CN112461523B - 一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反转形貌法的高精度刀具磨损测量振动压入装置，包括超声波发生器、换能器、带法兰变幅杆、铝悬臂梁、电容式传感器、支撑架、移动装置、压紧片和装夹平台。本发明将刀具的切削部分复刻在软质金属上，通过对未磨损与已磨损刀具的复刻形貌进行对比，得到刀具的磨损量。反转形貌法检测精度高，适合金刚石刀具等高精度刀具磨损检测。在测量过程中由于刀具直接压入软质金属易存在弹性变形回复，较大的影响了刀具切削部分的复刻形貌精度，无法实现高精度的刀具磨损检测，而振动压入可以减少刀具轮廓复制过程中软质金属的弹性变形回复率，减小压印的误差，从而提高了检测精度。

Description

一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置
技术领域
本发明属于刀具磨损检测领域，涉及通过振动压入和胶粘装夹的高精度刀具磨损检测装置。
背景技术
刀具磨损是机械加工领域中始终存在的问题。刀具的磨损会影响刀具的切削性能，从而影响到被加工工件的加工精度，达到磨钝标准后的刀具如不及时更换还会威胁到加工安全。进行刀具磨损检测可有效控制机械加工过程，从而保证加工质量。同时还可在刀具达到磨钝标准之前实现对刀具的充分利用，或者在刀具达到磨钝标准时进行及时更换。传统刀具磨损检测技术大多为将刀具从机床主轴上拆卸下来，到工具显微镜或者测量机上进行刀具磨损情况测量，存在着检测精度低、过程繁琐、速度慢等缺陷。中国专利CN200910031737.9提出了一种基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法。该方法将工件材料和复制材料分别用标准夹具安装在同一数控机床工作台上，采用预设距离直接压入的方式将刀具形状复制在复制材料上。该方法在复制刀具形状过程中采取预设距离直接压入的方式会造成复制材料弹性变形回复率大等问题，较大的影响了刀具切削部分的复刻形貌精度，无法实现高精度的刀具磨损测量。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高刀具切削部分的复刻形貌精度的基于反转形貌法的高精度刀具磨损测量振动压入装置。
为了实现上述目的，本发明的基本思路是：在反转形貌法的基础上，将软质金属采用胶粘装夹的方式固定在振动压入装置的平台上，使刀具压入软质金属过程中能够实现振动压入的功能。反转形貌法就是将刀具的切削部分复刻在软质金属上，通过对未磨损与已磨损刀具的复刻形貌进行对比，得到刀具的磨损量。反转形貌法检测精度高，适合金刚石刀具等高精度刀具磨损检测。在测量过程中由于刀具直接压入软质金属易存在弹性变形回复，较大的影响了刀具切削部分的复刻形貌精度，无法实现高精度的刀具磨损检测，而振动压入可以减少刀具轮廓复制过程中软质金属的弹性变形回复率，减小压印的误差，从而提高了检测精度。
本发明的技术方案如下：一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置，包括超声波发生器、换能器、带法兰变幅杆、铝悬臂梁、电容式传感器、支撑架、移动装置、压紧片和装夹平台；设装夹平台的前后方向为X方向、左右方向为Y方向、上下方向为Z方向。
所述超声波发生器通过信号传输线与换能器连接；所述换能器的上端与带法兰变幅杆的大端固定连接，带法兰变幅杆的小端与装夹平台固定连接；所述装夹平台上通过胶粘装夹的方式固定软质金属；所述换能器的下端与电容式传感器的上端接触，所述电容式传感器的下端固定在支撑架上，所述支撑架固定在移动装置上；所述带法兰变幅杆通过固定板固定在铝悬臂梁上。
所述支撑架由支撑板、铝悬臂梁和传感器固定架组成；所述支撑板有两块，垂直固定在移动装置上；所述传感器固定架水平固定在两块支撑板之间，构成H型结构；所述支撑板的内侧设置铝悬臂梁，通过螺钉安装在支撑板上，铝悬臂梁之间设有圆孔，圆孔两侧设置有压紧片，当带法兰变幅杆的法兰盘卡在圆孔上时，通过压紧片将其固定在铝悬臂梁上；传感器固定架用于固定电容式传感器，通过调整电容式传感器在传感器固定架上的的固定位置以使传感器探针与换能器的距离在电容式传感器的测量范围内；
所述移动装置包括X滑动板、X限位条、Y导轨、底板、Y滑动板、Y限位条、Y螺杆、X导轨和X螺杆；所述X滑动板下侧设置有两处X导轨，X导轨两端设置有X限位条，所述X螺杆穿过X滑动板的螺纹孔、两端与X限位条固定，所述X滑动板与X导轨滑动连接；所述X导轨和X限位条均固定在Y滑动板上；所述Y滑动板下侧设置有两处Y导轨，Y导轨两端设置有Y限位条，所述Y螺杆穿过Y滑动板的螺纹孔、两端与Y限位条固定，所述Y滑动板与Y导轨滑动连接；所述支撑架固定在X滑动板上，所述Y导轨和Y限位条均固定在底板上。
进一步地，所述底板上有螺纹孔，通过螺栓与机床固定连接。
一种利用基于反转形貌法的刀具磨损检测振动压入装置进行磨损测量的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取软质金属，对其表面进行研磨。
步骤二、将软质金属采用胶粘装夹的方式固定在振动压入装置的装夹平台上，将振动压入装置安装在机床上，保证软质金属处于刀具能够压印的位置，同时不影响工件的正常加工。
步骤三、接通电源，超声波发生器通过信号传输线与换能器连接，将电信号转换成机械振动，带法兰变幅杆对机械振动进行放大，保证装夹平台上的软质金属产生持续高频振动，使刀具压入软质金属进行刀具轮廓复制过程中实现振动压入。
进一步通过电容式传感器感知铝悬臂梁的挠度变化，进而反馈给刀具进给机构控制部，实现反转形貌过程中压入深度的控制。电容式传感器通过调整其固定在传感器固定架上的位置从而在Z方向移动以确认传感器探针与换能器的距离在电容式传感器的测量范围内，并通过转动X螺杆和Y螺杆使X滑动板和Y滑动板分别在在X导轨和Y导轨上滑动，以使电容传感器探针的中心与刀具刀尖对准。
步骤四、使用表面轮廓测量仪对软质金属上刀具压印后形成的轮廓进行测量，得到刀具形貌数据信息，进一步对数据进行处理，得到刀具的磨损量信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用振动压入的方式，可以减少刀具轮廓复制过程中软质金属的弹性变形回复率，减小压印的误差，实现高精度的刀具磨损测量。
2、本发明采用胶粘装夹形式对软质金属进行固定，结构简单，易于实现。
3、本发明可以安装在不同型号的精密或超精密机床上，实现高精度的刀具在线磨损测量。
附图说明
图1为振动压入装置主视结构示意图；
图2为振动压入装置轴侧结构示意图；
图3为振动装置安于机床上示意图。
图中：1、软质金属；2、带法兰变幅杆；3、换能器；4、电容式传感器；5、移动装置；6、支撑板；7、铝悬臂梁；8、信号传输线；9、超声波发生器；10、装夹平台；11、螺钉；12、传感器固定架；13、X滑动板；14、X限位条；15、Y导轨；16、底板；17、螺纹孔；18、Y滑动板；19、Y限位条；20、Y螺杆；21、X导轨；22、X螺杆；23、压紧片；24、振动压入装置；25、刀具；26、机床；27、工件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置，包括超声波发生器9、换能器3、带法兰变幅杆2、铝悬臂梁7、电容式传感器4、支撑架、移动装置5、压紧片23和装夹平台10；设装夹平台10的前后方向为X方向、左右方向为Y方向、上下方向为Z方向。
所述超声波发生器9通过信号传输线8与换能器3连接；所述换能器3的上端与带法兰变幅杆2的大端固定连接，带法兰变幅杆2的小端与装夹平台10固定连接；所述装夹平台10上通过胶粘装夹的方式固定软质金属1；所述换能器3的下端与电容式传感器4的上端接触，所述电容式传感器4的下端固定在支撑架上，所述支撑架固定在移动装置5上；所述带法兰变幅杆2固定在铝悬臂梁7上。
所述支撑架由支撑板6、铝悬臂梁7和传感器固定架12组成；所述支撑板6有两块，垂直固定在移动装置5上；所述传感器固定架12水平固定在两块支撑板6之间，构成H型结构；所述支撑板6的内侧设置铝悬臂梁7，通过螺钉11安装在支撑板6上，铝悬臂梁7之间设有圆孔，圆孔两侧设置有压紧片23，当带法兰变幅杆2的法兰盘卡在圆孔上时，通过压紧片23将其固定在铝悬臂梁上；传感器固定架12用于固定电容式传感器4，通过调整电容式传感器4在传感器固定架12上的的固定位置以使传感器探针与换能器3的距离在电容式传感器4的测量范围内；
所述移动装置5包括X滑动板13、X限位条14、Y导轨15、底板16、Y滑动板18、Y限位条19、Y螺杆20、X导轨21和X螺杆22；所述X滑动板13下侧设置有两处X导轨21，X导轨21两端设置有X限位条14，所述X螺杆22穿过X滑动板13的螺纹孔17、两端与X限位条14固定，所述X滑动板13与X导轨21滑动连接；所述X导轨21和X限位条14均固定在Y滑动板18上；所述Y滑动板18下侧设置有两处Y导轨15，Y导轨15两端设置有Y限位条19，所述Y螺杆20穿过Y滑动板18的螺纹孔17、两端与Y限位条19固定，所述Y滑动板18与Y导轨15滑动连接；所述支撑架固定在X滑动板13上，所述Y导轨15和Y限位条19均固定在底板16上。
进一步地，所述底板16上有螺纹孔17，通过螺栓与机床26固定连接。
一种利用基于反转形貌法的刀具磨损检测振动压入装置进行磨损测量的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取软质金属1，对其表面进行研磨。
步骤二、将软质金属1采用胶粘装夹的方式固定在振动压入装置24的装夹平台10上，将振动压入装置24安装在机床26上，保证软质金属1处于刀具25压印的位置，同时不影响工件27的正常加工。
步骤三、接通电源，超声波发生器9通过信号传输线8与换能器3连接，将电信号转换成机械振动，带法兰变幅杆2对机械振动进行放大，保证装夹平台10上的软质金属1产生持续高频振动，使刀具25压入软质金属1进行刀具25轮廓复制过程中实现振动压入。
进一步通过电容式传感器4感知铝悬臂梁7的挠度变化，进而反馈给刀具25进给机构控制部，实现反转形貌过程中压入深度的控制。电容式传感器4通过调整其固定在传感器固定架12上的位置从而在Z方向移动以确认传感器探针与换能器3的距离在电容式传感器4的测量范围内，并通过转动X螺杆22和Y螺杆20使X滑动板13和Y滑动板18分别在在X导轨21和Y导轨15上滑动，以使电容传感器探针的中心与刀具25刀尖对准。
步骤四、使用表面轮廓测量仪对软质金属1上刀具25压印后形成的轮廓进行测量，得到刀具25形貌数据信息，进一步对数据进行处理，得到刀具25的磨损量信息。
本发明适合在精密或超精密机床26上安装，对于特定的车床，仅需要提供与车床相适应的支撑架底座(改变支撑架底座上螺纹孔17的大小即可)。具体操作过程为：针对特定车床，首先对本发明的支撑架底座进行改造，将本发明用螺栓安装到车床上，再对本发明进行调整，将软质金属1胶粘固定在振动压入装置24工作平台上，安装时需保证软质金属1处于刀具25能够压印的位置，同时不影响工件27的正常加工。随后打开超声波发生器9电源，超声波发生器9通过信号传输线8与换能器3连接，将电信号转换成机械振动，带法兰变幅杆2对机械振动进行放大，使刀具25轮廓复制过程中能够实现振动压入。振动压入过程中根据电容式传感器4的变化对刀具25的进给机构进行控制，实现对压入深度的控制。最后，使用表面轮廓测量设备对软质金属1上刀具25压印后形成的轮廓进行测量，得到刀具25形貌数据信息，再进一步对数据进行处理，得到刀具25的磨损量信息。
本发明的振动压入装置24结构简单，适用性广，在基于反转形貌法的刀具25磨损测量过程中，能够有效减少刀具25轮廓复制过程中工件27材料的弹性变形率，减少压印的误差，实现高精度的刀具25磨损在线测量。本发明的基本工作原理为：超声波发生器9通电产生高频交流电信号，产生的电信号通过信号传输线8传递给换能器3，换能器3将接收到的交流电信号转化为机械振动，经带法兰变幅杆2进一步放大，使工件27振动，保证刀具25压印轮廓时为振动压入，同时采用电容式传感器4感受铝悬臂梁7挠度的变化来控制刀具25的进给机构，实现对压入深度的控制。
以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置，包括超声波发生器(9)、换能器(3)、带法兰变幅杆(2)、铝悬臂梁(7)、电容式传感器(4)、支撑架、移动装置(5)、压紧片(23)和装夹平台(10)；设装夹平台(10)的前后方向为X方向、左右方向为Y方向、上下方向为Z方向；
其特征在于：所述超声波发生器(9)通过信号传输线(8)与换能器(3)连接；所述换能器(3)的上端与带法兰变幅杆(2)的大端固定连接，带法兰变幅杆(2)的小端与装夹平台(10)固定连接；所述带法兰变幅杆(2)固定在铝悬臂梁(7)上；铝悬臂梁(7)之间设有圆孔，圆孔两侧设置有压紧片(23)，当带法兰变幅杆(2)的法兰盘卡在圆孔上时，通过压紧片(23)将其固定在铝悬臂梁上；
所述装夹平台(10)上通过胶粘装夹的方式固定软质金属(1)；
所述换能器(3)的下端与电容式传感器(4)的上端接触，所述电容式传感器(4)的下端固定在支撑架上，所述支撑架固定在移动装置(5)上；所述支撑架由支撑板(6)、铝悬臂梁(7)和传感器固定架(12)组成；传感器固定架(12)用于固定电容式传感器(4)，通过调整电容式传感器(4)在传感器固定架(12)上的的固定位置以使传感器探针与换能器(3)的距离在电容式传感器(4)的测量范围内；
所述支撑板(6)有两块，垂直固定在移动装置(5)上；所述传感器固定架(12)水平固定在两块支撑板(6)之间，构成H型结构；所述支撑板(6)的内侧设置铝悬臂梁(7)，通过螺钉(11)安装在支撑板(6)上；
所述移动装置(5)包括X滑动板(13)、X限位条(14)、Y导轨(15)、底板(16)、Y滑动板(18)、Y限位条(19)、Y螺杆(20)、X导轨(21)和X螺杆(22)；所述X滑动板(13)下侧设置有两处X导轨(21)，X导轨(21)两端设置有X限位条(14)，所述X螺杆(22)穿过X滑动板(13)的螺纹孔(17)、两端与X限位条(14)固定，所述X滑动板(13)与X导轨(21)滑动连接；所述X导轨(21)和X限位条(14)均固定在Y滑动板(18)上；所述Y滑动板(18)下侧设置有两处Y导轨(15)，Y导轨(15)两端设置有Y限位条(19)，所述Y螺杆(20)穿过Y滑动板(18)的螺纹孔(17)、两端与Y限位条(19)固定，所述Y滑动板(18)与Y导轨(15)滑动连接；所述支撑架固定在X滑动板(13)上，所述Y导轨(15)和Y限位条(19)均固定在底板(16)上；
利用基于反转形貌法的刀具磨损检测振动压入装置进行磨损测量的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取软质金属(1)，对其表面进行研磨；
步骤二、将软质金属(1)采用胶粘装夹的方式固定在振动压入装置(24)的装夹平台(10)上，将振动压入装置(24)安装在机床(26)上，保证软质金属(1)处于刀具(25)压印的位置，同时不影响工件(27)的正常加工；
步骤三、接通电源，超声波发生器(9)通过信号传输线(8)与换能器(3)连接，将电信号转换成机械振动，带法兰变幅杆(2)对机械振动进行放大，保证装夹平台(10)上的软质金属(1)产生持续高频振动，使刀具(25)压入软质金属(1)进行刀具(25)轮廓复制过程中实现振动压入；
进一步通过电容式传感器(4)感知铝悬臂梁(7)的挠度变化，进而反馈给刀具(25)进给机构控制部，实现反转形貌过程中压入深度的控制；电容式传感器(4)通过调整其固定在传感器固定架(12)上的位置从而在Z方向移动以确认传感器探针与换能器(3)的距离在电容式传感器(4)的测量范围内，并通过转动X螺杆(22)和Y螺杆(20)使X滑动板(13)和Y滑动板(18)分别在在X导轨(21)和Y导轨(15)上滑动，以使电容传感器探针的中心与刀具(25)刀尖对准；
步骤四、使用表面轮廓测量仪对软质金属(1)上刀具(25)压印后形成的轮廓进行测量，得到刀具(25)形貌数据信息，进一步对数据进行处理，得到刀具(25)的磨损量信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于反转形貌法的刀具磨损测量振动压入装置，其特征在于：所述底板(16)上有螺纹孔(17)，通过螺栓与机床(26)固定连接。
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