CN110657756A - 一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法 - Google Patents

一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法 Download PDF

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张昌荣
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Abstract

本发明公开了一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，包括刀片/刀具实体导入步骤、实体合模构建步骤、倒模实体脱模取出步骤、光谱成像扫描步骤、结构尺寸拾取步骤和几何特征数据存储步骤。本发明通过引入实体合模构建技术和多光谱成像扫描技术，解决了现有技术的测量方法无法直接实现刀片/刀具内凹式结构精准测量的行业性难题，能极大提升刀片/刀具测量的精度和效率，可为刀片/刀具的结构设计提供关键结构部位的几何数据信息。

Description

一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法
技术领域
本发明涉及金属切削刀具技术领域，特别是涉及一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法。
背景技术
在金属切削刀具技术领域中，刀片/刀具介观尺寸结构(0.001～0.1mm)是影响刀具综合性能最主要因素之一，也是最难通过传统分析方法直接获得其全部数据的关键技术点之一。刀片/刀具制造及其应用领域用来测量刀片/刀具结构特征的主要方法有：接触式测量法和非接触式测量法。接触式测量法的测量原理主要是采用传感器与刀片/刀具进行直接接触，通过两者之间的相对运动来记录空间位置和轨迹信息，进而将这些信息转化为所测刀片/刀具的结构信息。
目前，接触式测量法采用的仪器主要是轮廓仪和三坐标测量仪。其中，轮廓仪由于其采用触针与被测刀片/刀具表面进行滑移来实现测量，因此只能形成简单的轮廓线，无法实现复杂结构的精密测量，尤其是针对刀片/刀具的圆柱孔的几何中心截面测量，轮廓仪更是无法保证其触针与圆柱孔的圆心位置精准重合；而三坐标测量仪虽然能实现复杂结构的测量，但其探针直径影响了其可测量的内凹式结构尺寸，探针长度影响了其可测量的深度，同时其测量机构与被测物体往往存在空间位置干涉问题。
为了弥补接触式测量方法的缺陷，一种非接触式测量法孕育而生。非接触式测量法是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。当前，刀具行业采用的典型非接触式仪器主要是投影仪、光学电子显微镜及光学轮廓仪等。由于此种方法采用的是光电和电磁等技术手段，因此要获得刀片/刀具某一个结构的形貌特征及尺寸，光电或电磁波必须要能无障碍地接触到该结构，如果结构复杂(对光、电磁有遮挡)，那么便无法精准获得该结构的几何数据信息，比如：深度较深或结构较复杂或尺寸较小的内凹式结构，就难以精准获得对应的数据信息。
因此，不管是接触式还是非接触式测量方法，在不改变测量手段的前提下要直接获得刀片/刀具内凹式结构的几何精准数据，并应用于三维模型的构建从而完成整个刀片/刀具的精准建模是一项难度非常大、耗时非常长的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，通过引入实体合模构建技术和多光谱成像扫描技术，解决了现有技术的测量方法无法直接实现刀片/刀具内凹式结构精准测量的行业性难题，能极大提升刀片/刀具测量的精度和效率，可为刀片/刀具的结构设计提供关键结构部位的几何数据信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，包括如下步骤：
A.刀片/刀具实体导入步骤，该步骤是通过刀片/刀具实体导入来分析刀片或整体刀具需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构；
B.实体合模构建步骤，该步骤是采用固化剂对所述需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构进行实体合模构建；
C.倒模实体脱模取出步骤，该步骤是采用脱模方式将步骤B形成的内凹式结构的倒模实体取出，所述倒模实体具有与所述内凹式结构相对应的外凸式结构特征；
D.多光谱成像扫描步骤，该步骤是采用多光谱成像扫描方式对所述倒模实体进行全方位的扫描，以获取实体倒模的高精度3D结构数据；
E.结构尺寸拾取步骤，该步骤是对3D模型进行按需测量，获取所需要的关键结构部位的尺寸信息；
F.几何特征数据存储步骤，该步骤是将获取的关键结构部位的尺寸信息存入几何特征数据库中。
所述以内凹式结构为特征的介观结构是指刀片/刀具微小或景深较大的内凹式结构。
所述固化剂为CaSO4、C25H52或ABS树脂。
所述倒模实体脱模取出步骤，还包括将倒模实体分段完整取出。
所述多光谱成像扫描步骤中是采用多光谱成像扫描仪投射出来的多波长复合光源对所述倒模实体进行全方位的扫描，从而能够将倒模实体介观结构的不同角度、尺寸及曲率完好无损的扫描出来。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过引入实体合模构建技术和多光谱成像扫描技术，利用实体合模技术构造出实体模型，实现将内凹式结构转变成外凸式结构，而后再采用多光谱光学扫描技术对模型的介观几何结构进行全方位扫描，解决了现有技术的测量方法无法直接实现刀片/刀具内凹式结构精准测量的行业性难题，提升了测量的精准度和测量效率，可为刀片/刀具的结构设计提供关键结构部位的几何数据信息。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
图2是本发明的实体导入步骤中的刀片实体图；
图3是本发明的实体导入步骤中的刀具实体图；
图4是本发明的实体合模构建步骤中的刀片实体合模示意图；
图5是本发明的实体合模构建步骤中的刀具实体合模示意图；
图6是本发明的光谱成像扫描步骤的扫描示意图；
图7是本发明的结构尺寸拾取步骤中的刀片的结构尺寸示意图；
图8是本发明的结构尺寸拾取步骤中的刀具的结构尺寸示意图。
具体实施方式
实施例
参见图1所示，本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，包括如下步骤：
A.刀片/刀具实体导入步骤S1，该步骤S1是通过刀片/刀具实体导入来分析刀片或整体刀具需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构，内凹式结构的特征是指内凹式结构的深度、宽度和角度；其中，以内凹式结构为特征的介观结构是指刀片/刀具微小或景深较大的内凹式结构；如图2所示，本实施例中，刀片10的内凹式结构为螺钉孔11，如图3所示，本实施例中，刀具20的内凹式结构为排屑槽21；
B.实体合模构建步骤S2，该步骤S2是采用固化剂对所述需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构进行实体合模构建；固化剂可以为CaSO4、C25H52或ABS树脂；
C.倒模实体脱模取出步骤S3，该步骤S3是采用脱模方式将步骤B形成的内凹式结构的倒模实体取出，所述倒模实体具有与所述内凹式结构相对应的外凸式结构特征；对于结构复杂、脱模难度大的结构，在保证实体合模不变形的前提下，可以将倒模实体分段完整取出；
如图4所示，本实施例中，刀片10的螺钉孔11结构，经过实体合模构建和倒模实体脱模取出，得到了倒模实体12；如图5所示，本实施例中，刀具20的排屑槽21结构，经过实体合模构建和倒模实体脱模取出，得到了倒模实体22；
上述步骤是将原本对测量系统有干涉的内凹式结构精准地转变成外凸式结构；
采用实体合模构建方式不仅能有效地对内凹式介观结构进行精准实体建模，而且能有效降低温度对实体模型尺寸和精度的影响，此外还能极大地提升测量分析的自由度；
D.多光谱成像扫描步骤S4，该步骤S4是采用多光谱成像扫描方式对所述倒模实体进行全方位的扫描，以获取实体倒模的高精度3D结构数据；如图6所示，多光谱成像扫描步骤中是采用多光谱成像扫描仪30投射出来的多波长复合光源31对所述倒模实体M进行全方位的扫描，从而能够将倒模实体介观结构的不同角度、尺寸及曲率完好无损的扫描出来；
采用多光谱成像扫描，投射出来的多波长复合光源能最大程度地确保实体合模介观结构不同角度、尺寸及曲率被完好无损的扫描出来，而且能有效规避了单种光源(如：激光、蓝光、红光等)衍射范围小的问题；此外，多光谱成像扫描因采用非接触式测量，因此能有效防止因机械接触而发生被测物体产生物理位移等问题的产生；多光谱成像扫描的垂直扫描精度比传统非接触式扫描技术的精度提升了3个数量级，即垂直分辨率高达0.1纳米；
E.结构尺寸拾取步骤S5，该步骤S5是对3D模型进行按需测量，获取所需要的关键结构部位的尺寸信息；如图7所示，本实施例中，刀片10的螺钉孔11的介观结构是通过对倒模实体12的对应位置的3D结构数据的提取来获得；如图8所示，本实施例中，刀具20的排屑槽21的介观结构是通过对倒模实体22的对应位置的3D结构数据的提取来获得；采用多光谱成像扫描技术扫描出来的外凸式结构电子模型为结构尺寸拾取技术提供源数据，该技术能将电子模型进行任意位置的法向截取；因此，采用结构尺寸拾取技术对该电子模型进行有针对性的尺寸拾取可实现结构的数据化目标；
F.几何特征数据存储步骤S6，该步骤S6是将获取的关键结构部位的尺寸信息存入几何特征数据库中。
本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，首先是要确定刀片或刀具需要测量的内凹式结构。因为刀片或刀具的整体尺寸比较小，其内凹式结构的几何特征会更小，尤其是那种小尺寸、大景深的内凹式结构极大地限制了测量的自由度；而外凸式结构的测量相比于内凹式结构测量就显得容易，因为外凸结构的所有几何特征均显露在外面，测量过程中干涉的情况较少。
在确定完内凹结构后，接着采用实体合模构建方式进行实体反向模构造，其中该过程采用的造型材料主要有CaSO4、C25H52及ABS树脂等固化剂。实体合模构建主要是形成内凹式结构的倒模实体，采用上面的固化剂主要是考虑到脱模的便捷性以及受室温影响小这两方面的因素，从而最终获得高精度的倒模实体。
接着需要将所获得的倒模实体脱模取出，然后采用多光谱成像扫描技术进行全方位的扫描。采用多光谱能有效避免复杂几何结构对单种光源造成干涉而无法获取几何数据问题的产生。其中，多光谱成像扫描主要是形成实体倒模的高精度3D结构数据。
而后将所获得的3D模型数据采用结构尺寸拾取技术获取设计过程中所需要的关键结构部位的尺寸信息，即：通过该技术手段，可以对3D模型进行按需测量，而且基于前面所述的高精度获取，在结构尺寸拾取步骤中进行任何方向的剖面和测量都能确保与原始实物匹配的高精密性。
最后，将所获得的结构信息放入几何特征数据库，为后续的设计研发及拓扑技术储备相关的结构数据信息。
本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，采用实体合模构建技术就是将内凹式结构通过固化剂倒模将内凹式结构反向成外凸式结构的一种技术，是高精密扫描的关键一环。实体合模构建技术是内凹式结构转变成外凸式结构的关键技术，能有效确保反向后的结构的精度；此外，内凹变外凸的优点在于：外凸式结构的关键部位都显露在外，对几乎没有干涉问题的存在。多光谱成像扫描技术是采用高精密光学系统进行实体扫描的一种技术。此步骤采用的高精密光学系统其发射出来的光束为复合光源，其中，光束组成与白光类似即包含红光、橙光、黄光、绿光、青光、蓝光以及紫光等多种。多种光组成，能有效避免因几何结构的尺寸与某种波长的光产生干涉或衍射而无法被探测到等问题的产生。其应用原理为：将光束发射到所需要测量的结构中，多光谱之间的光程差的所引起的反射差异信息会被系统精确的捕捉，而反馈形成结构亚微观尺寸的细微变化和差异性。因此，通过多光谱所形成的光学干涉条纹的移动变化便可测量物体的几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的物理量。
本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，结构尺寸拾取技术拾取的是内凹式结构的倒模尺寸，实体倒模和对应的内凹式结构几何形状是高精密贴合在一起的，所以几何尺寸是一致的，拾取到的所有几何数据均能在任何三维建模软件上应用。通过这个实体倒模尺寸便能无损创建出内凹式结构的三维模型。将前面测到的内凹式尺寸数据的ISO格式，如：Prt\igs\stp\dxf\dwg\catpart\STL\等30种格式存储于数据库中，任何三维建模软件，如：UG、CATIA、SOLIDWORKS及ProE等都可以通过调用的方式读取。此外，也可以通过拓扑技术实现结构设计的最优化，如仿真分析。
本发明的一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，通过引入实体合模构建技术和多光谱成像扫描技术，利用实体合模技术构造出实体模型，实现将内凹式结构转变成外凸式结构，而后再采用多光谱光学扫描技术对模型的介观几何结构进行全方位扫描，解决了现有技术的测量方法无法直接实现刀片/刀具内凹式结构精准测量的行业性难题，提升了测量的精准度和测量效率，可为刀片/刀具的结构设计提供关键结构部位的几何数据信息。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
A.刀片/刀具实体导入步骤，该步骤是通过刀片/刀具实体导入来分析刀片或整体刀具需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构；
B.实体合模构建步骤，该步骤是采用固化剂对所述需要精准测量的以内凹式结构为特征的介观结构进行实体合模构建；
C.倒模实体脱模取出步骤，该步骤是采用脱模方式将步骤B形成的内凹式结构的倒模实体取出，所述倒模实体具有与所述内凹式结构相对应的外凸式结构特征；
D.多光谱成像扫描步骤，该步骤是采用多光谱成像扫描方式对所述倒模实体进行全方位的扫描，以获取实体倒模的高精度3D结构数据；
E.结构尺寸拾取步骤，该步骤是对3D模型进行按需测量，获取所需要的关键结构部位的尺寸信息；
F.几何特征数据存储步骤，该步骤是将获取的关键结构部位的尺寸信息存入几何特征数据库中。
2.根据权利要求1所述的刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，其特征在于：所述以内凹式结构为特征的介观结构是指刀片/刀具微小或景深较大的内凹式结构。
3.根据权利要求1所述的刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，其特征在于：所述固化剂为CaSO4、C25H52或ABS树脂。
4.根据权利要求1所述的刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，其特征在于：所述倒模实体脱模取出步骤，还包括将倒模实体分段完整取出。
5.根据权利要求1所述的刀片/刀具内凹式结构精准测量方法，其特征在于：所述多光谱成像扫描步骤中是采用多光谱成像扫描仪投射出来的多波长复合光源对所述倒模实体进行全方位的扫描，从而能够将倒模实体介观结构的不同角度、尺寸及曲率完好无损的扫描出来。
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