一种小球头工具单转台研抛加工装置及刀具对刀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种小球头工具单转台研抛加工装置及刀具对刀方法。
【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，各种高精度高表面质量的小口径异形零件得到广泛应用。这些零件其面型要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表面损伤，需要经过超精密研抛加工，才能满足其精度和表面质量的要求。
[0003]对于这种小曲率半径复杂面型零件的超精密加工，需要采用小尺寸的特殊研抛工具头，并结合相应结构形式的加工设备，才能满足研抛加工所需的位置和运动关系条件。而对于一种含有单转台结构的工具轴空间摆动运动形式的多轴联动加工机床，需要在加工前的对刀操作中使工具头中心精确地位于转台的空间回转轴线上，并准确调整研抛工具头与工件的相对位置，才能保证实现工具头与零件的相对运动轨迹，避免加工过程中的干涉，同时该对刀精度也将直接影响工件的面形加工精度。由于目前待加工的零件尺寸越来越小，对机床的对刀精度的要求越来越高，现有技术中常用的高精度对刀方法为采用自动对刀仪对刀。而自动对刀仪的对刀精度取决于其传感器的精度，要满足高精度的对刀要求，对传感器的成本要求较高，而且实际中所能得到的测量精度不完全取决于所配套数控系统的分辨率，还和机床传动系统误差、对刀棒的几何形状、加工精度以及装配质量等因素有关，所以要利用自动对刀仪达到高精度的效果难度很高。同时由于这种单转台斜轴加工运动形式缺乏空间位置参照，采用机械式方法需要很长的对刀时间对研抛工具头的位置进行调整，存在对刀效率低的问题。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决采用现有技术中加工小尺寸零件机床的对刀精度的要求越来越高利用自动对刀仪很难达到高精度对刀，由于单转台斜轴加工运动形式缺乏空间位置参照，采用机械式方法需要很长的对刀时间对研抛工具头的位置进行调整，存在对刀效率低的问题，进而提出一种小球头工具单转台研抛加工装置及刀具对刀方法。
[0005]本发明为解决上述问题而采用的技术方案是:
[0006]—种小球头工具单转台研抛加工装置包括水平台、工件主轴、第一 (XD相机、小球头研抛工具、研抛工具主轴、主轴夹持件、斜角固定座、对中调整位移台、转台、连接板、V向滚柱导轨、U向滚柱导轨、U向调节测微头、V向调节测微头、第二 CCD相机和两个放大镜头；一个放大镜头安装在第一 CCD相机上，另一个放大镜头安装在第二 CCD相机上，工件安装在工件主轴上，第一 (XD相机、第二 (XD相机和工件主轴设置在水平台面上，第二 (XD相机和工件相对设置，第二 CCD相机的中心线与工件的中心线平行设置，第一 CCD相机的中心线与第二 (XD相机的中心线相互垂直设置，转台悬挂设置于机床的垂直运动轴上，对中调整位移台设置在转台的下方，V向调节测微头安装在对中调整位移台的V向滚柱导轨承载的滑台上，U向调节测微头安装在对中调整位移台的U向滚柱导轨承载的滑台上，斜角固定座安装在对中调整位移台下方，小球头研抛工具安装在研抛工具主轴上，研抛工具主轴安装在主轴夹持件上，主轴夹持件安装在斜角固定座上。
[0007]小球头工具在单转台研抛加工装置中的刀具相对转台的对中调整对刀方法，所述方法是按下述步骤实现的:
[0008]通过第一 CCD相机获取小球头研抛工具在对刀区域的对刀图像，首先设定转台的摆角Θ为90°和-90°，处理第一 (XD相机获取的对刀图像，得到小球头研抛工具球心点在图像中的像素坐标，并根据图像系统的标定系数得到小球头研抛工具球心在V向滚柱导轨方向的对中偏差值δ，并通过微调V向调节测微头的移动消除该偏差值以实现小球头研抛工具沿转台径向的对中调整；其次设定转台的摆角Θ为0。和180°，根据第一 CCD相机获取的图像得到小球头研抛工具球心在U向滚柱导轨方向的对中偏差值σ，并通过微调U向调节测微头的移动以实现研抛工具沿转台切向的对中调整，具体步骤为:
[0009]步骤一:在转台上建立机床的(X，Υ，Ζ)坐标系，工件主轴的中心线平行于水平台面并与X轴平行，垂直于水平台的竖直方向定义为Ζ轴方向；
[0010]步骤二:调整第一CCD相机使其视线平行于水平台面并与机床的Υ轴方向平行，并将第一 CCD相机获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定，即获得一个像素在水平和竖直方向代表的实际距离，把第一 CCD相机采集到的具有水平和竖直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机上；
[0011]步骤三:设定第一 CCD相机采用最大视野范围，利用对中调整位移台进行粗调并配合平移第一 CCD相机的位置，使当转台回转时，小球头研抛工具的工具头能一直保持在第一 CCD相机的成像范围内，调整第一 CCD相机的焦距使小球头研抛工具的工具头清晰地显示在控制计算机的屏幕上，同时增大相机的放大倍数，使小球头研抛工具的工具头在第一CCD相机中所成像的圆弧段充满视野范围；
[0012]步骤四:通过数控系统调整转台回转至Θ =90°角度位置，捕获此时小球头研抛工具6的工具头在第一 CCD相机中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，首先灰度化将第一 CCD相机捕获的24位灰度图像转化为8位灰度图，再基于灰度分布直方图的峰谷法将图像二值化使小球头研抛工具的工具头与背景分离开，然后利用边缘检测算子对小球头研抛工具的工具头的圆弧轮廓边缘进行提取，最后采用Hough变换方法根据圆弧轮廓点迭代计算，获得图像中小球头研抛工具的工具头的球心位置坐标O1q，Zl);
[0013]步骤五:调整转台回转至Θ =-90°角度位置，捕获此时小球头研抛工具的工具头在第一 CCD相机中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具的工具头的球心位置坐标02(x2，z2)；
[0014]步骤六:记步骤二中得到的图像系统标定系数为K，那么工具头球心在V向滚柱导轨方向的对中偏差值δ可表示为δ =K(x2-Xl)/2，根据得到的偏差值δ调整V向调节测微头使工具头沿V向滚柱导轨直线方向进给δ距离，则可将V向滚柱导轨方向的对中偏差消除，实现研抛工具沿转台径向的对中调整；
[0015]步骤七:通过数控系统调整转台回转至Θ =0°位置，捕获此时小球头研抛工具的工具头在第一 CCD相机中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具的工具头的球心位置坐标03(χ3，ζ3)；
[0016]步骤八:调整转台回转至Θ = 180°位置，捕获此时小球头研抛工具的工具头在第一 CCD相机中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具的工具头的球心位置坐标04(x4，z4)；
[0017]步骤九:记步骤二中得到的图像系统标定系数为K，那么工具头球心在U向滚柱导轨方向的对中偏差值σ可表示为σ =Κ(χ4-χ3)/2，根据得到的偏差值σ调整U向调节测微头使工具头沿U向滚柱导轨直线方向进给σ距离，则可将U向滚柱导轨方向的对中偏差消除，实现研抛工具沿转台径向的对中调整；
[0018]步骤十:重复步骤四至步骤九，对小球头研抛工具的工具头在相对转台径向和切向的位置进行多次交叉调整，至其对刀位置精度达到使用要求。
[0019]小球头工具在单转台研抛加工装置中的刀具相对工件的对刀方法，所述方法是按下述步骤实现的:
[0020]首先通过第二 (XD相机由X轴方向获取对刀区域图像以得到工具头中心与工件轴心在Υ、Ζ两方向上的相对位置偏差，再通过第一 CCD相机由Υ轴方向获取工具头中心相对工件端面在X方向上的位置偏差，然后由机床数控轴的带动工件与刀具系统分别沿X、Υ、Ζ方向运动调整刀具与工件至加工程序原点完成对刀操作，具体步骤为:
[0021]步骤一:在转台上建立机床的(X，Υ，Ζ)坐标系，工件主轴的中心线平行于水平台面并与X轴平行，垂直于水平台的竖直方向定义为Ζ轴方向；
[0022]步骤二:调整第一 (XD相机和第二