徐曉龍，王萬新

（德州學院 機電工程學院，山東 德州 253023）

0 引言

車削加工是機械加工中的重要加工方式，面對不同的加工任務，所使用車刀的性能也有所不同。車刀的切削性能除與刀具材料有關外，還取決于車刀的幾何形狀精度，即車刀的標注角度大小。由于受測量儀器、測量方法和人為因素等影響，工程人員很難精準地測出刀具的幾何角度，為此我們設計了一種數(shù)字式車刀角度測量儀,將刀具的切削角度通過數(shù)字形式顯示出來，實現(xiàn)方便、快捷、直觀、精準的測量。

1 傳統(tǒng)車刀角度測量方案分析

刀具的幾何角度是由靜止參考系中定義的一組角度來表示的，這組角度稱為標注角度，用于刀具的設計、制造、刃磨和測量。傳統(tǒng)的測量方法一是采用游標萬能角度尺，二是采用專用車刀量角臺。前者測量麻煩，尺身定位困難；后者由于測量臺制作精度及讀數(shù)方法等問題，也存在操作不方便、讀數(shù)精度低等缺陷，所以我們對現(xiàn)有車刀量角臺做了改進。

1.1 車刀幾何角度的構成分析

在車刀的幾何角度中，對加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和刀具壽命影響較大的主要有5 個基本角度，即主偏角kr和副偏角kr′、前角γ0和后角α0、刃傾角λs。其中主偏角kr是指主切削刃在基面內(nèi)與進給運動方向之間的夾角，副偏角kr′是指副切削刃在基面內(nèi)與進給運動反方向之間的夾角，前角γ0是指在正交平面內(nèi)刀具前面與基面之間的夾角，后角α0是指在正交平面內(nèi)刀具主后面與切削平面之間的夾角，刃傾角λs是指在切削平面內(nèi)切削刃與基面之間的夾角。圖1 是某車刀刀具角度標注圖［1］。

圖1 刀具靜止角度的標注

根據(jù)車刀角度的定義，車刀的主、副偏角是在基面內(nèi)測量，前角和后角是在正交平面內(nèi)測量，刃傾角在切削平面內(nèi)測量。因此，為了便于理解刀具角度的定義和方便操作，多功能車刀幾何角度測量儀應能直觀地體現(xiàn)各種角度與測量平面之間的位置關系。

1.2 原車刀角度測量臺結構及測量方案分析

原車刀角度測量臺由底座、工作臺、螺柱、升降螺母、刻度盤、指針、鎖緊螺釘?shù)冉M成（如圖2）。在測量刀具主、副偏角時，刀具側面要貼緊動滑板定位側面，隨著工作臺轉動，使主（副）切削刃貼合代表切削平面的大刻度盤（如圖3 所示），在底座刻度盤上讀取主（副）偏角。這與圖1角度標注時刀具位置狀態(tài)有較大區(qū)別，不能直觀體現(xiàn)刀具角度定義，更不便于工程技術人員理解和掌握參考坐標系的基面、切削平面和正交平面的位置關系。

圖2 原有多功能角度測量儀結構

圖3 刀具主、副偏角測量方法

測刀具前、后角時，要從測量主偏角的位置起，使工作臺逆時針轉動90°（相當于到達正交平面），使主切削刃在基面上的投影恰好垂直于大指針的前面，然后，調(diào)整大刻度盤的高度和大指針的轉角，使指針下端刀口與車刀主切削刃選定點處前刀面貼合，這時，即可在大刻度盤上讀出車刀主切削刃的前角值；再次調(diào)整大刻度盤的高度和大指針的轉角，使大指針側面在車刀主切削刃選定點處與后刀面貼合，可在大刻度盤上讀出車刀主切削刃的后角值。前、后角測量過程中，由于需要反復旋轉工作臺，調(diào)整大刻度盤的高度，所以，車刀前后角測量精度低、操作較麻煩。

2 改進后車刀角度測量方案分析

為了能夠更加直觀地體現(xiàn)刀具測量平面，使工程技術人員更容易理解刀具的標注角度，我們在原設計的基礎上參照同類產(chǎn)品并改進設計［2－3］（如圖4）：1）去掉轉動工作臺，動滑臺在固定底座可左右移動，體現(xiàn)刀具縱向進給運動；2）車刀在動滑臺上靠底面和側面定位，能夠前后移動，體現(xiàn)刀具的橫向進給；3）體現(xiàn)切削平面的大刻度盤由過去的固定式改為可繞立柱軸線旋轉，在測量刀具主、副偏角時依據(jù)主(副)切削刃確定位置（如圖5），與角度標注圖一致，容易操作和理解；4）測量刀具前、后角時，只需在測量完刀具主偏角后，調(diào)整升降裝置，使刀具切削刃選定點移至前后角測量指針的下方，使指針的測量面貼合刀具前后面即可，簡化刀具前后角測量時調(diào)整動作，使操作更方便；5）為提高測量數(shù)據(jù)精確程度，避免人為讀數(shù)誤差，在各轉動部位添加角度傳感器，構建數(shù)字式測量系統(tǒng)，通過顯示模塊直接顯示刀具測量角度。同時保留指針指示刻度，也可人工讀數(shù)。

圖4 新設計多功能車刀角度測量儀結構

圖5 改進后刀具主（副）偏角測量

3 車刀角度測量儀的數(shù)字顯示方案分析

角度測量儀的數(shù)字測量部分由硬件和控制軟件兩部分組成，其中硬件（如圖6）包括信號采集模塊、模數(shù)轉換模塊、程序控制模 塊、LED 顯 示模塊等［4］。信號采集模塊采用3 個WDD35D4 角度傳感器，分別對應主（副）偏角、刃傾角和前（后）角測量信號。WDD35D4為精密導電塑料環(huán)形電位器［5］，轉角測量精度可達0.1%。模數(shù)轉換模塊采集角度傳感器輸出信號，通過A/D 轉換，計算顯示角度大小。液晶顯示采用5110 液晶顯示屏，內(nèi)置漢字字庫，除顯示測量角度數(shù)值外，還可顯示被測角度名稱。程序控制模塊采用STC12C5A60S2 單片機，該單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，精度高，適合用于高精度數(shù)據(jù)采集［5］。

圖6 硬件系統(tǒng)結構框圖

4 結語

我們根據(jù)刀具標注角度定義，確定了數(shù)顯式車刀角度測量儀的結構方案，與原有測量儀相比，具有如下特點：1）參考坐標系的基面、切削平面和正交平面在結構中更加直觀；2）刀具幾何角度測量方法思路清晰，調(diào)節(jié)及鎖緊方便；3）測量角度直接數(shù)字顯示，避免了人員讀數(shù)誤差，提高了測量精度。

該測量臺經(jīng)過使用證明性能穩(wěn)定、反應速度快、輸出精度高，具有廣泛的市場前景。

［1］盧秉恒.機械制造技術基礎［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010（2）：14-17.

［2］韓永杰，佟永祥.多功能車刀幾何角度測量儀的研制［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2011（1）：47-50.

［3］裘江平.基于圖像處理的刀具角度測量系統(tǒng)［J］.機電工程，2010（6）：32-39.

［4］劉雨剛，范大鳴.基于單片機的智能型電阻分選儀的設計［J］.遼寧工程技術大學學報，2006（5）：731-733.

［5］李真，張玉兵，韓晶晶.基于自由擺的平板控制系統(tǒng)［J］.傳感器世界，2012（1）：13-16.