專利名稱：一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超精密切削加工方法。
技術(shù)背景
目前先進(jìn)的四軸聯(lián)動(dòng)超精密車削機(jī)床還集成有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6，如圖1中所示的X導(dǎo)軌2、主軸4、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6及Z導(dǎo)軌10等；機(jī)床主軸4安裝在主軸座3上，在X導(dǎo)軌2的帶動(dòng)下使得機(jī)床主軸4和加工工件5沿著垂直于主軸軸線的方向運(yùn)動(dòng)。在Z導(dǎo)軌10的帶動(dòng)下，安裝在其上面的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6、尖刃金剛石刀具8以及刀具夾具9沿著平行于主軸軸線的方向靠近或者遠(yuǎn)離工件移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6帶動(dòng)刀具在TL平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，主軸4在加工時(shí)可實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)一定角度定位。
刀具刀尖需處于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的正確位置上，即要求尖刃金剛石刀具8的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6的軸心重合。因此，除了機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差、刀具磨損和工件材料特性等影響因素，刀具對(duì)心誤差是零件加工誤差的重要來源之一。
我們有必要對(duì)尖刃刀具的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸心對(duì)齊的精準(zhǔn)“對(duì)心”方法進(jìn)行深入研究。目前可采用的“對(duì)心”方法有如下兩種
方法一試車削對(duì)心方法
在安裝旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)時(shí)，可對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸心進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在安裝尖刃刀具時(shí)，可人工用眼睛對(duì)尖刃刀具的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸心標(biāo)識(shí)進(jìn)行粗對(duì)心。然后使得旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)一定的角度，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，對(duì)安裝在主軸上的加工試件先進(jìn)行一次試車削，并對(duì)試件的加工表面形狀變化規(guī)律進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果即可判定是否完成對(duì)心。若試件的加工表面呈凸?fàn)罨蛘甙紶?，則可認(rèn)為對(duì)心存在一些偏差，尚需進(jìn)行進(jìn)一步的微調(diào)。若試件的加工表面為平面，則可判定對(duì)心已經(jīng)完成。此方法對(duì)于精密與超精密加工的對(duì)心來說過于粗糙，且檢測較繁瑣，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度偏低，調(diào)節(jié)也有些困難，且切削深度的變化對(duì)尖刃刀具的刀尖也會(huì)造成一定程度損傷。但此方法的對(duì)心成本較低，在節(jié)約成本方面具有優(yōu)勢。
方法二 接觸式探針對(duì)心方法
這是尖刃刀具的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸心對(duì)齊操作常用的、且精度較高的一種方法，通常采用高分辨率接觸式探針來檢測，例如線性變壓器。在對(duì)心過程中，接觸式探針頭需抵住尖刃刀具的刀尖點(diǎn)處，并且使安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的尖刃金剛石刀具做一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果尖刃刀具的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸心處于對(duì)齊或重合狀態(tài)，則抵住尖刃刀具刀尖點(diǎn)處的探針讀數(shù)將不會(huì)發(fā)生變化。如果尖刃刀具的刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸心沒有對(duì)齊，則隨著旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，探針讀數(shù)將發(fā)生變化。雖然接觸式探針對(duì)心方法的對(duì)心精度相對(duì)較高，但也有一些缺陷，如對(duì)心過程中探針頭與尖刃金剛石刀具的刀尖相接觸。由于尖刃金剛石刀具的刀尖微小且脆弱，較小的接觸力就會(huì)造成刀尖損傷。雖然在對(duì)心過程中可以減小接觸力，或減弱刀尖與檢測探針的碰撞，但金剛石晶體的高度脆性使刀尖處的損傷很難避免。
目前缺少對(duì)金剛石刀具的刀尖無損傷的旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有對(duì)金剛石刀具的刀尖的旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法中存在的容易損傷金剛石刀具刀尖的問題，提供一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法。
一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，它包括具體步驟如下
步驟一、將C⑶光學(xué)成像裝置設(shè)置在尖刃金剛石刀具的正上方，所述尖刃金剛石刀具通過刀具夾具固定在四軸聯(lián)動(dòng)超精密車削機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，CCD光學(xué)成像裝置至少有兩種放大倍數(shù)，其中一種放大倍數(shù)為15 25倍，另一種放大倍數(shù)為200倍以上，CCD 光學(xué)成像裝置放大倍數(shù)調(diào)為15 25倍；
步驟二、CXD光學(xué)成像裝置對(duì)尖刃金剛石刀具的刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，在獲得的光學(xué)圖像上建立二維平面坐標(biāo)系狐，獲得圖像中刀尖所在位置A點(diǎn)處的坐標(biāo)為(Xl，Z1)，設(shè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的軸心P點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，ζ)；
步驟三、使旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度α，C⑶光學(xué)成像裝置對(duì)尖刃金剛石刀具的刀尖區(qū)域再次成像，獲得光學(xué)圖像中刀尖所在位置B點(diǎn)處的坐標(biāo)( , )；
步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三獲得的兩幅光學(xué)圖像獲得的A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)求得 P點(diǎn)坐標(biāo)值；由B點(diǎn)與P點(diǎn)的坐標(biāo)值相減，最終得到當(dāng)前尖刃金剛石刀具的刀尖點(diǎn)位置B與旋轉(zhuǎn)軸心P之間的坐標(biāo)差值Δ 1 = χ2-χ, Δ 2 = z2-z ；
步驟五、根據(jù)步驟四獲得的坐標(biāo)差值，通過刀具夾具調(diào)整尖刃金剛石刀具的位置使其靠近旋轉(zhuǎn)軸心P，完成對(duì)心操作。
本發(fā)明中，步驟二中建立的平面坐標(biāo)系中的X軸和Z軸分別平行于四軸聯(lián)動(dòng)超精密車削機(jī)床上的X導(dǎo)軌2和Z導(dǎo)軌10。
本發(fā)明為基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，對(duì)心過程不會(huì)對(duì)金剛石刀具的刀尖有任何觸碰；對(duì)心精度與CCD光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率密切相關(guān)，當(dāng) CCD (Charge-coupled Device，簡稱電荷耦合器件)光學(xué)成像范圍為781. 9 μ mX 585. 8 μ m 時(shí)，對(duì)應(yīng)250倍放大倍數(shù)、像素點(diǎn)陣1600X 1200，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0. 5 μ m的對(duì)心精度。


圖1為裝有CCD光學(xué)成像裝置的四軸聯(lián)動(dòng)的超精密車削機(jī)床示意圖，圖2是尖刃金剛石刀具在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的帶動(dòng)下擺動(dòng)前后的成像與幾何關(guān)系示意圖，圖3是尖刃金剛石刀具的對(duì)心操作過程示意圖，圖4為尖刃金剛石刀具的示意圖，β為刀尖夾角。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法包括具體步驟如下
步驟一、將CXD光學(xué)成像裝置7設(shè)置在尖刃金剛石刀具8的正上方，所述尖刃金剛石刀具8通過刀具夾具9固定在四軸聯(lián)動(dòng)超精密車削機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6上，CXD光學(xué)成像裝置7至少有兩種放大倍數(shù)，其中一種放大倍數(shù)為15 25倍，另一種放大倍數(shù)為200 倍以上，CXD光學(xué)成像裝置7放大倍數(shù)調(diào)為15 25倍；
步驟二、CXD光學(xué)成像裝置7對(duì)尖刃金剛石刀具8的刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，在獲得的光學(xué)圖像上建立二維平面坐標(biāo)系狐，獲得圖像中刀尖所在位置A點(diǎn)處的坐標(biāo)為(Xl，Z1)，設(shè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6的軸心P點(diǎn)的坐標(biāo)為(χ，ζ)；
步驟三、使旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度α，CXD光學(xué)成像裝置7對(duì)尖刃金剛石刀具8的刀尖區(qū)域再次成像，獲得光學(xué)圖像中刀尖所在位置B點(diǎn)處的坐標(biāo)(X2，ζ2)；
步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三獲得的兩幅光學(xué)圖像獲得的A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)求得 P點(diǎn)坐標(biāo)值；由B點(diǎn)與P點(diǎn)的坐標(biāo)值相減，最終得到當(dāng)前尖刃金剛石刀具8的刀尖點(diǎn)位置B 與旋轉(zhuǎn)軸心P之間的坐標(biāo)差值Δ 1 = χ2-χ, Δ 2 = z2-z ；
步驟五、根據(jù)步驟四獲得的坐標(biāo)差值，通過刀具夾具9調(diào)整尖刃金剛石刀具8的位置使其靠近旋轉(zhuǎn)軸心P，完成對(duì)心操作。
CXD光學(xué)成像裝置7在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置無需固定，比以往固定式監(jiān)測成像更便捷?；贑CD光學(xué)成像裝置7、利用通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6帶動(dòng)尖刃金剛石刀具擺動(dòng)形成偏差的原理，得到刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6軸心之間的差值，以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)心。
對(duì)心原理及測量圖1中所示的尖刃金剛石刀具8安裝在刀具夾具9上，并固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6上，故尖刃金剛石刀具在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)一定角度的擺動(dòng)或定位。首先，尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)至如圖2中所示的刀具位置Wl處，具體的角度可不作限制。假設(shè)刀尖點(diǎn)為A，采用CCD光學(xué)成像裝置7對(duì)此時(shí)的刀具刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)光學(xué)圖像建立如圖2中左下角所示的坐標(biāo)系，并測出刀尖A點(diǎn)處的X與Z方向坐標(biāo)值。然后，假設(shè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)6的軸心如圖2中的P點(diǎn)所示，使尖刃金剛石刀具沿著圖2中所示的旋轉(zhuǎn)箭頭方向，旋轉(zhuǎn)一定角度α，此角度大小已知，亦即使刀具旋轉(zhuǎn)至如圖2所示的位置W2處。此時(shí)尖刃金剛石刀具的對(duì)稱線處于豎直狀態(tài)，假設(shè)刀尖點(diǎn)為B，然后同樣采用CCD 光學(xué)成像裝置對(duì)此時(shí)的刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，并在計(jì)算機(jī)上對(duì)光學(xué)圖像建立如圖2中左下角所示的坐標(biāo)系，并測出刀尖B點(diǎn)處的X、Z方向坐標(biāo)值。最后，基于旋轉(zhuǎn)前后的刀具刀尖區(qū)域的兩幅光學(xué)圖像，可建立如圖2中所示的幾何關(guān)系，即刀具的旋轉(zhuǎn)角度α與圖中Z APB相等。因此，只要采集出A、B兩點(diǎn)在相同圖片大小(或相同放大倍數(shù)及相同分辨率)下的同一坐標(biāo)系內(nèi)的具體坐標(biāo)值，以及刀具旋轉(zhuǎn)的具體角度和刀尖夾角β，便可重構(gòu)出尖刃金剛石刀具在擺動(dòng)前后的幾何圖像，并可根據(jù)擺動(dòng)前后的幾何關(guān)系求得擺動(dòng)軸心P點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式所述的一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法與實(shí)施方式一不同的是，所述對(duì)心方法還包括以下步驟將CXD光學(xué)成像裝置7 調(diào)為200倍以上的放大倍數(shù)，重復(fù)步驟二、步驟三和步驟四，再一次調(diào)整尖刃金剛石刀具8 的位置，完成對(duì)心操作。
本實(shí)施方式增加的步驟，是在實(shí)施方式一所述的對(duì)心操作完成之后，增加CCD光學(xué)成像裝置7的成像放大倍數(shù)，然后再進(jìn)行一次對(duì)心操作，提高對(duì)心的精度。
本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行一次尖刃金剛石刀具刀尖點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸心的粗對(duì)心， 能夠保證當(dāng)采用高倍數(shù)的成像放大倍數(shù)進(jìn)行刀尖區(qū)域成像時(shí)，旋轉(zhuǎn)后不至于偏出成像范圍；再按上述步驟進(jìn)行對(duì)心，以完成尖刃刀具刀尖點(diǎn)與B軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸心的精準(zhǔn)對(duì)心。若想實(shí)現(xiàn)較高精度的對(duì)心，可采用高倍數(shù)下的成像裝置按照對(duì)心方案進(jìn)行多次對(duì)心，以反復(fù)驗(yàn)證精準(zhǔn)對(duì)心的結(jié)果。結(jié)果顯示當(dāng)成像范圍為781.9μπιΧ585.8μπι時(shí)，對(duì)應(yīng)250倍放大倍數(shù)、像素點(diǎn)陣1600X 1200，精準(zhǔn)對(duì)心精度優(yōu)于0. 5 μ m。若C⑶光學(xué)成像裝置的分辨率、放大倍數(shù)以及圖像處理精度進(jìn)一步提高，精準(zhǔn)對(duì)心的精度亦能更高。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2說明實(shí)施方式一步驟四中所述的求得P點(diǎn)坐標(biāo)值的具體過程為令0點(diǎn)為原點(diǎn)，A點(diǎn)坐標(biāo)為(Xl，Zl)、B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，z2)，設(shè)未知點(diǎn)P的坐標(biāo)為(X， ζ)，以旋轉(zhuǎn)軸心P點(diǎn)向直線段AB作垂線，垂足為C點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)偏差所形成的幾何關(guān)系，可得
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，其特征是它包括具體步驟如下步驟一、將CXD光學(xué)成像裝置(7)設(shè)置在尖刃金剛石刀具(8)的正上方，所述尖刃金剛石刀具(8)通過刀具夾具(9)固定在四軸聯(lián)動(dòng)超精密車削機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(6)上，CCD 光學(xué)成像裝置(7)至少有兩種放大倍數(shù)，其中一種放大倍數(shù)為15 25倍，另一種放大倍數(shù)為200倍以上，CXD光學(xué)成像裝置(7)放大倍數(shù)調(diào)為15 25倍；步驟二、CCD光學(xué)成像裝置(7)對(duì)尖刃金剛石刀具(8)的刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，在獲得的光學(xué)圖像上建立二維平面坐標(biāo)系)(0Z，獲得圖像中刀尖所在位置A點(diǎn)處的坐標(biāo)為(Xl，Zl)，設(shè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(6)的軸心P點(diǎn)的坐標(biāo)為(χ，ζ)；步驟三、使旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(6)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)角度α，CXD光學(xué)成像裝置(7)對(duì)尖刃金剛石刀具⑶的刀尖區(qū)域再次成像，獲得光學(xué)圖像中刀尖所在位置B點(diǎn)處的坐標(biāo)(χ2，ζ2)； 步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三獲得的兩幅光學(xué)圖像獲得的A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)求得P點(diǎn)坐標(biāo)值；由B點(diǎn)與P點(diǎn)的坐標(biāo)值相減，最終得到當(dāng)前尖刃金剛石刀具⑶的刀尖點(diǎn)位置B與旋轉(zhuǎn)軸心P之間的坐標(biāo)差值Δ 1 = χ2-χ, Δ 2 = z2-z ；步驟五、根據(jù)步驟四獲得的坐標(biāo)差值，通過刀具夾具(9)調(diào)整尖刃金剛石刀具(8)的位置使其靠近旋轉(zhuǎn)軸心P，完成對(duì)心操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，其特征在于所述基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法還包括以下步驟將CCD光學(xué)成像裝置(7)調(diào)為200倍以上的放大倍數(shù)，重復(fù)步驟二、步驟三和步驟四，再一次調(diào)整尖刃金剛石刀具(8)的位置，完成對(duì)心操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，其特征在于步驟四中所述的求得P點(diǎn)坐標(biāo)值的具體過程為以旋轉(zhuǎn)軸心P點(diǎn)向直線段AB作垂線，垂足為C點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)偏差所形成的幾何關(guān)系，可得
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，其特征在于，步驟五中通過刀具夾具(9)調(diào)整尖刃金剛石刀具(8)的位置使其靠近旋轉(zhuǎn)軸心P 的過程為根據(jù)坐標(biāo)差Δ 1在X軸方向調(diào)整尖刃金剛石刀具(8)，再根據(jù)坐標(biāo)差八2在2軸方向調(diào)整尖刃金剛石刀具(8)。
全文摘要
一種基于光學(xué)圖像重構(gòu)的尖刃金剛石刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法，涉及超精密切削加工方法，解決了目前缺少對(duì)金剛石刀具的刀尖無損傷的旋轉(zhuǎn)對(duì)心方法的問題，它包括具體步驟如下步驟一、將CCD光學(xué)成像裝置設(shè)置在尖刃金剛石刀具的正上方，CCD光學(xué)成像裝置放大倍數(shù)調(diào)為15～25倍；步驟二、CCD光學(xué)成像裝置對(duì)尖刃金剛石刀具的刀尖區(qū)域進(jìn)行成像，對(duì)獲得的光學(xué)圖像建立坐標(biāo)系XOZ，A點(diǎn)處的坐標(biāo)(x1，z1)，軸心為P(x，z)點(diǎn)；步驟三、獲得B點(diǎn)處的坐標(biāo)(x2，z2)；步驟四、根據(jù)步驟二和步驟三獲得的兩幅光學(xué)圖像獲得坐標(biāo)差值Δ1＝x2-x，Δ2＝z2-z；步驟五調(diào)整刀具靠近P點(diǎn)。用于金剛石刀具的刀尖無損傷對(duì)心。
文檔編號(hào)B23B1/00GK102500760SQ201110333830
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者孫濤, 宗文俊, 巢海斌, 胡振江 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)