1.本发明属于铣刀检测领域，具体涉及一种球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置及操作方法。
背景技术：
2.多轴数控铣削加工技术是实现复杂曲面类零件高性能、高效率制造的有效手段，具有加工响应快、可靠性高、柔性好及生产准备周期短等优点。常用于复杂曲面和结构件的加工。尤其是航空发动机整体叶盘类零件多采用钛合金、高温合金等难加工材料且加工精度要求高，使得铣削刀具产生严重磨损，严重影响其加工质量。在实际生产中，当磨损到达一定程度通常需要更换刀具，如果更换过早，会增加不必要的刀具消耗和生产成本，如果太晚，则可能导致工件尺寸超差和表面划伤，严重时甚至可能伤害操作人员和损害机床；另外，实际切削过程中刀轴倾角通常为经验选择，使球铣刀切削刃口利用不均匀，严重影响球铣刀的充分使用。倘若通过研究球铣切削刃口不同位置的磨损状态与切削环境之间的关系，可用于优化切削参数及刀具刃口几何角度等，最终达到球铣刀的充分利用，极大延长其使用寿命。因而研究球铣刀切削刃口磨损意义重大。
3.然而，由于球铣刀特殊的空间曲线切削刃结构限制，当前缺乏对球铣刀任意刃口的磨损状态进行表征测量的装置。设计发明一种针对球铣刀空间曲线切削刃任意位置刃口磨损状态的多轴可精确定量移动/旋转的测量装置势在必行。
4.国内发明专利cn201310180982.2中公开了“一种用于刀具磨损检测的夹具”，这种夹具采用两个移动装置和两个转动机构的配合，对刀具的刀柄进行可靠装夹，实现对刀具的多方位观测，保证测量的准确性。但该夹具同样受到轴向自由度的限制，无法实现三轴转动的刀具磨损状态全方位观测。
5.贾振元等人先后提出的两个发明专利(“一种用于刀具磨损检测的夹具”，专利申请号cn201510604053.9和“一种刀具切削刃磨损检测夹具”，专利申请号cn201910351991.0)涉及制孔加工刀具磨损检测夹具。前者能够实现手动调节五个自由度，将复杂刀具结构中的切削刃移动到观测视场内，完成磨损观测任务，夹具采用挡片、支架定位螺栓、转盘定位螺栓及工作台定位螺栓对三个转动和两个移动自由度锁紧。但该夹具结构复杂、机构运动调节困难、角度读数不方便，难以保证刀具的快速准确定位，仅依靠目测刀具切削刃位姿状态，手动调节夹具各机构转角以获得合适的显微视场，易带来检测误差且降低检测效率。后者弥补了无法进行准确定位的缺陷，采用分度盘刻线、支架刻线和夹筒刻线实现刀具转角的准确读数定位，使用紧定螺钉及紧定旋钮对转动机构快速锁紧，提高了刀具切削刃的检测效率和准确性。但是其定位精度有限。
6.总结来说，目前已有的装置仍然存在如下缺陷：
7.1.被测刀具需要从刀柄卸下，无法实现刀具的进一步切削和磨损的分析；
8.2.定位精度满足不了高离散化的球铣刀空间曲线刃的全方位测量，仅适用于钻头等空间直线刃的测量；
9.3.不能实现空间曲线刃的测量和拼接。
技术实现要素：
10.本发明主要解决现有刀具磨损检测夹具通用性差、定位精度不足以及无法实现空间曲线刃的任意位置磨损状态测量和沿曲线刃方向的磨损状态合并拼接的问题。发明一种球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置。具体采用高精度伺服电机带动多自由度移动机构实现空间曲线刃的任意位置的垂直视角磨损检测，使用分瓣卡爪和锁紧螺母保障带刀具刀柄的在刀具座上的锁紧固定，实现刀具磨损的带刀柄测量，基于规则分幅裁剪方式对被测刀具磨损图像进行拼接实现刀具空间曲线切削刃的磨损轮廓的2d曲线绘制。
11.本发明的技术方案是这样实现的：一种球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置，包括底座1、x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4、b轴转动运动单元5、镜头6、铣刀柄固定机构10、c轴转动运动单元11、计算机控制系统，所述的底座1上固定x轴直线运动单元2的固定端，x轴直线运动单元2的移动端固定y轴直线运动单元3的固定端，y轴直线运动单元3与x轴直线运动单元2均沿着水平方向设置，且相互垂直设置，y轴直线运动单元3的移动端固定z轴直线运动单元4的固定端，z轴直线运动单元4沿着竖直方向设置，z轴直线运动单元4的运动端固定b轴转动运动单元5的固定端，b轴转动运动单元5的运动端固定支撑架13，支撑架13固定c轴转动运动单元11的固定端，c轴转动运动单元11的运动端固定铣刀柄固定机构10,所述的c轴转动运动单元11的转动中心轴线沿着竖直方向设置，c轴转动运动单元11的转动中心轴线与b轴转动运动单元5的转动中心轴线相互垂直设置，b轴转动运动单元5的转动中心轴线沿着水平方向且于x轴直线运动单元2平行设置；
12.所述的底座1固定支撑柱8，支撑柱8沿着竖直方向设置，支撑柱8上固定连接板7的一端，连接板7的另一端固定镜头6，镜头6沿着竖直方向设置；
13.所述的两个x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4、b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11、镜头6通过线路均与计算机控制系统连接，计算机控制系统控制两个x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4的直线运动，以及b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11的转动运动，以及镜头6的拍照。
14.优选地，所述的铣刀柄固定机构10包括夹持本体101、半螺母一102、半螺母二103、锁紧螺母104，夹持本体101沿着竖直方向设置，c轴转动运动单元11的运动端固定夹持本体101，夹持本体101内腔为上端大下端小的锥度孔，夹持本体101内腔的锥度孔于刀柄锥度段121锥度配合，夹持本体101内腔的锥度孔于刀柄锥度段121锥度相同，刀柄锥度段121下端设置的连接杆122连接卡头123，相互独立的半螺母一102、半螺母二103拼成一个内侧螺母，内侧螺母的内孔与连接杆122间隙配合，内侧螺母上端贴合在夹持本体101的下端面，内侧螺母内孔下端为上端小下端大的锥孔，锥孔与卡头123的上侧锥面锥度配合，所述的内侧螺母外侧设置有螺纹，内侧螺母外侧设置的螺纹与锁紧螺母104旋合将刀柄12固定在夹持本体101上。
15.所述的球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置的操作方法，包括以下步骤：
16.以下将x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4的移动方向分别定义为x轴、y轴、z轴，将b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11的转动轴分别定义为b轴、c轴。
17.(1)将恒定螺旋角球头铣刀连同刀柄从机床上取下，将刀柄的刀柄锥度段121插入到夹持本体101内腔的锥度孔内，将半螺母一102、半螺母二103内孔贴合在连接杆122的两侧，半螺母一102、半螺母二103拼成一个内侧螺母，内侧螺母的锥孔与卡头123的上侧锥面锥度配合，锁紧螺母104与内侧螺母外侧设置的螺纹旋合，将恒定螺旋角球头铣刀固定在夹持本体101上；
18.(2)获取恒定螺旋角球头铣刀的结构参数：恒定螺旋角球头铣刀直径d、球面处球面半径r0、恒定螺旋角球头铣刀螺旋角；
19.得到恒定螺旋角球头铣刀的球面螺旋线上任一点坐标方程表示为：
[0020][0021]
恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端距离b轴旋转中心的长度为r
b
；
[0022]
(3)计算机控制系统控制x轴、y轴、z轴直线移动到设定的零位，b轴、c轴旋转到设定的零位，移动x轴和y轴使恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端位于镜头6的正下方，并调整z轴的高度，对镜头6拍摄恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端进行对焦；
[0023]
(4)旋转c轴使刀尖点a点切削刃切向与x轴平行，记下此时度数γ，计算机控制系统控制镜头6拍下起始位置恒定螺旋角球头铣刀的切削刃磨损图像；
[0024]
(5)将b轴从0度到90度转动范围等分成n段，每段角度为α，b轴旋转n
·
α度角，将c轴旋转至度角；
[0025][0026]
控制x轴移动量为：δx＝sin(n
·
α)(r
b
‑
r0)；
[0027]
控制z轴移动量为：δz＝(1
‑
cosn
·
α)(r
b
‑
r0)；
[0028]
计算机控制系统控制镜头6拍照；
[0029]
从n＝1
……
n,依次重复本步骤n次，直至拍下第1～n次转位后的磨损图像；
[0030]
(6)利用matlab软件依次对拍摄的刀具磨损图像进行截取和拼接:每一张拍摄的照片截取宽度w为：相邻两张图片移动的拼接距离为：l＝tanβ
·
(1
‑
cos(n
·
α))
·
r0；
[0031]
(7)完成刀具磨损图像拼接，观察恒定螺旋角球头铣刀切削刃磨损状态，在任意切削刃离散点位通过截取像素点位差获取当前离散点的磨损vb值。
[0032]
优选地，所拍摄的磨损图像图幅为3800万像素、图幅形状为4:3，像素比例为7152px
×
5368px，磨损图像的像元尺寸为1.85μm
×
1.85μm；
[0033]
以下中括号的计算含义为向下取整，即将小数部分舍去：
[0034]
利用matlab对所拍摄磨损图像进行规则分幅裁剪，所裁剪的区域分别确定左下角像素点坐标为(3576，1)，右上角像素点坐标为
[0035]
(1)建立像素比例为的空白图像；
[0036]
(2)将起始位置恒定螺旋角球头铣刀的切削刃磨损图像的裁剪图像左下角像素点对应新建空白图像坐标为(1，1)的像素位置，右上角像素点对应新建空白图像坐标为对应新建空白图像坐标为(1，1)的像素位置，右上角像素点对应新建空白图像坐标为的像素位置；
[0037]
(3)依次将第n次转位刀具磨损裁剪图像进行对应拼接，其拼接原则为：左下角像素点对应新建空白图像坐标为的像素点，右上角像素点对应新建空白图像坐标为的像素位置。
[0038]
优选地，所述的恒定螺旋角球头铣刀直径d＝5mm，球面处球面半径r0＝2.5mm；恒定螺旋角球头铣刀螺旋角β＝20
°
。
附图说明
[0039]
图1是球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置的总体结构示意图。
[0040]
图2是刀具夹紧部分结构示意图。
[0041]
图3是刀具固定在夹持架上的剖视图。
[0042]
图4是图4是恒定螺旋角球头铣刀球面上切削刃曲线参数示意图。
[0043]
图5是图4中x轴与球面交点处的球面螺旋线的柱面投影的展平平面图。
[0044]
图6是恒定螺旋角的球头铣刀的球头顶端至b轴旋转中心的距离。
[0045]
图7是b轴旋转n
·
α度角后的球面上螺旋线从a点移动到d点的结构示意图。
[0046]
图8是恒定螺旋角球头铣刀b轴旋转n
·
α度角后的飘移量z
ad
的结构示意图。
[0047]
附图标记：1
‑
底座、2
‑
x轴直线运动单元、3
‑
y轴直线运动单元、4
‑
z轴直线运动单元、5
‑
b轴转动运动单元、6
‑
镜头、7
‑
连接板、8
‑
支撑柱、9
‑
恒定螺旋角球头铣刀、10
‑
铣刀柄固定机构、11
‑
c轴转动运动单元、12
‑
刀柄、13
‑
支撑架、101
‑
夹持本体、102
‑
半螺母一、103
‑
半螺母二、104
‑
锁紧螺母、121
‑
刀柄锥度段、122
‑
连接杆、123
‑
卡头。
具体实施方式
[0048]
结合图1
‑
8，本发明的球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置包括底座1、x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4、b轴转动运动单元5、镜头6、连接板7、支撑柱8、铣刀柄固定机构10、c轴转动运动单元11、支撑架13、计算机控制系统，所述的底座1上固定两个x轴直线运动单元2的固定端，两个x轴直线运动单元2相互平行设置，两个x轴直线运动单元2的移动端固定y轴直线运动单元3的固定端，y轴直线运动单元3与x轴直线运动单元2均沿着水平方向设置，且相互垂直设置，y轴直线运动单元3的移动端固定z轴直线运动单元4的固定端，z轴直线运动单元4沿着竖直方向设置，z轴直线运动单元4的运动端固定b轴转动运动单元5的固定端，b轴转动运动单元5的运动端固定支撑架13，支撑架13固定c轴转动运动单元11的固定端，c轴转动运动单元11的运动端固定铣刀柄固定机构10,所述的c轴转动运动单元11的转动中心轴线沿着竖直方向设置，c轴转动运动单元11的转动中心轴线与b轴转动运动单元5的转动中心轴线相互垂直设置，b轴转动运动单元5的转动中心轴线沿着水平方向且于x轴直线运动单元2平行设置。
[0049]
所述的底座1固定支撑柱8，支撑柱8沿着竖直方向设置，支撑柱8上固定连接板7的
一端，连接板7的另一端固定镜头6，镜头6沿着竖直方向设置。
[0050]
所述的两个x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4、b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11、镜头6通过线路均与计算机控制系统连接，计算机控制系统控制两个x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4的直线运动，以及b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11的转动运动，以及镜头6的拍照。
[0051]
所述的铣刀柄固定机构10包括夹持本体101、半螺母一102、半螺母二103、锁紧螺母104，夹持本体101沿着竖直方向设置，c轴转动运动单元11的运动端固定夹持本体101，夹持本体101内腔为上端大下端小的锥度孔，夹持本体101内腔的锥度孔于刀柄锥度段121锥度配合，夹持本体101内腔的锥度孔于刀柄锥度段121锥度相同，刀柄锥度段121下端设置的连接杆122连接卡头123，相互独立的半螺母一102、半螺母二103拼成一个内侧螺母，内侧螺母的内孔与连接杆122间隙配合，内侧螺母上端贴合在夹持本体101的下端面，内侧螺母内孔下端为上端小下端大的锥孔，锥孔与卡头123的上侧锥面锥度配合，所述的内侧螺母外侧设置有螺纹，内侧螺母外侧设置的螺纹与锁紧螺母104旋合将刀柄12固定在夹持本体101上。
[0052]
所述的球头铣刀切削刃磨损光学显微测量装置的操作方法如下：
[0053]
以下将x轴直线运动单元2、y轴直线运动单元3、z轴直线运动单元4的移动方向分别定义为x轴、y轴、z轴，将b轴转动运动单元5、c轴转动运动单元11的转动轴分别定义为b轴、c轴。
[0054]
1.将待测球头铣刀连同刀柄从机床上取下，将刀柄的刀柄锥度段121插入到夹持本体101内腔的锥度孔内，将半螺母一102、半螺母二103内孔贴合在连接杆122的两侧，半螺母一102、半螺母二103拼成一个内侧螺母，内侧螺母的锥孔与卡头123的上侧锥面锥度配合，锁紧螺母104与内侧螺母外侧设置的螺纹从下端开始旋合，直至将锁紧螺母104上移至夹持本体101的下端面，将卡头123下拉将刀柄12固定在夹持本体101上。
[0055]
2.获取被测刀具切削刃结构参数，例如：刀具直径d＝5mm，球面处球面半径r0＝2.5mm；恒定螺旋角球头铣刀螺旋角β＝20
°
；
[0056]
如图4和图5所示，s为θ角对应的弧长，且可得θ＝180/π
×
tanβ
×
r
′
/r0
，
[0057]
所以恒定螺旋角球头铣刀的球面螺旋线上任一点坐标方程表示为：
[0058][0059]
恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端距离b轴旋转中心的长度为r
b
，可以通过精密对刀仪测量恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端至的距离刀柄12的转环上端面的距离l
t
，以及结合刀柄和铣刀柄固定机构10的结构参数，得到刀柄12的转环上端面至b轴转动运动单元5的转动中心轴线的距离l
b
，r
b
＝l
t
+l
b
。
[0060]
3.计算机控制系统控制x轴、y轴、z轴直线移动到设定的零位，b轴、c轴旋转到设定的零位，移动x轴和y轴使恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端位于镜头6的正下方，并调整z轴的高度，对镜头6拍摄恒定螺旋角球头铣刀的球头顶端进行对焦；
[0061]
4.旋转c轴至刀尖点a点切削刃切向与x轴平行，记下此时度数γ，拍下起始位置切削刃磨损图像；
[0062]
5.将b轴旋转α度角，且α＝90/n，将b轴旋转的90
°
离散为n段，即将b轴从0度到90度转动范围等分成n段，其中第n次转位后，相对于初始状态b轴旋转总角度为如图7所示，绕b轴旋转n
·
α度角后，相当于以y轴为旋转轴偏离z轴n
·
α度角做平面p，与oxz平面内的球面投影线相交于e点，转动后使e点转位到以测量镜头为基准的测量坐标系的最上方。此时过e点做平面q垂直于z轴，交于z轴f点，在平面q内，以f点为圆心过e点画圆与恒定螺旋角球头铣刀的球头切削刃螺旋线相交于d点。d点即第n次转位α度角后的测量点。c轴旋转至度角使被测点d点取代e点，转位到镜头6的正下方，使被测点在镜头6的正下方，且且度角为正值，表示d转位至e过程中是逆向z轴看去，顺时针旋转；的计算过程同理于步骤1中的球面上螺旋线上任一点坐标方程θ角的计算过程。
[0063]
l
af
＝r0‑
cos(n.α)
·
r0[0064]
r
ef
＝sin(n
·
α)
·
r0[0065][0066][0067]
x轴移动量为：δx＝x
a
‑
x
ad
＝sin(n
·
α)(r
b
‑
r0)，刀轴转动造成的球头中心位移x
a
减去参考点从a变化到d造成的x轴飘移量x
ad
；
[0068]
同理，z轴移动量为：δz＝z
a
‑
z
ad
＝(1
‑
cos n
·
α)(r
b
‑
r0)，目的为调整到相同对焦高度，z轴移动量为刀轴转动造成的球头中心位移z
a
减去参考点从a变化到d造成的z轴飘移量z
ad
；
[0069]
从n＝1
……
n,依次重复本步骤n次，拍下第1～n次转位后的磨损图像；
[0070]
6.基于matlab依次对拍摄的刀具磨损图像在服务器内进行截取和拼接(前提条件要确保所拍摄的磨损图像图幅和像素比例一样，以3800万像素、图幅4:3的图像为例，其像素比例为7152px
×
5368px，所摄图像的像元尺寸为1.85μm
×
1.85μm)。转动n
·
α角度后，参考点经调整后至铣刀物理位置最高点，从参考点的切平面相当于刀具视角坐标平面相差n
·
α角度。相当于柱面螺旋角为β的螺旋线切线平面倾斜角度。经过立体几何计算可知，从球头铣刀球面顶端点沿着螺旋线的相对于拍照视角平面的斜率为：k＝sin(n
·
α)tan(β)。每一张磨损拍摄的照片截取宽度为：每一张磨损图像拼接时周向位置漂移距离相当于参考点位旋转的角度所包含的弧度长度，每一张磨损图像拼接时周向位置漂移距离为：l＝tanβ
·
(1
‑
cos(n
·
α))
·
r0。
[0071]
具体方法如下，以下中括号的计算含义为向下取整，即将小数部分舍去：
[0072]
(1)基于matlab对所拍摄磨损图像进行规则分幅裁剪，所裁剪的区域分别确定左
下角像素点坐标为(3576，1)，右上角像素点坐标为
[0073]
(2)新建立像素比例为的空白图像；
[0074]
(3)将起始位置刀尖附近刀具磨损裁剪图像的左下角像素点对应新建空白图像坐标为(1，1)的像素位置，右上角像素点对应新建空白图像坐标为的像素位置；
[0075]
(4)依次将第n次转位刀具磨损裁剪图像进行对应拼接，其拼接原则为：左下角像素点对应新建空白图像坐标为的像素点，右上角像素点对应新建空白图像坐标为的像素位置；
[0076]
7.完成刀具磨损图像拼接后，以2d方式观察3d空间曲线刃的球头铣刀切削刃磨损状态，在任意切削刃离散点位通过截取像素点位差获取当前离散点的磨损vb值，进而绘制恒定螺旋角球头铣刀的球头切削刃的磨损轮廓。