(長(zhǎng)春理工大學(xué)跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

在微細(xì)銑削加工過(guò)程中，微細(xì)銑刀的直徑及刀長(zhǎng)直接影響所要加工工件的結(jié)構(gòu)尺寸，因此為保證所加工工件結(jié)構(gòu)的尺寸精度，需要得到所使用的刀具直徑及刀長(zhǎng)的準(zhǔn)確值，以便在編制加工程序時(shí)對(duì)刀路軌跡進(jìn)行調(diào)整。

高精度對(duì)刀一直是精密微加工領(lǐng)域的重要研究問(wèn)題，尤其隨著微小刀具制備尺寸的日益減小，其對(duì)刀的尺度范圍和精度要求也面臨新的挑戰(zhàn)。相關(guān)對(duì)刀方法主要可以歸納為接觸式和非接觸式兩種。

在接觸式對(duì)刀方法的研究上，葉坤煌[1]研制了一款帶表式簡(jiǎn)易對(duì)刀儀，該儀器利用測(cè)量砧板來(lái)承載刀具的微小作用力，然后通過(guò)傳動(dòng)桿將該力產(chǎn)生的微小位移傳遞到百分表的測(cè)量杠桿。通過(guò)記錄每把刀具的Z坐標(biāo)值，并將其與標(biāo)準(zhǔn)刀具Z值的差作為其長(zhǎng)度補(bǔ)償值；韋江波[2–3]研制了一種機(jī)械刻度式對(duì)刀儀，通過(guò)刀具與測(cè)量柱接觸后產(chǎn)生的力，促使內(nèi)刻度線與外刻度盤(pán)的0刻度線位置重合，從而獲取對(duì)刀的高度；韓加好等[4]設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易光電式對(duì)刀儀，該對(duì)刀儀在利用高精度傳感器從對(duì)刀凸臺(tái)等機(jī)械傳動(dòng)部分獲取刀具的刀位信息，并將該信號(hào)傳輸至數(shù)控系統(tǒng)中，最后處理此信號(hào)獲得刀具的Z坐標(biāo)值。近些年，接觸式對(duì)刀儀的發(fā)展已趨于產(chǎn)品化。國(guó)內(nèi)外知名對(duì)刀儀品牌有英國(guó)雷尼紹TS27R對(duì)刀儀和德國(guó)波龍Z–NANO對(duì)刀儀等。各種接觸式對(duì)刀儀操作簡(jiǎn)單，但對(duì)于直徑0.5mm以下的微小刀具，對(duì)刀精度較低且容易損壞刀具。

在非接觸式對(duì)刀方法的研究上，國(guó)外幾家公司有著先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)波龍科技有限公司研制的Blum對(duì)刀儀利用刀具進(jìn)入并緩慢離開(kāi)激光光束范圍后，對(duì)激光發(fā)射器端與接收端的信號(hào)進(jìn)行處理，從而完成刀具參數(shù)的測(cè)量，其重復(fù)測(cè)量精度可達(dá)1μm，但是刀具的直徑測(cè)量范圍還是存在限制。長(zhǎng)春理工大學(xué)的Shi等[5]提出了一種金剛石刻刀的激光衍射對(duì)刀方法，所搭建的對(duì)刀樣機(jī)的檢測(cè)精度可達(dá)0.562μm，然而，這種衍射式對(duì)刀方法目前還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。意大利M.CONTI（康迪）公司研制的Leader系列對(duì)刀儀能實(shí)現(xiàn)待測(cè)部位的自動(dòng)聚焦，以及刀具圖像的自動(dòng)捕捉、存儲(chǔ)，確定刀尖在測(cè)量坐標(biāo)系中的位置，最大測(cè)量直徑320/520mm，重復(fù)測(cè)量精度達(dá)1μm，但是高精度的預(yù)調(diào)儀依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，且偏向于較大直徑刀具的測(cè)量。

同軸全息因相干性要求低、記錄光路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于物體形貌、粒子場(chǎng)、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的檢測(cè)[6–8]?；趯?duì)數(shù)字全息成像技術(shù)的研究，本文將全息成像技術(shù)應(yīng)用于微徑銑刀的在線對(duì)刀檢測(cè)，提出一種基于同軸全息的微徑銑刀對(duì)刀方法，探索用于微加工系統(tǒng)的高精度在位對(duì)刀檢測(cè)。

數(shù)字同軸全息對(duì)刀原理

1 測(cè)量坐標(biāo)系確定

圖1 同軸全息刀具長(zhǎng)度測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of tool length measurement using coaxial holographic

數(shù)控機(jī)床按照數(shù)控加工程序自動(dòng)執(zhí)行加工任務(wù)，故在運(yùn)行程序之前，必須要進(jìn)行對(duì)刀操作，其關(guān)鍵是使對(duì)刀點(diǎn)與刀位點(diǎn)重合。其中對(duì)刀點(diǎn)一般設(shè)置在工件或機(jī)床上面，其位置可以通過(guò)高精度探針等輔助儀器來(lái)確定，而刀位點(diǎn)的X向和Y向位置與對(duì)刀點(diǎn)坐標(biāo)相同。本文所提出的對(duì)刀技術(shù)實(shí)際是通過(guò)全息成像的方式，間接測(cè)得刀位點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的Z向位置。

圖1是同軸全息刀具長(zhǎng)度測(cè)量示意圖。機(jī)床主軸與刀柄接觸端面在機(jī)床坐標(biāo)系的位置已知，在圖像傳感器CMOS中指定一基準(zhǔn)位置，該基準(zhǔn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置為Z2，機(jī)床主軸與刀柄接觸端面在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置為Z1，設(shè)刀長(zhǎng)為L(zhǎng)'，刀尖距圖像基準(zhǔn)距離為ΔL，則刀具的Z向位置為Z1+L'，其中刀具的裝夾長(zhǎng)度L'為：

ΔL可通過(guò)采集CMOS記錄的干涉圖樣，并利用數(shù)字全息再現(xiàn)算法獲取刀具的全息再現(xiàn)像，然后抑制再現(xiàn)結(jié)果中的干擾像，接著提取再現(xiàn)像中刀具的輪廓，計(jì)算刀尖距圖像基準(zhǔn)的距離來(lái)獲得。

2 數(shù)字全息圖的重建與自動(dòng)聚焦

通過(guò)圖像采集軟件獲取物體的干涉圖樣后，要經(jīng)過(guò)全息再現(xiàn)算法，才能得到物體的全息再現(xiàn)像。針對(duì)數(shù)字全息圖像的再現(xiàn)，本文采用菲涅爾再現(xiàn)算法。在滿足采樣條件的前提下，用計(jì)算機(jī)模擬平行光照射全息圖，發(fā)生光學(xué)衍射過(guò)程，從而得到物體的全息再現(xiàn)像。

全息再現(xiàn)過(guò)程中，只有當(dāng)再現(xiàn)距離精確等于記錄距離時(shí)才能獲得清晰度最佳的再現(xiàn)像[9]。圖2是上述自動(dòng)聚焦過(guò)程的流程圖：選擇初始再現(xiàn)距離、距離間隔以及再現(xiàn)距離的范圍，利用再現(xiàn)算法求出每個(gè)距離值所對(duì)應(yīng)再現(xiàn)像的復(fù)振幅分布，以及對(duì)應(yīng)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值。其中聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)選擇小波變換清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，其中小波基為db3，采用Daubechies小波函數(shù)，小波函數(shù)的消失矩階數(shù)為3，分解層數(shù)為n層，通過(guò)對(duì)每個(gè)再現(xiàn)像進(jìn)行小波分解，可得到小波分解下第n層的低頻系數(shù)，水平高頻系數(shù)WLHn（x，y），豎直高頻系數(shù)WHLn（x，y），對(duì)角線高頻系數(shù)WHHn（x，y）。計(jì)算聚焦窗口的高頻系數(shù)之和，選擇高頻系數(shù)之和最大的圖像為清晰度最佳的圖像。小波變換清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)定義為[10]：

實(shí)際搜索過(guò)程中為了克服搜索速度慢、收斂精度低、易受局部峰值和噪聲影響的問(wèn)題，引入了一種分段遞進(jìn)搜索方法，該搜索策略將搜索過(guò)程分為兩個(gè)步驟：大步距粗調(diào)和小步距精調(diào)，分段搜索最優(yōu)解。

3 微銑刀同軸全息圖像增強(qiáng)

圖2 自動(dòng)聚焦流程圖Fig.2 Flow diagram of automatic focusing

針對(duì)微徑銑刀激光同軸全息再現(xiàn)像中的直透光及共軛像問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)的自蛇模型的干擾像抑制方法?；谖姐姷兜娜?duì)刀這一特定應(yīng)用，提出將再現(xiàn)像中的干擾像視為圖像背景噪聲，利用自蛇模型對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)散濾波處理。

自蛇模型在擴(kuò)散過(guò)程中可以有效濾除噪聲，還能增強(qiáng)圖像邊緣，但存在明顯“階梯”效應(yīng)。通過(guò)設(shè)置邊緣停止函數(shù)中的圖像梯度項(xiàng)只跟初始圖像I0有關(guān)，即每次擴(kuò)散中停止函數(shù)只根據(jù)初始圖像的梯度來(lái)選擇擴(kuò)散力度，新的邊緣停止函數(shù)為：

其中，gnew為改進(jìn)后的邊緣停止函數(shù)，為圖像梯度；為跟初始圖像I0有關(guān)的圖像梯度；I表示圖像；K為常數(shù)。

為了驗(yàn)證這一改進(jìn)的合理性，通過(guò)圖3所示數(shù)字全息試驗(yàn)裝置，采集到刀具的數(shù)字全息圖，再經(jīng)過(guò)菲涅爾再現(xiàn)算法，得到圖4（a）所示銑刀的全息再現(xiàn)像?？梢园l(fā)現(xiàn)，再現(xiàn)像中物體輪廓周?chē)嬖谳^強(qiáng)的干擾像，利用改進(jìn)前后的自蛇模型對(duì)再現(xiàn)像進(jìn)行濾波處理，結(jié)果如圖4 （b）、（c）所示，前者隨擴(kuò)散時(shí)間增大，大梯度背景噪聲被增強(qiáng)，出現(xiàn)“偽輪廓”，且刀具邊緣鋸齒化，而后者隨擴(kuò)散時(shí)間增大，圖像邊緣能夠平滑過(guò)渡，同時(shí)很好地去除了背景噪聲，有助于進(jìn)一步提取刀具的輪廓信息。

本文中的相關(guān)算法推導(dǎo)驗(yàn)證工作由本課題組程亞亞完成，具體細(xì)節(jié)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

對(duì)刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

1 全息成像系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字全息對(duì)刀樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，整機(jī)尺寸為365mm×160mm×170mm。全息成像系統(tǒng)主要由激光器、激光擴(kuò)束鏡、微型工業(yè)相機(jī)、濾波片組成。成像系統(tǒng)組成器件通過(guò)3R定位片安裝在機(jī)床夾具底座上，型材架用于支撐上方所有成像器件，型材架通過(guò)型材轉(zhuǎn)接板固定在3R定位片上。激光器安裝架、擴(kuò)束鏡安裝架及相機(jī)安裝組件的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程，必須保證激光器中心、擴(kuò)束鏡中心和CMOS感光面中心三者共軸線。激光器安裝架、擴(kuò)束鏡安裝架通過(guò)螺釘固定在型材架上，相機(jī)固定在精密滑臺(tái)上，滑臺(tái)的X向和Y向可以自由移動(dòng)，調(diào)節(jié)相機(jī)感光面的位置。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 數(shù)字全息試驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental apparatus for digital holography

圖4 改進(jìn)前后的自蛇模型處理結(jié)果Fig.4 Diffusion results of self–snake and improved self–snake model

圖5 數(shù)字全息對(duì)刀樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure digital holographic cutter prototype

相機(jī)固定在對(duì)刀樣機(jī)上后，在X、Y、Z3個(gè)方向存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，為了避免安裝不平帶來(lái)的測(cè)量誤差，必須對(duì)成像面的傾斜度進(jìn)行校正。由于物體始終投影在圖像感光面，故繞Z向轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的傾斜對(duì)測(cè)量無(wú)影響，可忽略。針對(duì)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的傾斜，可通過(guò)千分表在相機(jī)上表面做直線移動(dòng)，然后微調(diào)機(jī)床的B軸來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。由X向轉(zhuǎn)動(dòng)引起的傾角，通過(guò)采集標(biāo)準(zhǔn)塊的數(shù)字全息圖，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)塊直邊的傾斜角度為2.0446°，再根據(jù)傾斜角度繞圖像中心旋轉(zhuǎn)，從而獲得校正后的圖像。

（1）圖像基準(zhǔn)位置測(cè)量。

由于圖像基準(zhǔn)的精度直接影響后續(xù)刀具刀長(zhǎng)的測(cè)量精度，且在同軸全息成像時(shí)，對(duì)于尺寸越小的物體，干涉現(xiàn)象越明顯，包含的物體輪廓信息越多，測(cè)量精度越高，故選用直徑為0.3mm的銑刀作為標(biāo)定基準(zhǔn)件，對(duì)圖像的基準(zhǔn)位置進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。

德國(guó)Zoller genius 3系列是一款高精度的刀具預(yù)調(diào)儀，其重復(fù)測(cè)量精度為2μm。利用該儀器對(duì)直徑0.3mm的銑刀進(jìn)行檢測(cè)（圖6），刀具裝夾長(zhǎng)度的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 Zoller對(duì)刀檢測(cè)過(guò)程（0.3mm銑刀）Fig.6 Process of measuring tool by Zoller(0.3mm milling tool)

表1 0.3mm銑刀Zoller測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of 0.3mm milling tool by Zoller

表1 0.3mm銑刀Zoller測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of 0.3mm milling tool by Zoller

測(cè)量次數(shù)裝夾長(zhǎng)度/mm 1 77.86 2 77.859 3 77.86平均測(cè)量值77.8597

由Zoller測(cè)量結(jié)果知該刀的平均裝夾長(zhǎng)度L'為77.8597mm，故圖像基準(zhǔn)（圖像中心）在機(jī)床坐標(biāo)系的位置為

（2）對(duì)刀實(shí)施方式及測(cè)量結(jié)果。

圖7 全息對(duì)刀過(guò)程Fig.7 Process of measuring tool using holographic

圖8 0.3mm銑刀全息對(duì)刀步驟Fig.8 Procedure of measuring end mill tool with diameter 0.3mm

故該刀的裝夾長(zhǎng)度為

由提取到的輪廓計(jì)算得刀具直徑為145像素，其對(duì)應(yīng)的物理直徑為

3 對(duì)刀精度分析

如圖10所示，為了對(duì)比全息成像的精度，用德國(guó)Zoller genius 3系列刀具預(yù)調(diào)儀對(duì)直徑0.5mm的銑刀進(jìn)行對(duì)刀檢測(cè)，刀具裝夾長(zhǎng)度和直徑的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

如圖11所示，利用接觸式對(duì)刀儀進(jìn)行直徑0.5mm銑刀的對(duì)刀檢測(cè)，由前面刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量結(jié)果知0.5mm銑刀的裝夾長(zhǎng)度為72.6253mm。由于這兩把刀具的直徑過(guò)小，使用接觸式對(duì)刀儀測(cè)直徑時(shí)容易損壞刀具，故不宜進(jìn)行測(cè)量刀徑。

表3對(duì)比了采用不同方法所測(cè)結(jié)果。對(duì)于刀具裝夾長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，與Zoller刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量結(jié)果相較，全息對(duì)刀樣機(jī)的測(cè)量誤差為5.1μm，相對(duì)誤差為0.007%，而接觸式對(duì)刀儀的測(cè)量誤差為24μm，相對(duì)誤差為0.033%。

圖9 0.5mm銑刀全息對(duì)刀步驟Fig.9 Procedure of measuringend mill tool with diameter 0.5mm

圖10 Zoller對(duì)刀檢測(cè)過(guò)程（0.5mm銑刀）Fig.10 Process of measuring tool by Zoller (0.5mm milling tool)

表2 0.5mm銑刀Zoller測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of 0.5mm milling tool by Zoller mm

表2 0.5mm銑刀Zoller測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of 0.5mm milling tool by Zoller mm

測(cè)量次數(shù)裝夾長(zhǎng)度刀徑1 72.6010.532 2 72.6010.532 3 72.6020.532平均測(cè)量值72.60130.532

圖11 0.5mm銑刀接觸式對(duì)刀儀測(cè)量試驗(yàn)Fig.11 Experiment of measuring end mill tool with diameter 0.5mm,using contact tool setting instrument

表3 0.5mm銑刀測(cè)量結(jié)果比較Table 3 Comparison of measurement results of 0.5mm milling cutter mm

表3 0.5mm銑刀測(cè)量結(jié)果比較Table 3 Comparison of measurement results of 0.5mm milling cutter mm

參數(shù)接觸式對(duì)刀儀Zoller刀具預(yù)調(diào)儀全息對(duì)刀樣機(jī)刀具裝夾長(zhǎng)度72.625372.601372.6064刀具直徑無(wú)法檢測(cè)0.53200.5003

對(duì)于銑刀直徑，全息對(duì)刀樣機(jī)的測(cè)量誤差為31.7μm，而由于刀具直徑過(guò)小，接觸式對(duì)刀儀無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。由上述測(cè)量結(jié)果知全息對(duì)刀樣機(jī)能較接觸式對(duì)刀儀獲得更好的對(duì)刀檢測(cè)精度，而且更適合微徑銑刀的對(duì)刀檢測(cè)。全息對(duì)刀樣機(jī)的基準(zhǔn)位置的標(biāo)定精度對(duì)最終檢測(cè)精度影響很大，故可以通過(guò)更高精度的標(biāo)定方法來(lái)提高全息對(duì)刀樣機(jī)的檢測(cè)精度。

上述試驗(yàn)中，對(duì)于全息對(duì)刀樣機(jī)的大輪廓位置對(duì)于這種情況，可以通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行多角度旋轉(zhuǎn)至最大輪廓位置，再進(jìn)行全息成像，以提高直徑測(cè)量精度。

結(jié)論

本文結(jié)合微徑銑刀的數(shù)字全息對(duì)刀方法，討論了該對(duì)刀方法的原理和關(guān)鍵技術(shù)，并在現(xiàn)有五軸高精度機(jī)床上完成了數(shù)字全息對(duì)刀樣機(jī)的精度標(biāo)定，實(shí)際對(duì)直徑0.5mm的銑刀進(jìn)行了對(duì)刀檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同檢測(cè)條件下，與高精度機(jī)外預(yù)調(diào)儀的測(cè)量結(jié)果相比，接觸式對(duì)刀儀的測(cè)量誤差為24μm，相對(duì)誤差為0.033%，且無(wú)法對(duì)微徑銑刀的直徑進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，而全息對(duì)刀樣機(jī)的測(cè)量誤差可達(dá)到5.1μm，相對(duì)誤差為0.007%，更適合用于微徑銑刀的對(duì)刀檢測(cè)。

同時(shí)，本文所提出的檢測(cè)方法主要針對(duì)接觸式對(duì)刀儀測(cè)量精度不高，且圖像及光學(xué)式機(jī)外對(duì)刀儀體積過(guò)大，對(duì)工作環(huán)境的光照要求較高，不便進(jìn)行機(jī)床內(nèi)集成，實(shí)現(xiàn)刀具的在位檢測(cè)。且由于成本原因，目前接觸式對(duì)刀儀還處于主導(dǎo)地位，被廣泛應(yīng)用。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的檢測(cè)方法測(cè)量精度優(yōu)于接觸式對(duì)刀儀，且體積小對(duì)工作環(huán)境光照要求低，便于進(jìn)行機(jī)床內(nèi)部集成，因此本文所提出的檢測(cè)方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，其檢測(cè)精度可通過(guò)更換更高精度的圖像傳感器以及優(yōu)化對(duì)刀裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行提高。