CN108942413B - 超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪及对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪及对刀方法，对刀仪包括支撑环体、X、Y两个方向的镜头、CCD以及X方向的照明光源，在支撑环体对应车床坐标的X轴方向安装X方向镜头及其CCD，在支撑环体对应车床坐标的Y轴方向安装Y方向镜头及其CCD，其中X、Y方向镜头位于支撑环体的内侧，X、Y方向CCD位于支撑环体的外侧，在支撑环体内侧朝向X方向镜头安装照明光源。本发明的对刀仪及其对刀方法代替传统的试切法，实现了超精密加工刀具高精度光学在线检测，克服了超精密加工中刀具位置调整周期长和刀具磨损难于避免的难点问题，大幅度提高加工效率，并使刀具零磨损，具有较大的应用前景和推广价值。

Description

超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪及对刀方法

技术领域

本发明属于超精密制造领域，同时属于机械参数测量领域，涉及到一种超精密车削金刚石刀具非接触的测量技术，尤其是一种超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪及对刀方法。

背景技术

随着现代化社会生活节奏的加快以及能源消耗的加剧，人们希望仪器设备能够更加便携和节能，因此，现代光电子仪器无论是军用还是民用都在朝着小型化、集成化和轻量化的方向发展。传统光学系统所使用的光学元件主要是平面或球面，需要借助多片光学元件才能实现良好的光学设计需求，因此，光学系统一般较复杂。随着光学制造业的发展，开始出现了非球面和自由曲面，不仅能最大程度的简化系统结构，实现集成化，还能最大限度的提高和改善系统性能，被逐渐的用于小型化和轻型化的系统中。

只有在自由曲面能够被制造的前提下，才有可能发展出自由曲面光学。目前，超精密单点金刚石车削技术是可实现高精度光学自由曲面的制造手段之一。该技术的优点在于机床控制精度高、刀具可刃磨的足够锋利，在配合优质的切削材料和mN级的切削力可实现纳米级表面粗糙度和亚微米级面型偏差的光学元器件。

金刚石刀具与机床间的空间位置精确度是超精密单点金刚石车削加工获得高精度光学面型的必备条件之一，需要通过光学对刀仪进行粗略校正，并结合反复试切法精确校正(俗称对刀)。目前，单点金刚石超精密车床刀具测量方法主要有立式显微镜光学检测装置和气浮线性可调差动变压器(LVDT)检测装置，普遍存在重复定位精度差，可靠性低，必须依赖反复试切测量校正对刀偏差的方法弥补测量装置的不足。

用于超精密车床的传统悬挂式光学对刀系统重复性定位精度大于10μm，且可靠性差，因为结构为支撑点远离切削区域的悬臂梁结构，而加工PV值要求一般在0.5um～1um，光学对刀后，仍然需试切法进行刀具精确位置校准，造成时间浪费和工具无效磨损。

发明内容

本发明以提高单点金刚石精密加工精度和加工效率为最终目标，以加工中刀具位置检测系统为研究对象，针对现有的立式显微对刀系统的重复定位精度差、分辨率低等问题以及试切法对刀具效率低和刀具磨损等问题，拟开发一套新型光学刀具在线检测装置。该装置基于图像识别技术，采用新型的超高重复定位精度的机械结构及光学系统实现超精密加工过程对刀具参数的自动获取，并可通过计算修整刀具偏移量，满足光学自由曲面加工精度的需要，解决超精密加工中刀具位置难于修整的问题。

实现本发明目的的技术方案：

一种超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪，其特征在于：包括支撑环体、X、Y两个方向的镜头、CCD以及X方向的照明光源，在支撑环体对应车床坐标的X轴方向安装X方向镜头及其CCD，在支撑环体对应车床坐标的Y轴方向安装Y方向镜头及其CCD，其中X、Y方向镜头位于支撑环体的内侧，X、Y方向CCD位于支撑环体的外侧，在支撑环体内侧朝向X方向镜头安装照明光源。

而且，所述的X、Y方向CCD的像素的计算公式为：

而且，所述的X、Y方向镜头最大放大倍数的计算公式为：

一种超精密车削金刚石刀具非接触精准位置的对刀方法：包括如下步骤：

(1)调节刀具圆弧中心与主轴中心超精密对正；

(2)获取刀具图像，并通过图像处理得到金刚石刀具参数。

步骤(1)所述的超精密对正方法包括如下步骤：

①利用电感仪校正支撑环体的径向跳动基准面与主轴同轴度小于100nm；

②利用电感仪寻找Y向CCD集成基准面与XOZ面平行，平行度小于100nm。

步骤(2)所述的获取刀具图像的方法为：Y方向镜头完成刀尖圆弧半径的测量，X方向镜头完成刀尖空间位置的测量，通过CCD将金刚石刀具转换成图像信号，传输到工控机中，通过图像处理系统进行处理，得到刀具的边缘轮廓，计算出半径、角度集合参数，并以一定的格式存储及输出和显示。

步骤(2)所述的通过图像处理得到金刚石刀具参数的方法为：依靠图像预处理、图像特征点的提取与匹配、特征点的重构得到特征点在视觉系统内的三维坐标值；根据已精确标定的视觉系统坐标系构建刀具与后续加工系统坐标系空间位置关系，从而实现精密对刀过程。

本发明回转支撑的设计避免了原来悬臂式光学对刀装置由于重力引起的重复定位精度差的缺点，可以达到很高的重复定位精度，即可以保证相机焦点和机床主轴之间的相对位置关系。通过光学测量系统将金刚石刀具转换为图像信号，传输到工控机中，通过图像处理系统进行处理，根据像素分布和亮度等信息，得到刀具的边缘轮廓，计算出半径、角度等几何参数，并以一定的格式存储及输出显示。通过研究对刀误差对零件尺寸精度和形状精度产生的影响，分别提出车床X和Y方向对刀误差引起的车削加工尺寸误差模型，进一步分析对刀误差对切削加工形状的影响。并采用圆弧轮廓度参数化标定技术，将对刀误差及机床误差综合运动误差补偿到加工路径中，提高光学自由曲面的加工精度。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明对刀仪可将测量系统重复性定位精度控制在1um以内，配合高倍放大镜头提取刀具轮廓位置信息，快速准确修正刀具位置偏差，从而提高加工效率避免刀具磨损，打破常规技术束缚，为超精密加工工艺链增添新的技术力量。

2、本发明对刀方法代替传统的试切法，实现了超精密加工刀具高精度光学在线检测，克服了超精密加工中刀具位置调整周期长和刀具磨损难于避免的难点问题，大幅度提高加工效率，并使刀具零磨损，具有较大的应用前景和推广价值。

附图说明

图1为本对刀仪的立体结构图；

图2为三轴单点金刚石车床结构示意图；

图3(a)为本对刀仪的使用状态图；；

图3(b)本对刀仪在三轴单点金刚石车床真空吸盘上的安装示意图；

图4为本对刀仪的工作原理框图；

图5为本对刀仪光学检测过程示意图；

图6为对刀误差对工件加工面形的影响模型；

图7现有的悬挂式光学对刀系统对刀后加工表面PV值；

图8利用本专利的补偿式对刀方法加工后表面PV值。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明的具体实施步骤为：

1.对刀仪(金刚石刀具在线检测系统)的结构设计；

2.显微镜头和CCD参数的计算；

3.调节刀具圆弧中心与主轴中心超精密对正；

4.利用光学检测装置获取刀具图像，并通过图像处理得到金刚石刀具参数；

5.建立误差评价体系进行加工路径补偿。

本发明实施过程中提及的对刀仪(金刚石刀具在线检测系统)的结构设计的具体实施步骤为：

(1)该结构如图1所示，包括支撑环体1、X和Y两个方向的镜头、CCD以及X方向的照明光源，在支撑环体对应车床坐标的X轴方向安装X方向镜头7及其CCD8，在支撑环体对应车床坐标的Y轴方向安装Y方向镜头4及其CCD3。其中X、Y方向镜头位于支撑环体的内侧，X、Y方向CCD位于支撑环体的外侧，在支撑环体内侧朝向X方向镜头安装照明光源5。

(2)支撑环体口径为120mm，回转支撑的设计避免了原来悬臂梁式光学对刀装置由于重力引起的重复定位精度差的缺点。

本发明实施过程中提及的显微镜头和CCD参数的计算的具体实施步骤为：

(1)首先，计算CCD的像素要求，按照公式(1)，

其中测量视场的对角线长度根据测量对象，定为1.5mm，测量精度为1μm，得到CCD的像素至少应为1500，所以可以选择2048x1526像素的CCD，即可满足要求。

(2)由相机的感光面尺寸及测量系统所需要的视场大小，估算出显微镜物镜的最大放大倍数，按照公式(2)，

如，选择的CCD为1/2英寸，其感光面为6.4mmx4.8mm，测量系统所需要的物方视场宽度为则可计算出/>根据这个最大放大倍数可选择相应的显微镜；

(3)同时，镜头的选择需要考虑测量要求，如工作距离等的约束完成镜头的选型。

本发明实施过程中提及调节刀具圆弧中心与主轴中心超精密对正的具体实施步骤为：

(1)首先，利用电感仪校正径向跳动基准面6与主轴同轴度小于100nm；

(2)然后，利用电感仪寻找Y向CCD集成基准面2与XOZ面平行，平行度小于100nm，从而实现刀具圆弧中心与主轴中心超精密对正。

本发明实施过程中提及的利用光学检测装置获取刀具图像的具体实施步骤为：

(1)光学测量系统包括光学系统、图像采集系统、图像处理模块以及图形显示模块等，如图4所示；

(2)通过CCD将金刚石刀具转换成图像信号，传输到工控机中，通过图像处理系统进行处理，根据像素分布和亮度等信息，得到刀具的边缘轮廓，计算出半径、角度等集合参数，并以一定的格式存储及输出和显示；

(3)光学检测装置需要同时完成刀尖圆弧半径和刀尖的空间位置的测量，分别采用两个CCD相机进行图像获取，如图5所示。对于测量精度要求达到1μm，竖直方向的测量系统完成刀尖圆弧半径的测量，水平方向的测量系统完成刀尖空间位置的测量。

本发明实施过程中提及的利用图像处理通过刀具图像得到金刚石刀具参数的具体实施步骤为：

(1)图像处理过程如图6所示，依靠图像处理技术中的图像预处理、图像特征点的提取与匹配、特征点的重构得到特征点在视觉系统内的三维坐标值；

(2)根据已精确标定的视觉系统坐标系可构建刀具与后续加工系统坐标系空间位置关系，从而实现精密对刀过程。

本发明实施过程中提及的建立误差评价体系进行加工路径补偿的具体实施步骤为：

(1)研究对刀误差对零件尺寸精度和形状精度产生的影响，建立误差评价体系进行系统分析。将刀误差分别向高度Y方向和水平X方向投影，这样对刀误差对加工面型精度影响因素被简化成了三项：刀具高度方向调整误差、刀具水平方向调整误差及刀尖曲率半径的偏移误差，这三项误差对工件面形精度影响模型如图7所示；刀具的空间位置态直接影响加工工件的面型精度；刀尖曲率半径的偏移误差直接影响被加工工件的形状误差，刀尖圆弧半径的波纹度误差也会最终复映到加工表面上，同样影响工件表面面型；

(2)分别提出车床X和Y方向对刀误差引起的车削加工尺寸误差模型，进一步分析对刀误差对切削加工形状的影响；

(3)采用圆弧轮廓度参数化标定技术，将对刀误差及机床综合运动误差补偿到加工路径中，提高光学自由曲面的加工精度。

分别用车床上现有的悬挂式光学对刀系统和本专利的补偿式对刀方法对两个完全一样的工件进行试切，试切参数为相同的非球面，利用轮廓仪对工件表面进行测量，如图7、图8所示，通过表面PV值的对比，原方法1.8035μm，本方法0.7026μm，PV值有了明显改善。

Claims (1)

1.一种超精密车削金刚石刀具非接触精准对刀仪的对刀方法：其特征在于：

对刀仪包括支撑环体、X、Y两个方向的镜头、CCD以及X方向的照明光源，在支撑环体对应车床坐标的X轴方向安装X方向镜头及其CCD，在支撑环体对应车床坐标的Y轴方向安装Y方向镜头及其CCD，其中X、Y方向镜头位于支撑环体的内侧，X、Y方向CCD位于支撑环体的外侧，在支撑环体内侧朝向X方向镜头安装照明光源；

对刀方法包括如下步骤：

(1)调节刀具圆弧中心与主轴中心超精密对正；

(2)获取刀具图像，并通过图像处理得到金刚石刀具参数；

(3)建立误差评价体系进行加工路径补偿；

步骤(1)所述的超精密对正方法包括如下步骤：

①利用电感仪校正支撑环体的径向跳动基准面与主轴同轴度小于100nm；

②利用电感仪寻找Y向CCD集成基准面与XOZ面平行，平行度小于100nm；

步骤(2)所述的获取刀具图像的方法为：Y方向镜头完成刀尖圆弧半径的测量，X方向镜头完成刀尖空间位置的测量，通过CCD将金刚石刀具转换成图像信号，传输到工控机中，通过图像处理系统进行处理，得到刀具的边缘轮廓，计算出半径、角度几何参数，并以一定的格式存储及输出和显示；光学检测装置需要同时完成刀尖圆弧半径和刀尖的空间位置的测量，分别采用两个CCD相机进行图像获取，对于测量精度要求达到1μm，竖直方向的测量系统完成刀尖圆弧半径的测量，水平方向的测量系统完成刀尖空间位置的测量；

步骤(2)所述的通过图像处理得到金刚石刀具参数的方法为：依靠图像预处理、图像特征点的提取与匹配、特征点的重构得到特征点在视觉系统内的三维坐标值；根据已精确标定的视觉系统坐标系构建刀具与后续加工系统坐标系空间位置关系，从而实现精密对刀过程；

所述的X、Y方向CCD的像素的计算公式为：

所述的X、Y方向镜头最大放大倍数的计算公式为：

步骤(3)所述的建立误差评价体系进行加工路径补偿具体实施步骤为：

(1)研究对刀误差对零件尺寸精度和形状精度产生的影响，建立误差评价体系进行系统分析，将刀误差分别向高度Y方向和水平X方向投影，这样对刀误差对加工面型精度影响因素被简化成了三项：刀具高度方向调整误差、刀具水平方向调整误差及刀尖曲率半径的偏移误差，刀具的空间位置态直接影响加工工件的面型精度；刀尖曲率半径的偏移误差直接影响被加工工件的形状误差，刀尖圆弧半径的波纹度误差也会最终复映到加工表面上，同样影响工件表面面型；

(2)分别提出车床X和Y方向对刀误差引起的车削加工尺寸误差模型，进一步分析对刀误差对切削加工形状的影响；

(3)采用圆弧轮廓度参数化标定技术，将对刀误差及机床综合运动误差补偿到加工路径中。