基于CCD傳感器的超精密車(chē)床光學(xué)精確對(duì)刀及其應(yīng)用**

宋穎慧 劉有海 張 敏 戴曉靜 陽(yáng) 紅 陳東生

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

超精密加工領(lǐng)域中，零件的尺寸誤差在亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，因此為了減小工件尺寸誤差、提高工件面形精度，精確對(duì)刀和刀尖曲率半徑的精密測(cè)量就十分重要[1-4]。

超精密車(chē)床使用單點(diǎn)金剛石刀具加工超光滑平面、球面的光學(xué)零件時(shí)，如圖1所示，當(dāng)?shù)毒咴诟叨?y)方向沒(méi)有達(dá)到主軸旋轉(zhuǎn)定位中心時(shí)，即Δy>0，工件中心殘留一小段圓柱；當(dāng)?shù)毒咴诟叨?y)方向上超過(guò)定位中心時(shí)，即Δy<0，工件中心殘留小圓錐；當(dāng)?shù)毒咴谒椒较?x)上沒(méi)有達(dá)到主軸旋轉(zhuǎn)定位中心時(shí)，即Δx>0，此時(shí)實(shí)際的切削量小于理想的切削量，導(dǎo)致工件欠切；當(dāng)?shù)毒咴谒椒较?x)上超過(guò)主軸旋轉(zhuǎn)定位中心時(shí)，即Δx<0，此時(shí)實(shí)際的切削量大于理想的切削量，導(dǎo)致工件過(guò)切。此外刀具本身的刀尖曲率半徑的測(cè)量誤差ΔR(測(cè)量得到的刀具半徑-實(shí)際的刀具半徑)也會(huì)直接影響工件的面形精度和尺寸精度，若測(cè)量誤差ΔR>0，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工件加工半徑偏大；若測(cè)量誤差ΔR<0，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工件加工半徑偏小。

傳統(tǒng)的對(duì)刀大多采用試切法，即對(duì)每一把刀具都進(jìn)行試切、工件尺寸測(cè)量、計(jì)算、輸入補(bǔ)償值等操作。不僅對(duì)操作人員技術(shù)水平要求高，而且每次更換刀具后還要反復(fù)上述操作，人為帶來(lái)的隨機(jī)性誤差大、安全性差、占用機(jī)時(shí)較多，不利于發(fā)揮超精密車(chē)床的功能[5-8]。而且目前國(guó)內(nèi)的對(duì)刀裝置大都采用帶傳感器的半自動(dòng)對(duì)刀裝置，其存在誤差大、對(duì)刀精度不高及操作復(fù)雜等技術(shù)缺陷。

文獻(xiàn)[2]中指出LVDT對(duì)刀裝置在水平方向和刀尖半徑R的測(cè)量誤差一般在0.02 mm以上，難以滿(mǎn)足超精密加工工件面形精度和尺寸精度的技術(shù)要求，提出的采用加工小直徑球面對(duì)刀件精準(zhǔn)對(duì)刀方法能夠達(dá)到較好的加工效果，但是需要通過(guò)多次切削和面形測(cè)量才能確定實(shí)際刀尖半徑的補(bǔ)償值，過(guò)程繁瑣、效率較低。

為了減少對(duì)刀誤差對(duì)加工精度的影響，保證超精密車(chē)床高效、高精度的發(fā)揮效能，設(shè)計(jì)一種對(duì)刀精度高、操作簡(jiǎn)單的快速對(duì)刀裝置有著極其重要的工程實(shí)用性。

1 對(duì)刀裝置設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)了一種基于CCD傳感器的光學(xué)對(duì)刀裝置，并輔以機(jī)械式LVDT對(duì)刀裝置進(jìn)行粗對(duì)中心高，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)刀裝置的快速對(duì)焦，并通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)刀尖在水平面(XZ平面)內(nèi)的精確定位，以及刀尖圓弧半徑的精確測(cè)量。

1.1 機(jī)械式LVDT對(duì)刀裝置

機(jī)械式對(duì)刀裝置由定位V型塊、高度限位塊以及測(cè)量傳感器組成，如圖2所示。

定位V型塊和高度限位塊固定在主軸上，測(cè)量時(shí)該組件的活動(dòng)部分直接懸掛在定位V型塊和高度限位塊上，定位V型塊決定該組件的中心位置，高度限位塊決定該組件的高度。采用V型塊+平面的定位方式實(shí)現(xiàn)高精度重復(fù)定位，利用LVDT位移傳感器實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)位移測(cè)量，LVDT傳感器接觸力<0.5 N，刀具中心高調(diào)整范圍為±5 mm。

1.2 光學(xué)對(duì)刀裝置

光學(xué)對(duì)刀裝置由標(biāo)準(zhǔn)的3R基準(zhǔn)夾具、高精度光學(xué)鏡頭以及相應(yīng)的基座組成。裝置如圖3所示。

利用3R基準(zhǔn)夾具成熟的高精度重復(fù)定位技術(shù)，以減小因重復(fù)定位誤差帶來(lái)的對(duì)刀誤差。光學(xué)鏡頭部分采用高低倍復(fù)合光路顯微鏡，前端同軸照明方式。其中，高倍鏡視場(chǎng)范圍為0.5 mm×0.5 mm，放大倍數(shù)為20倍。

2 精確對(duì)刀實(shí)現(xiàn)

在工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了達(dá)到光學(xué)對(duì)刀裝置的高精度要求，對(duì)光學(xué)對(duì)刀系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定尤為重要，直接決定了系統(tǒng)對(duì)刀質(zhì)量[9-12]。

本文中對(duì)刀系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定主要包括兩個(gè)方面，首先通過(guò)對(duì)基于CCD傳感器的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得到圖像尺寸和物體實(shí)際尺寸之間轉(zhuǎn)換的標(biāo)定系數(shù)k，k=Ld/Lp，其中Ld為實(shí)物上兩點(diǎn)實(shí)際距離，Lp為圖像之中兩點(diǎn)間像素點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)將以像素為單位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間中以毫米為單位的尺寸，為刀具圖像的測(cè)量處理奠定基礎(chǔ)。

然后通過(guò)安裝校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定基于CCD傳感器的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)與機(jī)床坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置關(guān)系，最終通過(guò)坐標(biāo)變換得到刀具的最終對(duì)心坐標(biāo)。

2.1 光學(xué)對(duì)刀裝置參數(shù)標(biāo)定

采用顯微鏡頭對(duì)機(jī)床光柵進(jìn)行觀(guān)測(cè)成像，如圖4a所示。由于光柵周期已知為20 μm，計(jì)算出CCD上一個(gè)周期的像素?cái)?shù)即可得到像素等效當(dāng)量。

為使得周期計(jì)算更加準(zhǔn)確，對(duì)圖4a截面進(jìn)行頻譜分析，找到主要基頻成分為18 Hz，如圖4b所示，即得到周期。采用本文設(shè)計(jì)的光學(xué)對(duì)刀裝置，通過(guò)此方法計(jì)算得到的標(biāo)定系數(shù)為k=0.000 175 8 mm/pixel，其中pixel為像素點(diǎn)。

完成相機(jī)像素分辨率參數(shù)標(biāo)定后，采用CCD相機(jī)提取刀尖圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理方法去除圖像噪聲,進(jìn)行刀尖圖像自動(dòng)閾值分割、刀頭邊緣定位與亞像素提取及圖像參數(shù)信息分析，得到被測(cè)刀具的參數(shù)。

圖5中，所測(cè)量刀具標(biāo)定的圓弧半徑為0.5 mm，通過(guò)對(duì)刀系統(tǒng)測(cè)量刀具實(shí)際的圓弧半徑為0.469 3 mm，從圖5b中可以看出刀具右下部存在微小的磨損情況，因此邊界提取結(jié)果與圓弧擬合結(jié)果存在小的偏差。

對(duì)兩把新刀具進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，從圖6中可以看出，刀具邊界提取結(jié)果與圓弧擬合結(jié)果基本一致，保證了測(cè)量精度。標(biāo)定的刀具圓弧半徑分別為0.279 mm、1.038 mm，對(duì)刀系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果為0.283 mm和1.035 mm，并且對(duì)刀具進(jìn)行多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)量誤差小于1 μm，進(jìn)一步驗(yàn)證了參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

2.2 光學(xué)對(duì)刀裝置安裝校準(zhǔn)

光學(xué)對(duì)刀裝置應(yīng)用于自研三軸超精密金剛石車(chē)床SGDT350進(jìn)行測(cè)試，光學(xué)對(duì)刀裝置安裝于主軸上側(cè)，通過(guò)對(duì)3R基準(zhǔn)夾具的基座調(diào)平保證光學(xué)對(duì)刀裝置安裝后的垂直度，從而保證對(duì)刀圖像的采集質(zhì)量，如圖7所示。

由圖7機(jī)床布局可知，刀具安裝于Z軸上，刀具固定好后，在XOZ平面內(nèi)刀尖位置的X軸方向坐標(biāo)固定不變，對(duì)刀過(guò)程即確定該坐標(biāo)xMCS-OK。光學(xué)對(duì)刀裝置安裝好，選定鏡頭坐標(biāo)系零點(diǎn)后，其與主軸定位中心相對(duì)位置會(huì)保持不變，考慮到安裝誤差，在X軸方向存在固定的偏置量Δx。

由于光學(xué)對(duì)刀裝置跟隨X軸運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)X軸將刀具納入對(duì)刀裝置視場(chǎng)內(nèi)，此時(shí)X軸當(dāng)前測(cè)量坐標(biāo)定義為xMCS-NOW，與之相對(duì)應(yīng)的刀具中心點(diǎn)在鏡頭坐標(biāo)系中X軸方向的分量為xOPT，如圖8所示。

即可根據(jù)下述表達(dá)式確定對(duì)刀中心點(diǎn)X方向坐標(biāo)。

xMCS-OK=xMCS-NOW+xOPT+Δx

(1)

從上述變換過(guò)程中可知，xMCS-OK在刀具安裝好后及固定不變。而且多次變換刀具在鏡頭視場(chǎng)中的位置后，所測(cè)得的xMCS-NOW、xOPT值隨之變化，根據(jù)式(1)坐標(biāo)變換，多次測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足：

xMCS-OK=xMCS-NOW1+xOPT1+Δx

=xMCS-NOW2+xOPT2+Δx

=…

=xMCS-NOWn+xOPTn+Δx

(2)

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先采用試切小直徑圓柱平面件法，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次切削加工、測(cè)量、標(biāo)定試驗(yàn)，記錄平面中心點(diǎn)無(wú)凸臺(tái)時(shí)的X軸坐標(biāo)，確定為對(duì)刀的xMCS-OK坐標(biāo)值。然后根據(jù)公式(2)進(jìn)行多次對(duì)刀系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，見(jiàn)表1，得到偏置補(bǔ)償值Δx=0.666 9 mm，重復(fù)精度達(dá)到1 μm。

表1 偏置補(bǔ)償值Δx

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)完成后，刀具X軸方向安裝位置變化后，再進(jìn)行對(duì)刀時(shí)，只需通過(guò)對(duì)刀裝置測(cè)得刀具的xOPT值，同時(shí)記錄當(dāng)前的xMCS-NOW值，通過(guò)式(1)即可得到刀具的對(duì)刀點(diǎn)坐標(biāo)xMCS-OK，大幅提高對(duì)刀速度的同時(shí)，保證了對(duì)刀精度。

2.3 粗精結(jié)合快速精確對(duì)刀流程

對(duì)刀過(guò)程分為粗對(duì)刀和精確對(duì)刀兩步。粗對(duì)刀是利用機(jī)械式LVDT對(duì)刀裝置進(jìn)行測(cè)試。精確對(duì)刀采用基于CCD傳感器的光學(xué)對(duì)刀裝置進(jìn)行測(cè)試，分別如圖9a、b所示。

首先粗定位刀具的中心高度，將LVDT傳感器測(cè)頭置于刀尖上方并與之相接觸，通過(guò)刀架上的差動(dòng)螺紋進(jìn)給調(diào)節(jié)刀尖高度，差動(dòng)螺紋旋轉(zhuǎn)一周的移動(dòng)量為0.5 mm，微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的進(jìn)給，當(dāng)調(diào)節(jié)到達(dá)傳感器的零位時(shí)(即LVDT對(duì)刀界面Axis Y Align值為0，如圖10所示)，刀具高度Y方向粗對(duì)刀結(jié)束。

中心高粗對(duì)刀結(jié)束后，切換為光學(xué)對(duì)刀裝置，將刀具移動(dòng)到鏡頭視場(chǎng)內(nèi)，此時(shí)刀具基本處于焦距范圍，只需要經(jīng)過(guò)微調(diào)，即可實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)焦，得到清晰的刀具圖像。

采用CCD傳感器提取到清晰的刀尖圖像后，經(jīng)過(guò)圖像處理方法去除圖像噪聲，進(jìn)行刀尖圖像自動(dòng)閾值分割、刀頭邊緣定位與亞像素提取及圖像參數(shù)信息分析。最終通過(guò)高精度光學(xué)對(duì)刀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換計(jì)算，得到刀具在XOZ平面的對(duì)心坐標(biāo)xMCS-OK、刀尖圓弧半徑R以及包角值，完成對(duì)刀步驟，如圖11所示。

3 光學(xué)對(duì)刀的超精密加工應(yīng)用

采用自研三軸超精密金剛石車(chē)床SGDT350進(jìn)行對(duì)刀及切削實(shí)驗(yàn)，配備一套機(jī)械式LVDT對(duì)刀裝置，一套光學(xué)對(duì)刀裝置。SGDT350機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 自研三軸超精密金剛石車(chē)床SGDT350

首先進(jìn)行刀具中心高定位，為了驗(yàn)證光學(xué)對(duì)刀中心高定位的準(zhǔn)確性，分別采用手動(dòng)對(duì)刀、機(jī)械式LVDT對(duì)刀、光學(xué)對(duì)刀開(kāi)展切削試驗(yàn)，從圖12中可以看出采用手動(dòng)對(duì)刀中心點(diǎn)存在半徑約10.28 μm的凸臺(tái)，采用機(jī)械式LVDT對(duì)刀時(shí)凸臺(tái)減小，采用光學(xué)對(duì)刀后中間無(wú)凸臺(tái)，說(shuō)明采用光學(xué)對(duì)刀裝置后能夠準(zhǔn)確地定位刀具中心高。

通過(guò)粗精結(jié)合測(cè)量，調(diào)整刀具中心高后，根據(jù)對(duì)刀步驟2，采用CCD傳感器提取到清晰的刀尖圖像，通過(guò)高精度光學(xué)對(duì)刀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換計(jì)算，得到刀具在XOZ平面的對(duì)心坐標(biāo) 、刀尖圓弧半徑R。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展直徑為75 mm、頂部球徑為R=250 mm的凸球面純鋁工件加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖13所示

采用該光學(xué)對(duì)刀裝置不僅快速測(cè)得了所需的對(duì)刀參數(shù)，同時(shí)加工工件的面形精度達(dá)到0.24μm，如圖14所示。進(jìn)一步證明了該對(duì)刀裝置的精度以及該方法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出采用粗精結(jié)合的對(duì)刀方法，提高超精密切削加工過(guò)程中的對(duì)刀精度和效率，設(shè)計(jì)了基于CCD傳感器的光學(xué)對(duì)刀裝置，通過(guò)標(biāo)定、校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)刀精度達(dá)到1 μm，能夠有效控制對(duì)刀誤差。實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該光學(xué)對(duì)刀裝置加工的凸球面面形精度達(dá)到0.24 μm，進(jìn)一步證明了該方法的有效性。