專利名稱：高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法，尤其涉及一種利用在線圖像處理技 術(shù)進(jìn)行高精度圓弧刃金剛石午.刀的自動(dòng)研磨的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天、能源、汽車、光電子等領(lǐng)域超精密加工以及非球面、自由曲面加工需求 的增加，高精度圓弧刃金剛石車刀的需求逐年增大。目前，在世界范圍內(nèi)單晶金剛石車刀的 研磨大部分仍然是由熟練技工的手工操作來完成，加工過程中，切削刃的刃型精度的確認(rèn)主 要是靠投影儀和顯微鏡以及非接觸形狀測(cè)定裝置等的離線測(cè)量來進(jìn)行，由于人為主觀因素以 及反復(fù)裝夾造成的誤差等的影響，因此很難保證被加工的金剛石車刀有穩(wěn)定的刃型精度和刀 面質(zhì)量，生產(chǎn)效率也很低。從而造成了目前的單晶金剛石車刀在精度和供貨周期上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 能滿足市場(chǎng)的需求，目前的單晶金剛石車刀的刃型研磨的精度和效率都很難滿足市場(chǎng)的需求。 而培養(yǎng)一個(gè)成熟的金剛石車刀研磨技工更要花費(fèi)大量財(cái)力和時(shí)間，因此造成了目前高精度金 剛石車刀市場(chǎng)價(jià)格偏卨，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品成本增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服己有技術(shù)的不足，提供一種可以不依賴于操作者的手工操作技能 熟練程度、不需制造過程中反復(fù)拆卸測(cè)量、 一次裝夾即可完成整個(gè)加工過程的高精度圓弧刃 金剛石車刀制備方法。
本發(fā)明的高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法，它包括以下歩驟
(1)首先將金剛石車刀固定在可以旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的工作臺(tái)上，并在金剛石車刀上方固定CCD相機(jī)；
(2) 通過圖像采集卡實(shí)時(shí)將金剛石車刀的圖像以異步方式采集到計(jì)算機(jī)中，并顯示在計(jì)算 機(jī)屏幕上；
(3) 基T灰度值變化及重歸構(gòu)筑的過濾方法，以亞像素精度將金剛石車刀前端需加工的圓 弧部分及其兩端的棱線部分的輪廓線fcl出形成輪廓線點(diǎn)群；
(4) 通過多邊形近似方法將所述的抽出的輪廓線點(diǎn)群中的前端圓弧部分的點(diǎn)群分割出來， 利用所述的前端圓弧部分的點(diǎn)群基于最小二乘法得到車刀切削刃輪廓的初始圓弧中心，然后 將切削刃的輪廓圓弧上每一點(diǎn)到初始圓弧中心的距離值與設(shè)定的半徑值比較，從而得到車刀 切削刃輪廓的圓弧上每一點(diǎn)的輪廓度誤差；
(5) 將車刀的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定；
(6) 根據(jù)從所述的步驟(4)中得到的輪廓度誤差和圓弧上每一點(diǎn)的位置信息，驅(qū)動(dòng)車刀 旋轉(zhuǎn)及研磨輪進(jìn)給對(duì)車刀的圓弧刃進(jìn)行加工；
(7) 重復(fù)所述的步驟(2) (6),直至車刀的刃型精度達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，程序自動(dòng)停止，整 個(gè)圓弧刃金剛石車刀加工結(jié)束。
進(jìn)一步地，所述的步驟(6)中對(duì)車刀的圓弧刃加工步驟依次包括粗、精加工階段，在粗 加工階段，研磨進(jìn)給量正比例于輪廓度誤差，在精加工階段，車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度 誤差。
與傳統(tǒng)的手工操作制造方法相比，本發(fā)明的有益效果在于金剛石毛坯裝夾后可一次加 工成型，中途不需要拆卸測(cè)量，這樣就避免了二次裝夾的誤差對(duì)金剛石車刀刃型精度的影響。 同時(shí)由于可以在線測(cè)量，這樣就可以有選擇的對(duì)切削刃進(jìn)行研磨修整，有助于快速去除由于 金剛石各向異性造成的去除量不同而導(dǎo)致的刃型誤差，因此能夠大幅度提高圓弧刃金剛石車 刀研磨的效率和刃型精度。另外由于全程采用了機(jī)械裝夾和自動(dòng)研磨，消除了原來手工操作 研磨的由于操作的主觀因素造成的不穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)圓弧刃金剛石車刀穩(wěn)定、高效、高精度 加工。


4圖l是應(yīng)用本發(fā)明高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法的加工裝置示意圖2-4是待加工的車刀的結(jié)構(gòu)示意圖5是采用本發(fā)明方法加工完畢的車刀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
本發(fā)明方法是針對(duì)目前高精度圓弧刃金剛石車刀的制造主要是依靠手工操作，造成生產(chǎn) 周期過長(zhǎng)、高精度無法穩(wěn)定獲得，難以滿足市場(chǎng)的需求的現(xiàn)狀，利用在線圖像測(cè)量并反饋驅(qū) 動(dòng)車刀裝夾裝置及研磨盤(或研磨輪)的方法，實(shí)現(xiàn)圓弧刃金剛石車刀的高效自動(dòng)研磨，獲 得高精度的圓弧刃金剛石車刀。
本發(fā)明方法包括以下歩驟(1)首先將金剛石車刀固定在可以旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的工作臺(tái)上，并 在金剛石車刀上方固定CCD相機(jī)；(2)通過圖像采集卡實(shí)時(shí)將金剛石車刀的圖像以異步方式采
集到計(jì)算機(jī)中，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上；(3)基于灰度值變化及重歸構(gòu)筑的過濾方法，以亞 像素精度將金剛石車刀前端需加工的圓弧部分及其兩端的棱線部分的輪廓線抽出形成輪廓線 點(diǎn)群；(4)通過多邊形近似方法將所述的抽出的輪廓線點(diǎn)群中的前端圓弧部分的點(diǎn)群分割出 來，利用前端圓弧部分的點(diǎn)群基于最小二乘法得到車刀切削刃輪廓的初始圓弧中心，然后將 切削刃的輪廓圓弧上每一點(diǎn)到初始圓弧中心的距離值與設(shè)定的半徑值比較，從而得到車刀切 削刃輪廓的圓弧上每一點(diǎn)的輪廓度誤差；(5)將車刀的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋 轉(zhuǎn)中心重合后固定；(6)根據(jù)從所述的歩驟(4)中得到的輪廓度誤差和圓弧上每一點(diǎn)的位置 信息，驅(qū)動(dòng)車刀旋轉(zhuǎn)及研磨輪進(jìn)給對(duì)車刀的圓弧刃進(jìn)行加工；(7)重復(fù)所述的步驟(2) (6)， 直至車刀的刃型精度達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，程序自動(dòng)停止，整個(gè)圓弧刃金剛石車刀加工結(jié)束。
在所述的歩驟(6)中對(duì)車刀的圓弧刃加工的步驟優(yōu)選的依次包括粗、精加工階段，在所 述的粗加工階段，采用研磨進(jìn)給量正比例于輪廓度誤差的方法進(jìn)行，有利于提高加工效率。 在所述的精加工階段采用車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度的方法，以提高金剛石車刀的刃型精 度。
本發(fā)明方法的工作原理如圖l所示圓弧刃金剛石車刀1安裝在擺動(dòng)工作臺(tái)8上，CCD相機(jī)'〕200910068573.7
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安裝在車刀l上方，金剛石車刀切削刃刃型精度由CCD相機(jī)的性能、控制系統(tǒng)的精度、帶動(dòng)金
剛石車刀擺動(dòng)的工作臺(tái)及帶動(dòng)研磨輪進(jìn)給的工作臺(tái)的精度決定。圖像采集卡:讀取CCD相機(jī)的 輸出圖像信息并將所述的圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)4通過基于灰度值變化及重歸構(gòu)筑 的過濾的方法，以亞像素精度將金剛石車刀前端需加工的圓弧部分及其兩端棱線部分的輪廓 線抽出形成輪廓線點(diǎn)群；通過多邊形近似方法將需加工的前端圓弧部分點(diǎn)群分割出來，利用 這部分點(diǎn)群基于最小二乘法得到車刀切削刃輪廓的初始圓弧中心，然后將切削刃的輪廓圓弧 上每一點(diǎn)到初始圓弧中心的距離值與設(shè)定的半徑值比較，從而得到切削刃的輪廓的圓弧每一 點(diǎn)的輪廓度誤差；根據(jù)輪廓度誤差和圓弧上每一點(diǎn)的位置信息，計(jì)算機(jī)4發(fā)出控制信號(hào)給控制 卡5，控制卡5將控制信號(hào)進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化后分別輸出給XZ工作臺(tái)6和擺動(dòng)工作臺(tái)8上的伺服 電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)車刀旋轉(zhuǎn)及研磨輪7進(jìn)給對(duì)所述的車刀的圓弧刃進(jìn)行加工。
本發(fā)明方法適用使用未研磨(多邊形)、研磨后(圓弧形)、損壞(復(fù)雜不定形狀)的車 刀進(jìn)行初始加工、精度提高以及再修整等過程。在進(jìn)行金剛石車刀的初始安裝時(shí)， 一定要進(jìn) 行研磨系統(tǒng)的擺動(dòng)中心和金剛石車刀的初始中心的對(duì)正工作，這樣才能保證以較小的去除量 實(shí)現(xiàn)較高的刃型精度。
本發(fā)明的方法克服了目前國(guó)際上制造高精度圓弧刃金剛石車刀只能依靠手工操作，并且 加工過程中需多次離線測(cè)量的缺點(diǎn)，通過圖像處理的方法在線獲得切削刃的信息，并利用獲 得的信息對(duì)金剛石切削刃進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾即可完成高精度圓弧刃金剛石車刀 的制造。
實(shí)施例l
通過本發(fā)明方法進(jìn)行已初步成型(粗加工過)的金剛石刀具基于在線圖像處理制備高精 度圓弧刃金剛石車刀(R0.2ram)，具體加工過程如下
(1) 選取刀尖半徑約為0.205mm左右的經(jīng)過粗加工的金剛石車刀，其尖端圓弧刃形狀 已初步形成，如圖2所示，將其安裝在擺動(dòng)工作臺(tái)8上(參見圖l);
(2) 完成圖像采集卡、控制卡等部分的初始化工作，并將刀具切削刃的目標(biāo)輪廓精度 設(shè)置為0. lpm;(3) 啟動(dòng)圖像處理系統(tǒng)，對(duì)刀具前端進(jìn)行圖像測(cè)量，采用前述的圖像處理方法得到切 削刃的輪廓，并采用多邊形近似方法將前端圓弧部分分割出來，得到切削刃的初始(近似) 圓弧中心；
(4) 將刀具毛坯l前端的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定，驅(qū) 動(dòng)擺動(dòng)工作臺(tái)和進(jìn)給工作臺(tái)對(duì)金剛石車刀的圓弧刃進(jìn)行研磨；
(5) 研磨輪的轉(zhuǎn)速設(shè)定為500rpm，擺動(dòng)丁作臺(tái)的初始研磨速度設(shè)定為2°/秒，研磨過 程中控制車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度誤差，自動(dòng)研磨加工40分鐘圓弧刃輪廓度達(dá)到設(shè)定值 0. lpm后程序停止，從而獲得刀尖直徑為0. 2mm、圓弧刃輪廓精度為0. 1,的金剛石車刀。(參 見圖5)
實(shí)施例2
通過本發(fā)明方法對(duì)金剛石車刀毛坯(未加工，多邊形)基于在線圖像處理制備高精度圓弧 刃金剛石車刀(R0.2mm)，具體加工過程如下
(1) 選取刀尖未經(jīng)加工的金剛石車刀毛坯l，其尖端形狀如圖3所示。安裝在擺動(dòng)工 作臺(tái)8上(參見圖1);
(2) 完成圖像采集卡、控制卡等各部分的初始化工作，并將刀具切削刃的目標(biāo)輪廓精 度設(shè)置為0. l，；
(3) 啟動(dòng)圖像處理系統(tǒng)，對(duì)刀具前端進(jìn)行圖像測(cè)量。采用前述的圖像處理方法得到切 削刃的輪廓，并將采集的刀具前端圖像切削刃輪廓線多邊形適當(dāng)縮小后，可將多邊形作為圓 弧分割出來，并得到前端切削刃的初始近似圓弧中心。在本例中縮小5倍后，可得到多邊形 切削刃的近似圓弧中心；
(4 )將刀具毛坯1前端的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定，驅(qū) 動(dòng)擺動(dòng)工作臺(tái)和進(jìn)給工作臺(tái)對(duì)金剛石車刀的圓弧刃進(jìn)行研磨；
(5)由于刀具圓弧刃的輪廓度誤差比較大，為提高加工精度和效率，將加工過程分為粗加工和精加工兩個(gè)階段。首先進(jìn)行金剛石車刀的粗加工。設(shè)定研磨輪的轉(zhuǎn)速為500rpm，粗 加工階段采用研磨進(jìn)給量正比例于輪廓度誤差的方法進(jìn)行，即在不同誤差的位置研磨輪的進(jìn) 給量大小設(shè)定為該誤差值乘以一固定的系數(shù)K，在本次加工中K設(shè)定為0.5。圓弧刃輪廓度誤 差到l)um時(shí)，控制程序自動(dòng)轉(zhuǎn)到精加工階段；
(6 )在精加工階段，研磨輪的轉(zhuǎn)速設(shè)定為500rpm,擺動(dòng)工作臺(tái)的初始研磨速度設(shè)定為 2°/秒，研磨過程中控制車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度誤差，自動(dòng)研磨加工40分鐘圓弧刃輪 廓度達(dá)到設(shè)定值0. lpm后程序停止。從而獲得刀尖直徑為0. 2mm、圓弧刃輪廓精度為0. lpm 的金剛石車刀。
實(shí)施例3
通過本發(fā)明方法對(duì)使用過的破損金剛石車刀(形狀不定)基于在線圖像處理制備高精度圓 弧刃金剛石車刀(R0.5mm)，具體加工過程如下
(1) 選取切削刃發(fā)生破損需修整的金剛石車刀1，其尖端形狀如圖4所示。安裝在擺 動(dòng)工作臺(tái)8上(參見圖1);
(2) 完成圖像采集卡、控制卡等各部分的初始化工作，并將刀具切削刃的目標(biāo)輪廓精 度設(shè)置為0. l網(wǎng)；
(3) 啟動(dòng)圖像處理系統(tǒng)，對(duì)刀具前端進(jìn)行圖像測(cè)量。采用前述的圖像處理方法得到切 削刃的輪廓，和實(shí)施例2類似，并將釆集的刀具前端圖像根據(jù)切削刃輪廓線多邊形適當(dāng)縮小 后，可將多邊形作為圓弧分割出來，并得到前端切削刃的初始近似圓弧中心。在本例中縮小 8倍后，可得到多邊形切削刃的近似圓弧中心及前端近似圓弧刃的范圍(角度)，根據(jù)得到的 角度將前端圖像復(fù)原成原來大小后，重新對(duì)前端切削刃輪廓線進(jìn)行提取，并利用得到的前端 點(diǎn)群數(shù)據(jù)，基于最小二乘法進(jìn)行圓弧模擬。從而更精確得到圓弧刃的初始圓弧中心及輪廓度 誤差；
(4) 將刀具毛坯1前端的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定，驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)工作臺(tái)和進(jìn)給工作臺(tái)對(duì)金剛石車刀的圓弧刃進(jìn)行研磨；
(5) 由于刀具圓弧刃的輪廓度誤差比較大，為提高加工精度和效率，將加工過程分為 粗加工和精加工兩個(gè)階段。首先進(jìn)行金剛石車刀的粗加工。設(shè)定研磨輪的轉(zhuǎn)速為500rpm，粗 加工階段采用研磨進(jìn)給量正比例于輪廓度誤差的方法進(jìn)行，即在不同誤差的位置研磨輪的進(jìn) 給量大小設(shè)定為該誤差值乘以一固定的系數(shù)K，在本次加工中K設(shè)定為0.5。圓弧刃輪廓度誤 差到lpm時(shí)，控制程序自動(dòng)轉(zhuǎn)到精加工階段；
(6) 在精加工階段，研磨輪的轉(zhuǎn)速設(shè)定為500rpm，擺動(dòng)工作臺(tái)的初始研磨速度設(shè)定為 27秒，研磨過程中控制車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度誤差，自動(dòng)研磨加工40分鐘后獲得刀 尖直徑為0. 2mm、圓弧刃輪廓精度為0. lpm的金剛石車刀。
權(quán)利要求
1. 高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先將金剛石車刀固定在可以旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的工作臺(tái)上，并在金剛石車刀上方固定CCD相機(jī)；(2)通過圖像采集卡實(shí)時(shí)將金剛石車刀的圖像以異步方式采集到計(jì)算機(jī)中，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上；(3)基于灰度值變化及重歸構(gòu)筑的過濾方法，以亞像素精度將金剛石車刀前端需加工的圓弧部分及其兩端的棱線部分的輪廓線抽出形成輪廓線點(diǎn)群；(4)通過多邊形近似方法將所述的抽出的輪廓線點(diǎn)群中的前端圓弧部分的點(diǎn)群分割出來，利用前端圓弧部分的點(diǎn)群基于最小二乘法得到車刀切削刃輪廓的初始圓弧中心，然后將切削刃的輪廓圓弧上每一點(diǎn)到初始圓弧中心的距離值與設(shè)定的半徑值比較，從而得到車刀切削刃輪廓的圓弧上每一點(diǎn)的輪廓度誤差；(5)將車刀的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定；(6)根據(jù)從所述的步驟(4)中得到的輪廓度誤差和圓弧上每一點(diǎn)的位置信息，驅(qū)動(dòng)車刀旋轉(zhuǎn)及研磨輪進(jìn)給對(duì)車刀的圓弧刃進(jìn)行加工；(7)重復(fù)所述的步驟(2)～(6)，直至車刀的刃型精度達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，程序自動(dòng)停止，整個(gè)圓弧刃金剛石車刀加工結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法，其特征在于所述的步 驟(6)中對(duì)車刀的圓弧刃加工步驟依次包括粗、精加工階段，在粗加工階段，研磨進(jìn)給 量正比例于輪廓度誤差，在精加工階段，車刀擺動(dòng)速度反比例于輪廓度誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了高精度圓弧刃金剛石車刀制備方法，首先將金剛石車刀固定在可以旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的工作臺(tái)上，并在金剛石車刀上方固定CCD相機(jī)；通過圖像采集卡實(shí)時(shí)將金剛石車刀的圖像采集到計(jì)算機(jī)；將金剛石車刀前端需加工的圓弧部分及其兩端的棱線部分的輪廓線抽出形成輪廓線點(diǎn)群；將所述的抽出的輪廓線點(diǎn)群中的前端圓弧部分的點(diǎn)群分割出來得到車刀切削刃輪廓的初始圓弧中心，從而得到車刀切削刃輪廓的圓弧上每一點(diǎn)的輪廓度誤差；將車刀的初始圓弧中心調(diào)整到和研磨系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心重合后固定；根據(jù)輪廓度誤差和圓弧上每一點(diǎn)的位置信息，驅(qū)動(dòng)車刀旋轉(zhuǎn)及研磨輪進(jìn)給對(duì)車刀的圓弧刃進(jìn)行加工。采用本方法實(shí)現(xiàn)了圓弧刃金剛石車刀穩(wěn)定、高效、高精度加工。
文檔編號(hào)B24B3/00GK101530975SQ20091006857
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者仇中軍, 房豐洲, 趙群章 申請(qǐng)人:天津大學(xué)