陶志建，張 偉

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，大連 116340）

0 引言

刀具的刃口鈍化技術(shù)可以有效的解決刃磨后的刃口微觀缺陷，使其鋒值減少或消除，從而使刃口達(dá)到圓滑、平整，既鋒利堅(jiān)固又耐用的目的。經(jīng)鈍化后的刀具同時(shí)能有效提高刀具壽命和切削過(guò)程的穩(wěn)定性。目前國(guó)外的刀具產(chǎn)品都是經(jīng)過(guò)良好的鈍化處理，故其性能較佳。因此國(guó)內(nèi)刀具制造企業(yè)要使刀具產(chǎn)品具有很好的切削性能，就應(yīng)該對(duì)刀具產(chǎn)品進(jìn)行合理的鈍化，并加強(qiáng)對(duì)刀刃鈍化參數(shù)的精密檢測(cè)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，像麻花鉆這樣的螺旋刃口的測(cè)量是比較復(fù)雜的有條件的工廠企業(yè)可以利用“三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)”來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但是由于“三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)”的價(jià)格昂貴，維護(hù)復(fù)雜，很多企業(yè)沒(méi)有這類設(shè)備。而一般情況下，對(duì)于強(qiáng)化后刀刃的外形的檢測(cè)，工廠企業(yè)應(yīng)用比較廣泛的儀器是“萬(wàn)能工具顯微鏡”，該儀器價(jià)格低廉,能解決麻花鉆螺旋刃口的測(cè)量[3]。但是這樣測(cè)量讀數(shù)過(guò)程繁瑣、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。

所以研究設(shè)計(jì)一種可以方便準(zhǔn)確檢測(cè)刃口參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)是十分有必要的。本論文利用輪廓放大測(cè)量方法[1]，對(duì)刀具刃口部位進(jìn)行測(cè)量的一種檢測(cè)系統(tǒng)，是對(duì)刀具鈍化檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究。

1 常用的鈍化形式

麻花鉆的鈍化形式包括銳刃、倒棱刃、消振棱刃、白刃、倒圓刃等。根據(jù)麻花鉆刃口鈍化形式的多樣化，可以根據(jù)不同的刃口鈍化形式選擇適合的測(cè)量。下面就該系統(tǒng)對(duì)倒棱刃的測(cè)量進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述，其他對(duì)前刀面進(jìn)行處理的刃口形式與之相同。

倒棱刃是在刃口附近的前刀面上，刃磨出很窄的負(fù)前角棱邊。大連吉瑞精密鉆頭有限公司對(duì)大連柴油機(jī)廠改進(jìn)的一種內(nèi)冷鉆頭，就是采用了這種倒棱刃處理，取得比較理想的效果，鉆頭的使用壽命提高將近25%。下圖是做倒棱刃處理以后的刃口部分放大150倍后的圖片：

圖1 刃口部分放大150倍

對(duì)于這種倒棱刃鈍化方式的測(cè)量一般需要控制的幾何參數(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是刃口處理負(fù)倒棱的角度?，另一個(gè)是寬度W。而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，只要將前刀面掃描完整得出輪廓數(shù)據(jù)擬合出合理的輪廓線，就可以方便的得到這兩個(gè)參數(shù)。鉆頭鈍化角度幾何參數(shù)的示意圖如下：

圖2 鉆頭鈍化角度幾何參數(shù)的示意圖

用于檢測(cè)工件表面的方法很多，從數(shù)據(jù)的可靠性和安裝定位的簡(jiǎn)易性來(lái)看，觸針?lè)ㄊ亲钸m用的[2]，目前觸針?lè)ù蠖嘤糜诒砻娲植诙葴y(cè)量。國(guó)內(nèi)外也有不少有關(guān)的文獻(xiàn)資料介紹觸針?lè)▽?duì)表面粗糙度的測(cè)量。但這些文章著重于對(duì)表面粗糙度評(píng)定參數(shù)的分析,而還沒(méi)有刀具刃口測(cè)量的文獻(xiàn)。本文主要針對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)重要部分進(jìn)行闡述。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

本系統(tǒng)是由軟件控制進(jìn)行采集檢測(cè)信號(hào)的。數(shù)據(jù)采集卡采用較高性能價(jià)格比的PCL-813b。該卡具有A/D 、D/A、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)等功能。查詢、中斷等采集方式?？筛鶕?jù)實(shí)際需要分別進(jìn)行采用?？傮w上可分為數(shù)據(jù)采集處理和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。下面分別介紹各部分的構(gòu)成及系統(tǒng)的測(cè)量原理。數(shù)據(jù)采集與處理部分是由電感傳感器、信號(hào)處理放大電路板、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

該測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由刀具夾具裝置、回轉(zhuǎn)臺(tái)、xy工作臺(tái)、傳感器部分等等。測(cè)量示意圖如下：

測(cè)量原理：將被測(cè)鉆頭固定于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整使鉆頭的刃口垂直于觸針運(yùn)動(dòng)方向，將觸針置于刃口上合適的位置。在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，觸針以固定的速度沿著刃口垂直方向運(yùn)動(dòng)，從而使觸針對(duì)刃口表面進(jìn)行掃描。刃口表面的輪廓使測(cè)針產(chǎn)生微小的位移量，電感傳感器將測(cè)針的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)被送至信號(hào)處理電路經(jīng)過(guò)調(diào)制、放大、濾波等處理就獲得能夠反映刃口表面輪廓的數(shù)字信號(hào)，然后由軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出輪廓線。

在測(cè)量過(guò)程中，x方向的位移傳感器等間距地發(fā)出位移信號(hào), 同時(shí)對(duì)y向電感傳感器傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。對(duì)于實(shí)際輪廓上的任一被測(cè)點(diǎn), 每一個(gè)xi均有y向位移傳感器的讀數(shù)yi與之相對(duì)應(yīng)。假設(shè)一個(gè)輪廓上測(cè)量n點(diǎn), 那么這些點(diǎn)的集合0代表實(shí)際輪廓。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 評(píng)定參數(shù)的定義

為了滿足對(duì)表面不同的功能要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的表面輪廓高度特征參數(shù)、間距特征參數(shù)和形狀特征參數(shù)。高度特征參數(shù)有輪廓算術(shù)平均偏差Ra，輪廓均方根偏差Rq，輪廓最大高度Ry等。其數(shù)學(xué)定義為1：

式中：Y (x) —x處的輪廓曲線的縱坐標(biāo)；Yi —第i個(gè)輪廓曲線的縱坐標(biāo)；Ypi、Yvi —最大輪廓峰和最小輪廓谷；l —取樣長(zhǎng)度；n —取樣長(zhǎng)度內(nèi)所測(cè)點(diǎn)的數(shù)目。

對(duì)表面輪廓參數(shù)的評(píng)定可以使用labview軟件中的的概率與統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)比較運(yùn)算等功能模塊。

4 模擬信號(hào)的輸入

模擬電壓信號(hào)由傳感器輸出，經(jīng)過(guò)單路放大電路，傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，最終進(jìn)入計(jì)算機(jī)中。PCL813b數(shù)據(jù)采集卡是臺(tái)灣研華公司推出的一款工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)采集卡，是一款32錄的單端帶隔離的模擬量輸入卡，用于模擬信號(hào)的采集和處理及各類控制信號(hào)的輸出。

大多數(shù)的外設(shè)和接口卡都是通過(guò)計(jì)算機(jī)的I/O口來(lái)控制的，他們各自都有一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間來(lái)避免地址沖突，PCL-813b使用了16個(gè)連續(xù)的地址空間，地址的選擇可通過(guò)面板上的6位DIP開關(guān)設(shè)置來(lái)設(shè)定。PCL-813b的有效地址范圍是000到3F0。根據(jù)系統(tǒng)的資源占用情況，給PCL-813b分配正確的地址。

在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，模擬量輸入基本上都是電壓信號(hào)輸入。為了達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量并防止損壞應(yīng)用系統(tǒng)，正確的信號(hào)連接是非常重要的。當(dāng)測(cè)量一個(gè)電壓信號(hào)時(shí)，將信號(hào)一端接入到一個(gè)輸入端子上，信號(hào)源另一端接到地端子上（五個(gè)模擬地中的任何一個(gè)）。

5 刃口輪廓曲線的顯示

輪廓曲線顯示部分采用labview8.5進(jìn)行編程，Labview豐富的控件為虛擬儀器提供了極大的方便，在函數(shù)庫(kù)和控件庫(kù)里選取所需的功能模塊，為他們?cè)O(shè)置合適的屬性。

程序圖中目前主要包含采集設(shè)置，數(shù)據(jù)采集及處理兩個(gè)大部分，采集設(shè)置包括設(shè)備通道和放大倍數(shù)的選擇；數(shù)據(jù)處理采用最大、最小函數(shù)得出參數(shù)Ry，由均方差函數(shù)得出Ra。

由于輪廓數(shù)據(jù)曲線可視為是隨機(jī)信號(hào)，所以測(cè)量所得的輪廓數(shù)據(jù)包含著觸針在刃口表面測(cè)量行程上有可能獲得的所有數(shù)據(jù)信息。對(duì)數(shù)據(jù)的處理可以使用labview軟件中的的信號(hào)測(cè)量與處理功能模塊。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，以PCL-813B為硬件平臺(tái)，用labview8.5進(jìn)行軟件開發(fā)，采集速度可達(dá)100KS/s。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，經(jīng)過(guò)對(duì)刃口輪廓的實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、方便使用，并且能夠滿足刃口鈍化參數(shù)的基本檢測(cè)要求。

2）系統(tǒng)對(duì)鈍化尺寸的掌握有很大的幫助，能夠方便準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)在刃口鈍化參數(shù)上的檢測(cè)，促進(jìn)鈍化尺寸控制的進(jìn)一步研究，使刀具鈍化技術(shù)提高一個(gè)新水平。

[1] 楊振祥.硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片刃口鈍化方法及刃口圓弧半徑的測(cè)量[J].工具技術(shù), 1990(10).

[2] 劉亞龍, 周亮, 姚奇.二維表面輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械工程師, 2009(3):107-110.

[3] 張慧君,過(guò)馨葆.螺旋線刃口的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理[J].上海計(jì)量測(cè)試, 2001(2): 20.

[4] 唐文彥, 張軍,李慧鵬.觸針?lè)y(cè)量表面粗糙度的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].機(jī)械工藝師, 2000(11): 40-42

[5] 高天國(guó).便攜式表面粗糙度輪廓儀傳感器及測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù), 2009(5): 117-120.

[6] 祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[7] 車仁生.微型機(jī)原理及其在精密儀器中的應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1987.

[8] 張軍峰, 王燕燕.基于PCL-816和LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2007(7): 64-66.