基于电感传感器的刀具刃口参数检测系统

2011-02-09陶志建

制造业自动化 2011年4期

陶志建，张伟

（大连工业大学机械工程与自动化学院，大连 116340）

0 引言

刀具的刃口钝化技术可以有效的解决刃磨后的刃口微观缺陷，使其锋值减少或消除，从而使刃口达到圆滑、平整，既锋利坚固又耐用的目的。经钝化后的刀具同时能有效提高刀具寿命和切削过程的稳定性。目前国外的刀具产品都是经过良好的钝化处理，故其性能较佳。因此国内刀具制造企业要使刀具产品具有很好的切削性能，就应该对刀具产品进行合理的钝化，并加强对刀刃钝化参数的精密检测。

在实际生产中，像麻花钻这样的螺旋刃口的测量是比较复杂的有条件的工厂企业可以利用“三坐标测量机”来进行测量。但是由于“三坐标测量机”的价格昂贵，维护复杂，很多企业没有这类设备。而一般情况下，对于强化后刀刃的外形的检测，工厂企业应用比较广泛的仪器是“万能工具显微镜”，该仪器价格低廉,能解决麻花钻螺旋刃口的测量[3]。但是这样测量读数过程繁琐、测量时间长。

所以研究设计一种可以方便准确检测刃口参数的测量系统是十分有必要的。本论文利用轮廓放大测量方法[1]，对刀具刃口部位进行测量的一种检测系统，是对刀具钝化检测技术的进一步研究。

1 常用的钝化形式

麻花钻的钝化形式包括锐刃、倒棱刃、消振棱刃、白刃、倒圆刃等。根据麻花钻刃口钝化形式的多样化，可以根据不同的刃口钝化形式选择适合的测量。下面就该系统对倒棱刃的测量进行简单叙述，其他对前刀面进行处理的刃口形式与之相同。

倒棱刃是在刃口附近的前刀面上，刃磨出很窄的负前角棱边。大连吉瑞精密钻头有限公司对大连柴油机厂改进的一种内冷钻头，就是采用了这种倒棱刃处理，取得比较理想的效果，钻头的使用寿命提高将近25%。下图是做倒棱刃处理以后的刃口部分放大150倍后的图片：

图1 刃口部分放大150倍

对于这种倒棱刃钝化方式的测量一般需要控制的几何参数有两个：一个是刃口处理负倒棱的角度ɣ，另一个是宽度W。而在实际测量过程中，只要将前刀面扫描完整得出轮廓数据拟合出合理的轮廓线，就可以方便的得到这两个参数。钻头钝化角度几何参数的示意图如下：

图2 钻头钝化角度几何参数的示意图

用于检测工件表面的方法很多，从数据的可靠性和安装定位的简易性来看，触针法是最适用的[2]，目前触针法大多用于表面粗糙度测量。国内外也有不少有关的文献资料介绍触针法对表面粗糙度的测量。但这些文章着重于对表面粗糙度评定参数的分析,而还没有刀具刃口测量的文献。本文主要针对系统的几个重要部分进行阐述。

2 系统的构成及原理

本系统是由软件控制进行采集检测信号的。数据采集卡采用较高性能价格比的PCL-813b。该卡具有A/D 、D/A、计时计数等功能。查询、中断等采集方式。可根据实际需要分别进行采用。总体上可分为数据采集处理和机械结构两个部分。下面分别介绍各部分的构成及系统的测量原理。数据采集与处理部分是由电感传感器、信号处理放大电路板、数据采集卡和计算机组成。数据采集系统结构如图：

图3 检测系统的构成框图

该测量系统的机械结构主要由刀具夹具装置、回转台、xy工作台、传感器部分等等。测量示意图如下：

测量原理：将被测钻头固定于回转工作台上，通过转动调整使钻头的刃口垂直于触针运动方向，将触针置于刃口上合适的位置。在驱动装置的驱动下，触针以固定的速度沿着刃口垂直方向运动，从而使触针对刃口表面进行扫描。刃口表面的轮廓使测针产生微小的位移量，电感传感器将测针的位移量转换为电信号，该电信号被送至信号处理电路经过调制、放大、滤波等处理就获得能够反映刃口表面轮廓的数字信号，然后由软件系统对数据进行处理并输出轮廓线。

在测量过程中，x方向的位移传感器等间距地发出位移信号, 同时对y向电感传感器传感器进行数据采样。对于实际轮廓上的任一被测点, 每一个xi均有y向位移传感器的读数yi与之相对应。假设一个轮廓上测量n点, 那么这些点的集合0代表实际轮廓。

图4 测量系统结构示意图

3 评定参数的定义

为了满足对表面不同的功能要求，国家标准规定的表面轮廓高度特征参数、间距特征参数和形状特征参数。高度特征参数有轮廓算术平均偏差Ra，轮廓均方根偏差Rq，轮廓最大高度Ry等。其数学定义为¹：

式中：Y (x) —x处的轮廓曲线的纵坐标；Yi —第i个轮廓曲线的纵坐标；Ypi、Yvi —最大轮廓峰和最小轮廓谷；l —取样长度；n —取样长度内所测点的数目。

对表面轮廓参数的评定可以使用labview软件中的的概率与统计、数学比较运算等功能模块。

4 模拟信号的输入

模拟电压信号由传感器输出，经过单路放大电路，传递给数据采集卡，最终进入计算机中。PCL813b数据采集卡是台湾研华公司推出的一款工业标准的经济型数据采集卡，是一款32录的单端带隔离的模拟量输入卡，用于模拟信号的采集和处理及各类控制信号的输出。

大多数的外设和接口卡都是通过计算机的I/O口来控制的，他们各自都有一个独立的存储空间来避免地址冲突，PCL-813b使用了16个连续的地址空间，地址的选择可通过面板上的6位DIP开关设置来设定。PCL-813b的有效地址范围是000到3F0。根据系统的资源占用情况，给PCL-813b分配正确的地址。

在数据采集应用中，模拟量输入基本上都是电压信号输入。为了达到准确测量并防止损坏应用系统，正确的信号连接是非常重要的。当测量一个电压信号时，将信号一端接入到一个输入端子上，信号源另一端接到地端子上（五个模拟地中的任何一个）。