專利名稱：刀具鋒利度的光學測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應用光學領(lǐng)域。它涉及一種應用光學原理測量刀具鋒利度的方法，并提供一種實際中可應用的裝置。
正如人們所知道的，刀具在機械加工中起著決定性的作用，其主刀刃的性質(zhì)直接影響被加工工件的表面質(zhì)量。到目前為止，評價刀具的質(zhì)量主要是通過測量其側(cè)面和前傾面的磨損進行的。在絕大多數(shù)情況下，這些磨損都是用光學顯微鏡來測量的。Bruins，D.H.的書(Bruins，D.H.&Draeger，H.J.WerkzeugeundWerkzeugmaschinenfuerdiespanendeMetallbearbeitung，CarlVerlagMuenchenWien，1984)中給出了刀具側(cè)面和前傾面的定義和測量方法。Bertani，D.(Bertani，D.;Cetica，M.&Francini，F(xiàn).FastAutomaticMethodtoMeasuretheRecessionofaBladeEdgeduetoWear，Wear，Vol.105，Nr.4，1985)和Maeda，Y.(Maeda，Y.;Uchida，H.&Yamamoto，A.ContourMappingofCuttingToolFacewiththeAidofDigitalImageProcessingTechnique，Bull.JpnSoc.Precis.Eng.，Vol.21，Nr.2，Jun.1987)等人分別于1985年和1987年給出了自動測量刀具表面磨損的裝置。雖然他們將數(shù)字化技術(shù)和圖象處理技術(shù)應用于儀器中，但是最基本的放大單元仍然是光學顯微鏡。而且測量對象仍然是刀具表面的磨損。直接影響加工精度的因素-刀具的刀刃性質(zhì)，特別是刀刃的半徑，直到今天仍然沒有人試圖測量它。其主要原因就是沒有一個適當?shù)臏y量方法。人們過去傳統(tǒng)上所說的刀刃半徑是在主觀想象刀刃輪廓是一圓弧情況下的圓弧半徑r，因為在以前的時間里還沒有人對刀刃的真實輪廓形狀作具體地研究.本發(fā)明在大量的實驗基礎(chǔ)上認為，用單一參數(shù)-即刀刃的圓弧半徑r來描述刀刃的幾何性質(zhì)與實際情況極少相符。
本發(fā)明的目的是試圖利用光學方法測量刀具刀刃的半徑，以便能更準確地評價它。其具體任務是，提出一種精確測量刀具刀刃半徑的方法，并且提出實現(xiàn)這種方法的一種裝置。本發(fā)明提出的方法和裝置可以應用于各種刀具鋒利度的測量和評定。
本發(fā)明用兩個參數(shù)來描述刀刃的幾何形狀，也就是說，認為刀刃的形狀為一橢圓。它可用二個參數(shù)-長軸半徑a和短軸半徑b來描述，如

圖1所示。那么以往所說的圓弧半徑在這里只是一種特殊情況，即a＝b。
本發(fā)明提出的方法基本內(nèi)容是利用一束激光，在刀刃楔角角平分面內(nèi)近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，于是將有部分光散射回來。利用光電接收器件在-45°到45°角度范圍內(nèi)測量散射光的強度分布，然后根據(jù)入射光的總強度及強度分布，散射光的強度分布和被測件的光學性質(zhì)計算出刀刃的半徑。
利用本發(fā)明所述的方法測量刀刃鋒利度的具體步驟是1.測量光源的強度PO;
2.測量被測刀刃的反射率R;
3.調(diào)整光源和刀具的相對位置，使入射光在刀刃楔角角平分面內(nèi)近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，此位置作為散射角0度;
4.利用光電接收器在-45°到+45°范圍內(nèi)接收散射光強度分布W(ψ);
5.利用以下公式
及曲線擬合的方法計算出a和b的值。
式中W(P)-在P′處的散射光強度;
PO-入射光的強度;
ΩO-光電接收器對被測點的空間角;
h-刀刃長度的一半;
ψ-被測點的散射角;
φ-光電接收器與XZ平面之夾角;
φO-光軸與Z-軸的夾角.
各參數(shù)的幾何關(guān)系如圖2所示.
本發(fā)明是建立在利用散射光學理論對刀刃散射光的強度分布進行定量分析基礎(chǔ)上的。這就決定了本發(fā)明的一個優(yōu)點，即可以用它來精確地測量刀具的鋒利度，以完成評判性的檢驗工作，這是傳統(tǒng)的測量方法無法實現(xiàn)的。因為傳統(tǒng)的通過測量刀具磨損來評定刀刃質(zhì)量的方法是一種間接方法，它無法精確地給出刀刃半徑的數(shù)值，所以也就無法保證正確地評定刀具刀刃的鋒利度。
至于如何實現(xiàn)這種裝置，技術(shù)措施主要是利用一束激光照射刀具刀刃，同時要有一套機械運動系統(tǒng)(或/和接收器陣列)以實現(xiàn)刀具的運動和在不同角度上測量散射光的強度。測量工作的進行和測量結(jié)果的分析處理是由操作軟件來控制執(zhí)行的，而操作軟件是依據(jù)本發(fā)明給出的方法編寫的。
圖1是刀具刀刃的橢圓模型圖。
圖1中各符號所代表的意義如下1-刀具側(cè)面，2-刀刃輪廓，B-刀刃與側(cè)面的相切點，a-橢圓長軸半徑，b-橢圓短軸半徑，β-刀具楔角.
圖2是測量中各參數(shù)的幾何關(guān)系圖.
圖2中各符號所代表的意義如下3-光電接收器，4-刀具.
圖3是說明本發(fā)明提供裝置的機械部分結(jié)構(gòu)原理圖.
圖3中各符號所代表的意義如下
M1...M4-步進電機，5，17-底座，6，9-導軌，7，10-滑橇，8，11-螺桿，12-試件夾座，13-調(diào)整鈕，14，15-轉(zhuǎn)動臂，16-光電接收器，18-半導體激光器.
下面結(jié)合附圖具體介紹體現(xiàn)本發(fā)明思想的一個實施范例。
依據(jù)本發(fā)明的方法，所設計的測量裝置應包括機械部分和電器部分。其中機械部分應使光電接收器在不同角度處接收散射光的強度，同時還要保證入射光在近垂直的方向上照射刀刃，這點是根據(jù)從與刀具平行安裝的反射鏡反射回來的光束方向來調(diào)整的。整個機械系統(tǒng)可分為接收器運動部分和被測件運動部分，其全部運動由四個步進電機驅(qū)動。步進電機M1和M2通過螺桿8，11可帶動滑橇7，10在導軌6，9上運動，從而使被測刀具及與刀具平行的反射鏡隨同與滑橇10相連接的試件夾座12一起運動。接收器運動部分可使光電接收器16分別繞水平和豎直兩個軸轉(zhuǎn)動，從而達到對散射光信號在正確位置上進行掃描測量的目的。固定在轉(zhuǎn)動臂14上的光電接收器16在步進電機M3的驅(qū)動下可繞豎直軸轉(zhuǎn)動，在進電機M4的驅(qū)動下又可繞水平軸轉(zhuǎn)動。
電器部分的功能是驅(qū)動機械部分的正確運動，激光器的驅(qū)動，散射信號的采集，存儲和計算。被測刀刃上的散射光被光電接收器16(光電二極管或CCD攝像機等)接收后經(jīng)由放大器，解調(diào)器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存入計算機，同時光電接收器的位置信號也被存儲，為進一步的處理做好準備。
在后繼的處理步驟中，將根據(jù)已經(jīng)獲得的這些數(shù)據(jù)信息計算出刀具的長軸半徑和短軸半徑，從而得知刀具的鋒利程度。
實施上述建議措施的器材主要包括-高度靈敏的光電接收器，如光電二極管或CCD攝像機;
-能夠帶動光電接收器繞二個軸轉(zhuǎn)動的機械系統(tǒng);
-能夠帶動被測刀具在一平面內(nèi)運動的機械系統(tǒng);
-一個與刀具平行安裝的反射鏡;
-一個激光光源及其準直系統(tǒng);
-能夠?qū)⑸⑸涔鈴姸刃盘栟D(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲起來的電器系統(tǒng).
裝置的操作方法是由本發(fā)明所提供的測量方法所決定和派生的。它主要體現(xiàn)為計算機程序的形式。
包括計算機程序在內(nèi)的計算機控制著整個系統(tǒng)的運行操作。計算機通過其接口控制被測刀具和光電接收器的運動。同時光電接收器的信號經(jīng)電路處理后變?yōu)閿?shù)字信號存入計算機，計算機根據(jù)這些信號進行進一步的處理。作為一個完整的系統(tǒng)，計算機還包括諸如鍵盤，監(jiān)視器，打印機等。
關(guān)于本發(fā)明的基本實施方案，除本文前面給出的那些方法和措施之外，還可以包括下面這些附加措施-為達到快速測量的目的，可用一光電接收器陣列代替單一光電接收器的掃描，-測量刀刃散射光的范圍可擴大到半個空間
權(quán)利要求
1.一種測量刀刃鋒利度的測量方法，其特征在于利用一束激光，在刀刃楔角角平分面內(nèi)近于垂直于刀刃的方向上照射刀刃，利用光電接收器件在散射角±45°角度范圍內(nèi)測量散射光的強度分布，按照以下公式計算出刀刃半徑并以曲線擬合的方法求出a和b
式中W(P′)--在P′處的散射光強度；P0--入射光的強度；Ω0--光電接收器對被測點的空間角；h--刀刃長度的一半；ψ--被測點的散射角；φ--光電接收器與xz平面之夾角；φ0--光軸與z軸的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法設計的測量裝置，包括機械部分和電器部分，其特征在于機械部分為接收器運動部分和被測件運動部分，包括步進電機M1、M2、M3、M4，底座[5]、[17]，導軌[6]、[9]，滑橇[7]、[10]，螺桿[8]、[11]，試件夾座[12]，調(diào)整鈕[13]，轉(zhuǎn)動臂[14]、[15]，光電接收器[16]，半導體激光器[18]，全部運動由四個步進電機M1、M2、M3、M4驅(qū)動，步進電機M1和M2通過螺桿[8]，[11]帶動滑橇[7]，[10]在導軌[6]，[9]上運動，從而使被測刀具及與刀具平行的反射鏡隨同與滑橇[10]相連接的試件夾座[12]一起運動，接收器運動可使光電接收器[16]分別繞水平和豎直兩個軸轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)動臂[14]上的光電接收器[16]在步進電機M3的驅(qū)動下可繞豎直軸轉(zhuǎn)動，在步進電機[14]的驅(qū)動下又可繞水平軸轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明提出了測量刀具鋒利度的光學測量方法，其主要步驟是用一束激光在刀刃楔角角分線方向上近垂直照射刀刃，用光電接收器在一定范圍內(nèi)接收散射光的強度分布，然后根據(jù)這一分布，刀具材料的性質(zhì)以及所用光源的性質(zhì)計算出刀刃在所測點處的半徑。
文檔編號G01N21/47GK1081249SQ9210558
公開日1994年1月26日 申請日期1992年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月7日
發(fā)明者唐文彥 申請人:哈爾濱工業(yè)大學