基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法

本发明涉及光学元件的超精密车削加工技术，具体涉及一种基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法。

背景技术：

超精密车削技术是铜、铝等有色金属、硅、锗等晶体材料光学元件的高效低成本加工方法，得到广泛应用。在加工单晶硅、单晶氟化钙、热压多晶氟化镁等典型的硬脆材料时，金刚石车刀的耐用度较低，在短时间加工后便会发生较明显的磨损，造成加工精度和表面质量显著下降。因此，在加工过程中实时监测金刚石车刀的磨损现象，对硬脆材料的加工过程把控和加工质量的保证上，显得尤为重要。

常用的刀具磨损监测方法主要有基于显微成像等直接观测的方法，基于力传感器、加速度传感器、声发射传感器等间接观测的方法。基于显微成像的观测直接将车刀头放大，观测前后刀面和刀刃的磨损情况，必须在停机的情况下进行，无法实现加工过程中的实时观测，且对于超精密车削而言，刀具磨损量一般为微米量级甚至更小，必须使用高倍显微镜。基于力传感器、加速度传感器、声发射传感器等的观测方法，利用刀具磨损后的切削力变化、震动变化、声音变化等，实现对刀具磨损的间接监测，可实现加工过程中的实时监控，但需要在加工系统中附加传感器，改变了原有加工系统的状态，且硬件成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法，本发明能够实现车削加工过程中的刀具磨损实时监测，及时掌握加工状态和加工质量，无需附加的传感器等硬件设施，监测分辨率高，尤其适用于小磨损量的刀具磨损监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法，包括：

1)获取超精密机床上的车削刀具在加工光学元件时所安装溜板对应的机床光栅尺信号；

2)将机床光栅尺信号转换得到实际坐标值；

3)计算实际坐标值、理想坐标值之间的偏差值；

4)若偏差值超过预设的阈值上限，则判定车削刀具存在磨损。

可选地，所述机床光栅尺信号的分辨率小于10nm。

可选地，所述机床光栅尺信号的分辨率为1nm。

可选地，步骤4)之前还包括标定预设的阈值上限的步骤：针对安装在超精密机床的未磨损的车削刀具样本，在其加工光学元件时时获取所安装溜板对应的机床光栅尺信号，将机床光栅尺信号转换得到坐标值，并将得到的坐标值作为理想坐标值；将未磨损的车削刀具样本加工到可判定为磨损的临界状态，针对安装在超精密机床的处于磨损的临界状态的车削刀具样本，在其加工光学元件时时获取所安装溜板对应的机床光栅尺信号，将机床光栅尺信号转换得到坐标值，并将得到的坐标值作为临界坐标值，计算临界坐标值、理想坐标值之间的偏差值作为预设的阈值上限。

可选地，所述车削刀具所安装溜板为超精密机床上的z轴溜板，所述实际坐标值是指加工光学元件时z轴的实际坐标值，所述理想坐标值是指加工光学元件时z轴的理想坐标值。

此外，本发明还提供一种基于机床光栅尺信号的车削刀具磨损实时监测系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行所述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种具备车削刀具磨损实时监测功能的超精密机床，包括超精密机床本体、分线器、滤波器以及计算机，所述超精密机床本体上的车削刀具所安装溜板设有机床光栅尺，所述机床光栅尺的输出端通过分线器输出两路，一路输出给超精密机床本体的机床控制器作为反馈信号、另一路通过滤波器滤波降噪后输出给计算机，所述计算机被编程或配置以执行所述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的步骤，或者所述计算机的存储器中存储有被编程或配置以执行所述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的计算机程序。

可选地，所述超精密车床本体为至少具备两个水平直线轴x、z和一个用于固定被加工光学元件的工件主轴c，两水平直线轴x、z为t型布局且布置于超精密车床上，工件主轴c安装在水平直线轴x上，车削刀具通过刀架安装固定在水平直线轴z的z轴溜板上。

可选地，所述水平直线轴z的z轴溜板上还设有旋转轴b，所述车削刀具的刀架通过旋转轴b安装在水平直线轴z的z轴溜板上。

可选地，所述水平直线轴x的x轴溜板上还设有竖直直线轴y，所述工件主轴c通过竖直直线轴y安装在水平直线轴x上。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明可实现完全保持原有加工系统状态的实时监测：直接利用超精密机床固有的光栅尺部件的信号实现刀具磨损的监测，无需增加辅助传感器，构造简单，完全保持原有加工系统的状态。

2、本发明可实现极高的监测分辨率：超精密机床的光栅尺一般都具有1nm甚至更高的分辨率，即可实现1nm以下分辨率的刀具侧位置波动，对应到刀具磨损量上，可实现亚微米量级的磨损监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例方法的基本流程图。

图2为本发明实施例中的偏差值波形。

图3为本发明实施例超精密机床的立体结构示意图。

图4为本发明实施例超精密机床中监测部分的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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所示，本实施例基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法包括：

1)获取超精密机床上的车削刀具在加工光学元件时所安装溜板对应的机床光栅尺信号；

2)将机床光栅尺信号转换得到实际坐标值；

3)计算实际坐标值、理想坐标值之间的偏差值；

4)若偏差值超过预设的阈值上限，则判定车削刀具存在磨损。例如，图2为本实施例中得到的实际坐标值、理想坐标值之间的偏差值曲线，上部的虚线即为预设的阈值上限，标记a所示位置即为偏差值超过预设的阈值上限的时刻，该时刻开始车削刀具存在磨损。

为了满足车削刀具磨损的要求，一般而言，机床光栅尺信号的分辨率小于10nm。毫无疑问，机床光栅尺信号的分辨率越高(数值越小)，则对车削刀具磨损的精确度就越高。

作为一种优选的实施方式，本实施例中机床光栅尺信号的分辨率为1nm。

需要说明的是，阈值上限的最优取值并非是常数，因此经过研究发现，不同加工机床、不同加工材料所对应的阈值上限不同，需根据预先的切削实验确定。本实施例步骤4)之前还包括标定预设的阈值上限的步骤：针对安装在超精密机床的未磨损的车削刀具样本，在其加工光学元件时时获取所安装溜板对应的机床光栅尺信号，将机床光栅尺信号转换得到坐标值，并将得到的坐标值作为理想坐标值；将未磨损的车削刀具样本加工到可判定为磨损的临界状态，针对安装在超精密机床的处于磨损的临界状态的车削刀具样本，在其加工光学元件时时获取所安装溜板对应的机床光栅尺信号，将机床光栅尺信号转换得到坐标值，并将得到的坐标值作为临界坐标值，计算临界坐标值、理想坐标值之间的偏差值作为预设的阈值上限。

作为一种可选的实施方式，本实施例中车削刀具所安装溜板为超精密机床上的z轴溜板，所述实际坐标值是指加工光学元件时z轴的实际坐标值，所述理想坐标值是指加工光学元件时z轴的理想坐标值。此外，车削刀具所安装溜板也可以是其他任意水平方向的轴。

综上所述，本实施例方法通过监测超精密车床刀具侧直线运动轴的光栅尺信号，并对信号进行处理分析，实现对刀具磨损状态的实时监测。该方法的原理为，刀具磨损后切削力变大，造成刀具侧直线运动轴的轻微抖动，该抖动量使得光栅尺的输出信号偏离理想输入信号一定范围，造成可分辨的波动，因此，监测并分析光栅尺信号的变化情况，可实现对刀具磨损的实时监测。该方法的最大优点是无需力传感器、声发射传感器等附加传感器，直接利用超精密车床自身的光栅尺部件实现刀具磨损的监测，不改变实际车削加工的结构布局，且无需额外的硬件成本。

此外，本实施例还提供一种基于机床光栅尺信号的车削刀具磨损实时监测系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的步骤，或者所述存储器中存储有被编程或配置以执行前述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的计算机程序。

如图3和图4所示，本实施例中具备车削刀具磨损实时监测功能的超精密机床包括超精密机床本体1、分线器2、滤波器3以及计算机4，超精密机床本体1上的车削刀具11所安装溜板设有机床光栅尺12，机床光栅尺12的输出端通过分线器2输出两路，一路输出给超精密机床本体的机床控制器13作为反馈信号、另一路通过滤波器3滤波降噪后输出给计算机4，计算机4被编程或配置以执行前述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的步骤，或者计算机4的存储器中存储有被编程或配置以执行前述基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法的计算机程序。

本实施例中，超精密车床本体1为至少具备两个水平直线轴x(图3中标记为x)、z(图3中标记为z)和一个用于固定被加工光学元件的工件主轴c(图3中标记为c)，两水平直线轴x、z为t型布局且布置于超精密车床上，工件主轴c安装在水平直线轴x上，车削刀具11通过刀架14安装固定在水平直线轴z的z轴溜板上。

本实施例中的超精密车床本体1还可以进一步扩展为四轴加工中心或五轴加工中心。例如，作为一种可选的扩展方式，可在水平直线轴z的z轴溜板上还设有旋转轴b，车削刀具11的刀架14通过旋转轴b安装在水平直线轴z的z轴溜板上。作为另一种可选的扩展方式，可在水平直线轴x的x轴溜板上还设有竖直直线轴y，工件主轴c通过竖直直线轴y安装在水平直线轴x上。

需要说明的是，本实施例基于机床光栅尺信号的超精密车削刀具磨损实时监测方法并不依赖于被加工的光学元件的材料或类型，例如本实施例中的光学元件为单晶硅非球面反射镜，此外也可以适用于其它类型的光学材料和光学元件，例如其他回转对称非球面、离轴非球面甚至非回转对称的自由曲面、单晶氟化钙、多晶氟化镁等材料。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。