的C_LVDT控制器与C_LVDT位移传感器双向传输信号，所述的C_LVDT金刚石探针与圆弧刃金刚石刀具相接触，所述的圆弧刃金刚石刀具所连接的金刚石刀具研磨机床摆轴与研磨机控制计算机双向传输信号，所述的研磨机控制计算机通过1394接口与CCD图像传感器、高倍体视显微镜双向传输信号。

有益效果：

1.本发明可以快速、可靠地对金刚石刀具圆弧波纹度进行在位的准确测量。

2.本发明快速、可靠地对金刚石刀具圆弧波纹度进行在位、准确地测量，填补了金刚石刀具圆弧波纹度在位测量技术的空白。

3.本发明C_LVDT与C_LVDT控制器连接，C_LVDT控制器用于对C_LVDT与金刚石刀具接触状态的调控，实现C_LVDT微位移信号到模拟信号(电压)的转换。

4.本发明的C_LVDT控制器与数据采集卡相连，数据采集卡将采集到的数据上载到采集控制及数据处理控制计算机中，将数据进行处理，得到金刚石刀具圆弧波纹度；通过控制系统软件控制测量的开始与停止，可读出所测量金刚石刀具的圆弧波纹度。

附图说明：

附图1是本发明金刚石刀具刀尖圆弧波纹度在位检测装置的局部结构示意图。

附图2是本发明C_LVDT结构图。

附图3是本发明C_LVDT夹具结构示意图。

附图4是本发明金刚石刀具刀尖圆弧波纹度在位检测装置的系统原理图。

附图5是本发明金刚石刀具研磨机的信号流程图。

附图6是本发明金刚石刀具研磨机的系统图。

具体实施方式：

实施例1

一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其组成包括进给台1，所述的进给台1的顶面设置研磨机床摆轴2，所述的研磨机床摆轴2的上表面设置金刚石刀具夹具3，所述的金刚石刀具夹具3上设置金刚石刀具4；

所述的进给台1上还设置二维精密运动平台5，所述的二维精密运动平台5上设置磁性表座6，所述的磁性表座6的横向支杆上设置C_LVDT夹具7，所述的C_LVDT夹具7的上表面设置水平珠8，所述的C_LVDT夹具7的前端设置C_LVDT9，所述的进给台1与L形支架10的竖向底端连接，所述的L形支架10的横向支杆底设置磁性表座6的竖向支杆，所述的横向支杆上设置CCD体视显微镜11，所述的C_LVDT9配合金刚石刀具4使用。

实施例2

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，所述的C_LVDT9包括接触式金刚石探针13，所述的接触式金刚石探针13装在方形轴14的内腔中，所述的方形轴14设置在多孔质碳座15的内腔中，并由端盖12轴向阻挡防止方形轴14探头从多孔质碳座15中脱离，所述的多孔质碳座15设置在不锈钢外壳16内，所述的方形轴14的后端设置电容探测靶标17，所述的电容探测靶标17的后侧设置电容探头18，电容探测靶标17和电容探头18均设置在不锈钢外壳16内，所述的不锈钢外壳16后端沿轴向设有螺纹安装孔，所述的螺纹安装孔内螺纹连接有接触压力调整螺钉19，不锈钢外壳16后端设置气源进口20；

所述的不锈钢外壳16的前端设置探针回缩口21。

实施例3

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，所述的C_LVDT夹具7包括传感器支架24，所述的铜套22设置在传感器支架24的首端，所述的传感器支架24的尾端装配有磁性表座6的横向支杆，所述的紧固螺钉23穿过磁性表座6的横向支杆并装配在传感器支架24的尾端，所述的传感器支架24的上顶面设置水平珠8。

实施例4

实施例1-3金刚石刀具研磨机摆轴及研磨机控制计算机，金刚石刀具安装在摆轴夹具上完成磨刀操作后即可进行在位测量，测量时摆轴回转使金刚石刀具进行一定角速度的匀速转动，把金刚石刀具圆弧波纹度转变为径向的位移变化；

CCD体视显微镜和二维精密运动平台，用于将C_LVDT金刚石探针调垂直，并准确地对准到金刚石刀具圆弧中心对称线上；

C_LVDT将因金刚石刀具圆弧波纹度变化产生的位移信号转变为电信号传入到C_LVDT控制器中，C_LVDT控制器将电信号放大后传入到数据采集卡中，由数据采集卡将所得数据上载到采集控制及数据处理控制计算机中，计算机中的控制系统软件将数据进行处理，得到金刚石刀具圆弧波纹度数值；

金刚石刀具圆弧波纹度表现为刀尖圆弧半径R的变化，在金刚石刀具的刀尖圆弧绕同心轴旋转时，刀尖圆弧半径R的变化表现为径向位移变化，即输入信号为位移信号，通过测量装置转变为电信号，输出信号为电信号；

所用测量装置的核心测量部件为C_LVDT及其配套的C_LVDT控制器，测量量程50μm，RMS分辨率0.1nm，不确定度12.7nm，带宽128Hz；

可以在位测量金刚石刀具圆弧波纹度，金刚石刀具在研磨机上加工完成后不用拆卸，直接在研磨机上进行金刚石刀具圆弧波纹度的测量，利用研磨机的摆轴及控制计算机使金刚石刀具进行一定角速度的摆动，通过CCD体视显微镜进行C_LVDT与金刚石刀具的对准。

实施例5

实施例1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，通过以下步骤实现：

步骤一：开始后系统进入初始化；

步骤二：系统是否正常运行，如果正常运行C_LVDT可以检测到微位移信号，如果不能则进行检查系统连线后再进入系统初始化；

步骤三：C_LVDT检测微位移信号传输给C_LVDT控制器，C_LVDT控制器转换微位移信号为电信号；

步骤四：数据卡采集电信号数据；

步骤五：数据卡将电信号数据上载到采集控制及数据处理计算机；

步骤六：数据处理计算机上的控制系统软件处理数据后显示测量结果；

步骤七：结束。

实施例6

实施例1-5所述的C_LVDT，即气浮轴承式电容位移传感器，用于测量刀具旋转时因金刚石刀具圆弧波纹度变化产生的微小位移，量程50μm，RMS分辨率0.1nm，不确定度12.7nm，带宽128Hz；

C_LVDT控制器，用于调控C_LVDT与金刚石刀具的接触状态，可以通过控制器的指示灯确定C_LVDT是否在工作量程范围；

数据采集卡，用来采集C_LVDT控制器传来的电压信号数据，并上载到采集控制及数据处理控制计算机中；

采集控制及数据处理控制计算机，将由数据采集卡传来的数据通过控制系统软件进行处理，得出金刚石刀具圆弧波纹度数值；

C_LVDT夹具，用于对C_LVDT进行稳固的装夹，夹具上装有水平指示器，确保C_LVDT处于水平位置；

磁性表座，用于对C_LVDT夹具进行装夹，同时磁性表座可固定在二维精密运动平台上或金刚石刀具研磨机床身的合适位置；

控制系统软件，用于数据处理，并将数据处理结果即金刚石刀具圆弧波纹度值显示出来；

金刚石刀具研磨机摆轴及研磨机控制计算机，金刚石刀具安装在摆轴夹具上完成磨刀操作后即可进行在位测量，测量时摆轴回转使金刚石刀具进行一定角速度的匀速转动，把金刚石刀具圆弧波纹度转变为径向的位移变化；

CCD体视显微镜和二维精密运动平台，用于将C_LVDT金刚石探针调垂直，并准确地对准到金刚石刀具圆弧中心对称线上。

其特征是：C_LVDT将因金刚石刀具圆弧波纹度变化产生的位移信号转变为电信号传入到C_LVDT控制器中，C_LVDT控制器将电信号放大后传入到数据采集卡中，由数据采集卡将所得数据上载到采集控制及数据处理控制计算机中，计算机中的控制系统软件将数据进行处理，得到金刚石刀具圆弧波纹度数值。

安装步骤：在C_LVDT夹具上方装有水平珠，C_LVDT安装到C_LVDT夹具后，将C_LVDT夹具安装到磁性表座的横向支杆上，再将磁性表座通过磁力吸附在图4所示的二维精密运动平台上，而二维精密运动平台则事先固定安装在金刚石刀具研磨机床身的合适位置。上述安装操作完成后，可根据水平珠中气泡位置通过磁性表座自带旋钮粗略调节C_LVDT的水平状态；

C_LVDT控制器与数据采集卡通过数据线连接，数据采集卡将采样所得数据通过数据线上载到采集控制及数据处理控制计算机中，由控制系统软件进行数据处理，最终计算并显示出测量结果，即金刚石刀具圆弧波纹度值；

金刚石刀具研磨机或具有相似结构的研磨机加工出圆弧修光刃金刚石刀具后，在其床身搭建如上所述在位检测装置，实现金刚石刀具刀尖圆弧波纹度的在位精密测量与评价。

图4中的进给箱25上设置摆轴组件26，摆轴组件26上设置分度夹具27，分度夹具内的金刚石刀具在砂轮盘28上打磨，所述的砂轮盘28套在主轴29上，主轴29设置在行星轴30上，行星轴30进行旋转运动，行星轴3所在运行箱31在导轨上往复运动。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其特征是：其组成包括进给台(1)，所述的进给台(1)的顶面设置研磨机床摆轴(2)，所述的研磨机床摆轴(2)的上表面设置金刚石刀具夹具(3)，所述的金刚石刀具夹具(3)上设置金刚石刀具(4)；

所述的进给台(1)上还设置二维精密运动平台(5)，所述的二维精密运动平台(5)上设置磁性表座(6)，所述的磁性表座(6)的横向支杆上设置C_LVDT夹具(7)，所述的C_LVDT夹具(7)的上表面设置水平珠(8)，所述的C_LVDT夹具(7)的前端设置C_LVDT(9)，所述的进给台(1)与L形支架(10)的竖向底端连接，所述的L形支架(10)的横向支杆底设置磁性表座(6)的竖向支杆，所述的L形支架(10)的横向支杆上设置CCD体视显微镜(11)，所述的C_LVDT(9)配合金刚石刀具(4)使用。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其特征是：所述的C_LVDT(9)包括接触式金刚石探针(13)，所述的接触式金刚石探针(13)装在方形轴(14)的内腔中，所述的方形轴(14)设置在多孔质碳座(15)的内腔中，并由端盖(12)轴向阻挡防止方形轴(14)探头从多孔质碳座(15)中脱离，所述的多孔质碳座(15)设置在不锈钢外壳(16)内，所述的方形轴(14)的后端设置电容探测靶标(17)，所述的电容探测靶标(17)的后侧设置电容探头(18)，电容探测靶标(17)和电容探头(18)均设置在不锈钢外壳(16)内，所述的不锈钢外壳(16)后端沿轴向设有螺纹安装孔，所述的螺纹安装孔内螺纹连接有接触压力调整螺钉(19)，不锈钢外壳(16)后端设置气源进口(20)；

所述的不锈钢外壳(16)的前端设置探针回缩口(21)。

3.根据权利要求1或2所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其特征是：所述的C_LVDT夹具(7)包括传感器支架(24)，所述的铜套(22)设置在传感器支架(24)的首端，所述的传感器支架(24)的尾端装配有磁性表座(6)的横向支杆，所述的紧固螺钉(23)穿过磁性表座(6)的横向支杆并装配在传感器支架(24)的尾端，所述的传感器支架(24)的上顶面设置水平珠(8)。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石刀具圆弧波纹度的在位检测装置，其特征是：信号采集、处理控制计算机与NI数据采集双向传输信号，所述的信号采集、处理控制计算机将信号经过数据处理后得到刀尖圆弧波纹度；

所述的NI数据采集将信号传输至C_LVDT控制器，所述的C_LVDT控制器与C_LVDT位移传感器双向传输信号，所述的C_LVDT金刚石探针与圆弧刃金刚石刀具相接触，所述的圆弧刃金刚石刀具所连接的金刚石刀具研磨机床摆轴与研磨机控制计算机双向传输信号，所述的研磨机控制计算机通过1394接口与CCD图像传感器、高倍体视显微镜双向传输信号。