微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法与流程

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法。

背景技术：

在高速微细铣削加工过程中，对刀精度直接影响工件的尺寸精度、形位精度和加工质量。由于目前高速微细铣削所用的铣刀直径越来越小，对微细铣削机床的对刀精度要求越来越高，误差过大时会影响加工质量，严重时会导致刀具破损折断。

现有的对刀方法有试切法对刀、压力接触感应式对刀、激光直射式对刀、激光衍射法对刀、图像法对刀等；试切法对刀对于高速加工中的微径铣刀尤其是以下的微径铣刀，操作调整过程繁琐对其操作人员技术水平要求较高，并且容易产生由工件表面变形导致的对刀精度降低、容易误撞刀造成刀具的破损或折断等；压力接触感应式对刀通过压力感应式对刀仪实现，压力感应式对刀仪适用的铣刀最小直径为对于直径为及以下的微径铣刀不能保证其对刀精度，并切重复多次对刀时会造成刀具崩刃；激光直射式对刀仪精度有限，对于微径铣刀容易产生误判，其对刀精度取决于传感器精度，要满足对刀的高精度要求，且价格十分昂贵；激光衍射法对刀需要刀具和工件平面产生微小间隙，需要进行微径铣刀Z方向微调，直到产生明显的衍射条纹，对于微细铣削机床整体要求偏高；图像法对刀如要达到高精度对相机的成像质量以及分辨率的要求提高，势必造成成本的大幅增加，同时图像法对刀不宜与机床集成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法，解决现有技术存在的精度低、成本高、刀具易损坏和工作效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置包括高倍率工业相机、光源、高速电主轴、刀柄、微径铣刀、微型音叉、微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台、机床安装定位模块、安装基体、计算机主控单元、图像处理单元、主控计算机与CNC系统数据交互单元、音叉谐振状态控制及检测单元、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元、微细铣削机床CNC数控系统；

所述微径铣刀通过刀柄同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴上，所述安装基体固定在机床安装定位模块上，所述三自由度纳米直线位移平台固定在安装基体上，所述微型高精度旋转平台安装在三自由度纳米直线位移平台上，所述微型音叉固定在微型高精度旋转平台上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，所述高倍率工业相机通过连接件安装在安装基体上，所述高倍率工业相机的光轴和微型高精度旋转平台的回转轴线重合，并与微型音叉的音叉臂外端面平行，所述光源同轴安装在高倍率工业相机的镜头前端；

所述音叉谐振状态控制及检测单元分别与微型音叉和计算机主控单元电连接，对微型音叉激励及采集谐振状态，并将采集数据传递给计算机主控单元；所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元分别与微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台和计算机主控单元电连接；所述高倍率工业相机通过图像处理单元和计算机主控单元连接，所述微细铣削机床CNC数控系统通过主控计算机与CNC系统数据交互单元和计算机主控单元连接。

所述微型高精度旋转平台为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台定位精度为100-200微米。

基于一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置的对刀方法包括以下步骤：

步骤一：计算机主控单元通过主控计算机与CNC系统数据交互单元向微细铣削机床CNC数控系统发送指令控制微细铣削机床运动，同时通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台运动，使微径铣刀和微型音叉处于高倍率工业相机视场内；

步骤二：打开光源使其发出的光照射到微径铣刀和微型音叉的外表面，对高倍率工业相机水平和竖直方向的像素进行标定，确定一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离；

步骤三：计算机主控单元和图像处理单元通过高倍率工业相机实时采集并显示微径铣刀和微型音叉的图像，图像处理单元对采集的图像进行处理和量化，重复步骤一，直到微径铣刀外轮廓与微型音叉外端面呈现清晰的图像；

步骤四：计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台转动，使微型音叉的音叉臂调整到水平方向，通过图像处理单元提取微型音叉的音叉臂最上端表面边界并在实时显示的图像中进行标定；

步骤五：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤四中获得的微型音叉的音叉臂最上端表面边界在实时显示的图像中的标定位置得到微型音叉的音叉臂最上端表面边界与微径铣刀最下端轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀向微型音叉靠近后二者之间的最小距离；

步骤六：开启音叉谐振状态控制及检测单元，对微型音叉进行励振并实时检测音叉谐振状态；

步骤七：计算机主控单元通过微细铣削机床CNC数控系统控制微细铣削机床Z进给轴运动，使微径铣刀靠近微型音叉最上端表面直到二者之间的距离达到步骤五中获得的最小距离，计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制三自由度纳米直线位移平台进行Z向移动，直至微型音叉的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台Z向移动的距离即为微径铣刀端面与微型音叉最上端表面的精确距离。

步骤八：使用装夹长度已标定的检棒替换微径铣刀，重复步骤五中的操作对微型音叉的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置进行标定；

步骤九：根据步骤七中获得的微径铣刀端面与微型音叉最上端表面的精确距离S以及步骤八中获得的微型音叉的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置O_z通过公式(一)计算出微径铣刀的精确装夹长度值L，

L＝S+O_z (一)；

步骤十：计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台转动，使微型音叉的音叉臂处于竖直方向；

步骤十一：通过微细铣削机床CNC数控系统控制高速电主轴反向旋转，并通过高倍率工业相机提取微型音叉在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀外轮廓；

步骤十二：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤十一中获得的微型音叉在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀外轮廓得到微型音叉的音叉臂Y轴正向最外端表面边界与微径铣刀外轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀向微型音叉靠近后二者之间的最小距离；

步骤十三：控制微细铣削机床Y进给轴运动，直至微径铣刀与微型音叉最外端表面的距离达到步骤十二中获得的最小距离；

步骤十四：通过纳米位移平台及微型旋转平台控制三自由度纳米直线位移平台进行机床坐标系Y向移动，直至微型音叉的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台Y向移动的距离即为微径铣刀外轮廓与微型音叉最外端表面的精确距离。

步骤十五：使用标定直径的检棒替换微径铣刀，重复步骤十至步骤十四中的操作对微型音叉在机床坐标系Y向位置进行标定；

步骤十六：根据步骤十四中获得的微径铣刀外轮廓与微型音叉最外端表面的精确距离S＇以及步骤十五中获得的微型音叉的最外端表面在机床坐标系中的Y向位置O_y通过公式(二)计算出微径铣刀的精确直径值D，

D＝S＇-O_y (二)；

步骤十七：计算机主控单元将测得的微径铣刀的装夹长度值以及直径值通过主控计算机与CNC系统数据交互单元下载到微细铣削机床CNC数控系统的刀具偏置列表中，实现微径铣刀的高精度对刀。

所述微型高精度旋转平台为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台定位精度为100-200微米。

本发明的有益效果为：本发明的微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法不需对工件进行试切，不需要接触，通过微型音叉纳米探测方法和图像处理技术，可以降低对相机的硬件以及工作环境要求，基于微型音叉纳米探测的特点可将对刀精度提高到纳米级，弥补图像式对刀的不足，并且易于集成到微细铣削机床中，实现自动对刀，提高工作效率。同时，本发明中的对刀装置也可以模块化，能与微细铣削机床其他功能模块实时互换提高机床工作空间利用率。所实现的微径铣刀高精度对刀方法中微径铣刀的装夹长度为微径铣刀轮廓最低点到刀柄主轴夹持点的距离。微径铣刀的直径测量值为刀具旋转时的旋转直径测量值。

本发明实现了微径铣刀的装夹长度以及旋转直径的高精度对刀。不需要铣刀与工件实际接触，利用微型音叉探测技术和数字图像处理技术实现微径铣刀刀具偏置参数的自动测量，防止了在传统试切时，铣刀与工件接触引起变形造成的误差，同时减小了在图像测量中的测量误差。本发明中的对刀装置成本低廉，并且可以模块化，能与微细铣削机床其他功能模块实时互换提高机床工作空间利用率。本发明适用于微小铣床的高精度对刀，也适用于普通铣床和数控铣床。

附图说明

图1为本发明的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置对装夹长度测量时结构示意图；

图2为本发明的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置对直径测量时局部结构示意图；

图3为本发明的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置工作流程图；

其中：1、高倍率工业相机，2、光源，3、高速电主轴，4、刀柄，5、微径铣刀，6、微型音叉，7、微型高精度旋转平台，8、三自由度纳米直线位移平台，9、机床安装定位模块，10、安装基体，11、计算机主控单元，12、图像处理单元，13、主控计算机与CNC系统数据交互单元，14、音叉谐振状态控制及检测单元，15、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元，16、微细铣削机床CNC数控系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见附图1-附图3，本发明的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置包括高倍率工业相机1、光源2、高速电主轴3、刀柄4、微径铣刀5、微型音叉6、微型高精度旋转平台7、三自由度纳米直线位移平台8、机床安装定位模块9、安装基体10、计算机主控单元11、图像处理单元12、主控计算机与CNC系统数据交互单元13、音叉谐振状态控制及检测单元14、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15、微细铣削机床CNC数控系统16；

所述微径铣刀5通过刀柄4同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴3上，所述安装基体10固定在机床安装定位模块9上，所述三自由度纳米直线位移平台8固定在安装基体10上，所述微型高精度旋转平台7安装在三自由度纳米直线位移平台8上，所述微型音叉6固定在微型高精度旋转平台7上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，所述高倍率工业相机1通过连接件安装在安装基体10上，所述高倍率工业相机1的光轴和微型高精度旋转平台7的回转轴线重合，并与微型音叉6的音叉臂外端面平行，所述光源2同轴安装在高倍率工业相机1的镜头前端；

所述音叉谐振状态控制及检测单元14分别与微型音叉6和计算机主控单元11通过连接线连接，对微型音叉6激励及采集谐振状态，并将采集数据传递给计算机主控单元11；所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15分别与微型高精度旋转平台7、三自由度纳米直线位移平台8和计算机主控单元11通过连接线连接；所述高倍率工业相机1通过图像处理单元12和计算机主控单元11通过连接线连接，所述微细铣削机床CNC数控系统16通过主控计算机与CNC系统数据交互单元13和计算机主控单元11通过连接线连接。

计算机主控单元11主要的作用是：图像获取、获取微径铣刀5轮廓以及微型音叉6臂端面边界、计算微径铣刀5与微型音叉6距离、判断微径铣刀5与微型音叉6接触状态、计算微径铣刀5偏置补偿参数。

所述微型高精度旋转平台7为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台8定位精度为100-200微米，微细铣削机床CNC数控系统16为成熟的商业数控系统，主控计算机与CNC系统数据交互单元13为串口通讯模块。

基于一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置的对刀方法包括以下步骤：

步骤一：计算机主控单元11通过主控计算机与CNC系统数据交互单元13向微细铣削机床CNC数控系统16发送指令控制微细铣削机床运动，同时通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15控制微型高精度旋转平台7、三自由度纳米直线位移平台8运动，使微径铣刀5和微型音叉6处于高倍率工业相机1视场内；

步骤二：打开光源2使其发出的光照射到微径铣刀5和微型音叉6的外表面，对高倍率工业相机1水平和竖直方向的像素进行标定，确定一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离；

步骤三：计算机主控单元11和图像处理单元12通过高倍率工业相机1实时采集并显示微径铣刀5和微型音叉6的图像，图像处理单元12对采集的图像进行处理和量化，重复步骤一，直到微径铣刀5外轮廓与微型音叉6外端面呈现清晰的图像；

步骤四：计算机主控单元11通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15控制微型高精度旋转平台7转动，使微型音叉6的音叉臂调整到水平方向，通过图像处理单元12提取微型音叉6的音叉臂最上端表面边界并在实时显示的图像中进行标定；

步骤五：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤四中获得的微型音叉6的音叉臂最上端表面边界在实时显示的图像中的标定位置得到微型音叉6的音叉臂最上端表面边界与微径铣刀5最下端轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀5向微型音叉6靠近后二者之间的最小距离；

步骤六：开启音叉谐振状态控制及检测单元14，对微型音叉6进行励振并实时检测音叉谐振状态；

步骤七：计算机主控单元11通过微细铣削机床CNC数控系统16控制微细铣削机床Z进给轴运动，使微径铣刀5靠近微型音叉6最上端表面直到二者之间的距离达到步骤五中获得的最小距离，计算机主控单元11通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15控制三自由度纳米直线位移平台8进行Z向移动，直至微型音叉6的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台8Z向移动的距离即为微径铣刀5端面与微型音叉6最上端表面的精确距离。

步骤八：使用装夹长度已标定的检棒替换微径铣刀5，重复步骤五中的操作对微型音叉6的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置进行标定；

步骤九：根据步骤七中获得的微径铣刀5端面与微型音叉6最上端表面的精确距离S以及步骤八中获得的微型音叉6的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置O_z通过公式(一)计算出微径铣刀5的精确装夹长度值L，

L＝S+O_z (一)；

步骤十：计算机主控单元11通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元15控制微型高精度旋转平台7转动，使微型音叉6的音叉臂处于竖直方向；

步骤十一：通过微细铣削机床CNC数控系统16控制高速电主轴3反向旋转，并通过高倍率工业相机1提取微型音叉6在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀5外轮廓；

步骤十二：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤十一中获得的微型音叉6在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀5外轮廓得到微型音叉6的音叉臂Y轴正向最外端表面边界与微径铣刀5外轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀5向微型音叉6靠近后二者之间的最小距离；

步骤十三：控制微细铣削机床Y进给轴运动，直至微径铣刀5与微型音叉6最外端表面的距离达到步骤十二中获得的最小距离；

步骤十四：通过纳米位移平台及微型旋转平台控制三自由度纳米直线位移平台8进行机床坐标系Y向移动，直至微型音叉6的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台8Y向移动的距离即为微径铣刀5外轮廓与微型音叉6最外端表面的精确距离。

步骤十五：使用标定直径的检棒替换微径铣刀5，重复步骤十至步骤十四中的操作对微型音叉6在机床坐标系Y向位置进行标定；

步骤十六：根据步骤十四中获得的微径铣刀5外轮廓与微型音叉6最外端表面的精确距离S＇以及步骤十五中获得的微型音叉6的最外端表面在机床坐标系中的Y向位置O_y通过公式(二)计算出微径铣刀5的精确直径值D，

D＝S＇-O_y (二)；

步骤十七：计算机主控单元11将测得的微径铣刀5的装夹长度值以及直径值通过主控计算机与CNC系统数据交互单元13下载到微细铣削机床CNC数控系统16的刀具偏置列表中，实现微径铣刀5的高精度对刀。

上述对刀过程中测量装夹长度值和直径值的顺序可以互换。

所述微型高精度旋转平台7为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台8定位精度为100-200微米。

微径铣刀5的装夹长度值为微径铣刀5轮廓最低点到刀柄4主轴夹持点的距离；微径铣刀5的直径值为刀具旋转时的旋转直径测量值。

在线测量刀柄4所夹持的微径铣刀5的夹持长度以及高速电主轴3旋转时微径铣刀5的旋转直径值，其目的是确定微径铣刀5的刀具偏置值即为数控铣削时对刀操作所要达到的目的。