微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法制造方法及图纸

微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法属于机械自动化技术领域，目的在于解决现有技术存在的精度低、成本高、刀具易损坏和工作效率低的问题。本发明专利技术微径铣刀通过刀柄同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴上，安装基体固定在机床安装定位模块上，三自由度纳米直线位移平台固定在安装基体上，微型高精度旋转平台安装在三自由度纳米直线位移平台上，微型音叉固定在微型高精度旋转平台上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，高倍率工业相机通过连接件安装在安装基体上，高倍率工业相机的光轴和高精度微型旋转平台的回转轴线重合，并与微型音叉的音叉臂外端面平行，光源同轴安装在高倍率工业相机的镜头前端。

【技术实现步骤摘要】
微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法
本专利技术属于机械自动化
，具体涉及一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法。
技术介绍
在高速微细铣削加工过程中，对刀精度直接影响工件的尺寸精度、形位精度和加工质量。由于目前高速微细铣削所用的铣刀直径越来越小，对微细铣削机床的对刀精度要求越来越高，误差过大时会影响加工质量，严重时会导致刀具破损折断。现有的对刀方法有试切法对刀、压力接触感应式对刀、激光直射式对刀、激光衍射法对刀、图像法对刀等；试切法对刀对于高速加工中的微径铣刀尤其是以下的微径铣刀，操作调整过程繁琐对其操作人员技术水平要求较高，并且容易产生由工件表面变形导致的对刀精度降低、容易误撞刀造成刀具的破损或折断等；压力接触感应式对刀通过压力感应式对刀仪实现，压力感应式对刀仪适用的铣刀最小直径为对于直径为及以下的微径铣刀不能保证其对刀精度，并切重复多次对刀时会造成刀具崩刃；激光直射式对刀仪精度有限，对于微径铣刀容易产生误判，其对刀精度取决于传感器精度，要满足对刀的高精度要求，且价格十分昂贵；激光衍射法对刀需要刀具和工件平面产生微小间隙，需要进行微径铣刀Z方向微调，直到产生明显的衍射条纹，对于微细铣削机床整体要求偏高；图像法对刀如要达到高精度对相机的成像质量以及分辨率的要求提高，势必造成成本的大幅增加，同时图像法对刀不宜与机床集成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置及方法，解决现有技术存在的精度低、成本高、刀具易损坏和工作效率低的问题。为实现上述目的，本专利技术的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置包括高倍率工业相机、光源、高速电主轴、刀柄、微径铣刀、微型音叉、微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台、机床安装定位模块、安装基体、计算机主控单元、图像处理单元、主控计算机与CNC系统数据交互单元、音叉谐振状态控制及检测单元、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元、微细铣削机床CNC数控系统；所述微径铣刀通过刀柄同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴上，所述安装基体固定在机床安装定位模块上，所述三自由度纳米直线位移平台固定在安装基体上，所述微型高精度旋转平台安装在三自由度纳米直线位移平台上，所述微型音叉固定在微型高精度旋转平台上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，所述高倍率工业相机通过连接件安装在安装基体上，所述高倍率工业相机的光轴和微型高精度旋转平台的回转轴线重合，并与微型音叉的音叉臂外端面平行，所述光源同轴安装在高倍率工业相机的镜头前端；所述音叉谐振状态控制及检测单元分别与微型音叉和计算机主控单元电连接，对微型音叉激励及采集谐振状态，并将采集数据传递给计算机主控单元；所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元分别与微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台和计算机主控单元电连接；所述高倍率工业相机通过图像处理单元和计算机主控单元连接，所述微细铣削机床CNC数控系统通过主控计算机与CNC系统数据交互单元和计算机主控单元连接。所述微型高精度旋转平台为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台定位精度为100-200微米。基于一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置的对刀方法包括以下步骤：步骤一：计算机主控单元通过主控计算机与CNC系统数据交互单元向微细铣削机床CNC数控系统发送指令控制微细铣削机床运动，同时通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台、三自由度纳米直线位移平台运动，使微径铣刀和微型音叉处于高倍率工业相机视场内；步骤二：打开光源使其发出的光照射到微径铣刀和微型音叉的外表面，对高倍率工业相机水平和竖直方向的像素进行标定，确定一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离；步骤三：计算机主控单元和图像处理单元通过高倍率工业相机实时采集并显示微径铣刀和微型音叉的图像，图像处理单元对采集的图像进行处理和量化，重复步骤一，直到微径铣刀外轮廓与微型音叉外端面呈现清晰的图像；步骤四：计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台转动，使微型音叉的音叉臂调整到水平方向，通过图像处理单元提取微型音叉的音叉臂最上端表面边界并在实时显示的图像中进行标定；步骤五：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤四中获得的微型音叉的音叉臂最上端表面边界在实时显示的图像中的标定位置得到微型音叉的音叉臂最上端表面边界与微径铣刀最下端轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀向微型音叉靠近后二者之间的最小距离；步骤六：开启音叉谐振状态控制及检测单元，对微型音叉进行励振并实时检测音叉谐振状态；步骤七：计算机主控单元通过微细铣削机床CNC数控系统控制微细铣削机床Z进给轴运动，使微径铣刀靠近微型音叉最上端表面直到二者之间的距离达到步骤五中获得的最小距离，计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制三自由度纳米直线位移平台进行Z向移动，直至微型音叉的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台Z向移动的距离即为微径铣刀端面与微型音叉最上端表面的精确距离。步骤八：使用装夹长度已标定的检棒替换微径铣刀，重复步骤五中的操作对微型音叉的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置进行标定；步骤九：根据步骤七中获得的微径铣刀端面与微型音叉最上端表面的精确距离S以及步骤八中获得的微型音叉的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置Oz通过公式(一)计算出微径铣刀的精确装夹长度值L，L＝S+Oz(一)；步骤十：计算机主控单元通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元控制微型高精度旋转平台转动，使微型音叉的音叉臂处于竖直方向；步骤十一：通过微细铣削机床CNC数控系统控制高速电主轴反向旋转，并通过高倍率工业相机提取微型音叉在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀外轮廓；步骤十二：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤十一中获得的微型音叉在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀外轮廓得到微型音叉的音叉臂Y轴正向最外端表面边界与微径铣刀外轮廓的距离；根据该距离设定微径铣刀向微型音叉靠近后二者之间的最小距离；步骤十三：控制微细铣削机床Y进给轴运动，直至微径铣刀与微型音叉最外端表面的距离达到步骤十二中获得的最小距离；步骤十四：通过纳米位移平台及微型旋转平台控制三自由度纳米直线位移平台进行机床坐标系Y向移动，直至微型音叉的谐振频率发生变化，通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台Y向移动的距离即为微径铣刀外轮廓与微型音叉最外端表面的精确距离。步骤十五：使用标定直径的检棒替换微径铣刀，重复步骤十至步骤十四中的操作对微型音叉在机床坐标系Y向位置进行标定；步骤十六：根据步骤十四中获得的微径铣刀外轮廓与微型音叉最外端表面的精确距离S＇以及步骤十五中获得的微型音叉的最外端表面在机床坐标系中的Y向位置Oy通过公式(二)计算出微径铣刀的精确直径值D，D＝S＇-Oy(二)；步骤十七：计算机主控单元将测得的微径铣刀的装夹长度值以及直径值通过主控计算机与CNC系统数据交互单元下载到微细铣削机床CNC数控系统的刀具偏置列表中，实现微径铣刀的高精度对刀。所述微型高精度旋转平台为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置，其特征在于，包括高倍率工业相机(1)、光源(2)、高速电主轴(3)、刀柄(4)、微径铣刀(5)、微型音叉(6)、微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)、机床安装定位模块(9)、安装基体(10)、计算机主控单元(11)、图像处理单元(12)、主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)、音叉谐振状态控制及检测单元(14)、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)、微细铣削机床CNC数控系统(16)；所述微径铣刀(5)通过刀柄(4)同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴(3)上，所述安装基体(10)固定在机床安装定位模块(9)上，所述三自由度纳米直线位移平台(8)固定在安装基体(10)上，所述微型高精度旋转平台(7)安装在三自由度纳米直线位移平台(8)上，所述微型音叉(6)固定在微型高精度旋转平台(7)上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，所述高倍率工业相机(1)通过连接件安装在安装基体(10)上，所述高倍率工业相机(1)的光轴和微型高精度旋转平台(7)的回转轴线重合，并与微型音叉(6)的音叉臂外端面平行，所述光源(2)同轴安装在高倍率工业相机(1)的镜头前端；所述音叉谐振状态控制及检测单元(14)分别与微型音叉(6)和计算机主控单元(11)电连接，对微型音叉(6)激励及采集谐振状态，并将采集数据传递给计算机主控单元(11)；所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)分别与微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)和计算机主控单元(11)电连接；所述高倍率工业相机(1)通过图像处理单元(12)和计算机主控单元(11)连接，所述微细铣削机床CNC数控系统(16)通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)和计算机主控单元(11)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置，其特征在于，包括高倍率工业相机(1)、光源(2)、高速电主轴(3)、刀柄(4)、微径铣刀(5)、微型音叉(6)、微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)、机床安装定位模块(9)、安装基体(10)、计算机主控单元(11)、图像处理单元(12)、主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)、音叉谐振状态控制及检测单元(14)、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)、微细铣削机床CNC数控系统(16)；所述微径铣刀(5)通过刀柄(4)同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴(3)上，所述安装基体(10)固定在机床安装定位模块(9)上，所述三自由度纳米直线位移平台(8)固定在安装基体(10)上，所述微型高精度旋转平台(7)安装在三自由度纳米直线位移平台(8)上，所述微型音叉(6)固定在微型高精度旋转平台(7)上，两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称，所述高倍率工业相机(1)通过连接件安装在安装基体(10)上，所述高倍率工业相机(1)的光轴和微型高精度旋转平台(7)的回转轴线重合，并与微型音叉(6)的音叉臂外端面平行，所述光源(2)同轴安装在高倍率工业相机(1)的镜头前端；所述音叉谐振状态控制及检测单元(14)分别与微型音叉(6)和计算机主控单元(11)电连接，对微型音叉(6)激励及采集谐振状态，并将采集数据传递给计算机主控单元(11)；所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)分别与微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)和计算机主控单元(11)电连接；所述高倍率工业相机(1)通过图像处理单元(12)和计算机主控单元(11)连接，所述微细铣削机床CNC数控系统(16)通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)和计算机主控单元(11)连接。2.根据权利要求1所述的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置，其特征在于，所述微型高精度旋转平台(7)为微型直流电机驱动平台，所述三自由度纳米直线位移平台(8)定位精度为100-200微米。3.基于权利要求1所述的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置的对刀方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：计算机主控单元(11)通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)向微细铣削机床CNC数控系统(16)发送指令控制微细铣削机床运动，同时通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)运动，使微径铣刀(5)和微型音叉(6)处于高倍率工业相机(1)视场内；步骤二：打开光源(2)使其发出的光照射到微径铣刀(5)和微型音叉(6)的外表面，对高倍率工业相机(1)水平和竖直方向的像素进行标定，确定一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离；步骤三：计算机主控单元(11)和图像处理单元(12)通过高倍率工业相机(1)实时采集并显示微径铣刀(5)和微型音叉(6)的图像，图像处理单元(12)对采集的图像进行处理和量化，重复步骤一，直到微径铣刀(5)外轮廓与微型音叉(6)外端面呈现清晰的图像；步骤四：计算机主控单元(11)通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制微型高精度旋转平台(7)转动，使微型音叉(6)的音叉臂调整到水平方向，通过图像处理单元(12)提取微型音叉(6)的音叉臂最上端表面边界并在实时显示的图像中进行标定；步骤五：根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤四中获得的微型音叉(6)的音叉臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张向辉，于化东，许金凯，于占江，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22