数显式车刀角度测量仪的研究

2014-11-22徐晓龙王万新

机械工程师 2014年3期

徐晓龙，王万新

（德州学院机电工程学院，山东德州 253023）

0 引言

车削加工是机械加工中的重要加工方式，面对不同的加工任务，所使用车刀的性能也有所不同。车刀的切削性能除与刀具材料有关外，还取决于车刀的几何形状精度，即车刀的标注角度大小。由于受测量仪器、测量方法和人为因素等影响，工程人员很难精准地测出刀具的几何角度，为此我们设计了一种数字式车刀角度测量仪,将刀具的切削角度通过数字形式显示出来，实现方便、快捷、直观、精准的测量。

1 传统车刀角度测量方案分析

刀具的几何角度是由静止参考系中定义的一组角度来表示的，这组角度称为标注角度，用于刀具的设计、制造、刃磨和测量。传统的测量方法一是采用游标万能角度尺，二是采用专用车刀量角台。前者测量麻烦，尺身定位困难；后者由于测量台制作精度及读数方法等问题，也存在操作不方便、读数精度低等缺陷，所以我们对现有车刀量角台做了改进。

1.1 车刀几何角度的构成分析

在车刀的几何角度中，对加工质量、生产效率和刀具寿命影响较大的主要有5 个基本角度，即主偏角kr和副偏角kr′、前角γ0和后角α0、刃倾角λs。其中主偏角kr是指主切削刃在基面内与进给运动方向之间的夹角，副偏角kr′是指副切削刃在基面内与进给运动反方向之间的夹角，前角γ0是指在正交平面内刀具前面与基面之间的夹角，后角α0是指在正交平面内刀具主后面与切削平面之间的夹角，刃倾角λs是指在切削平面内切削刃与基面之间的夹角。图1 是某车刀刀具角度标注图［1］。

图1 刀具静止角度的标注

根据车刀角度的定义，车刀的主、副偏角是在基面内测量，前角和后角是在正交平面内测量，刃倾角在切削平面内测量。因此，为了便于理解刀具角度的定义和方便操作，多功能车刀几何角度测量仪应能直观地体现各种角度与测量平面之间的位置关系。

1.2 原车刀角度测量台结构及测量方案分析

原车刀角度测量台由底座、工作台、螺柱、升降螺母、刻度盘、指针、锁紧螺钉等组成（如图2）。在测量刀具主、副偏角时，刀具侧面要贴紧动滑板定位侧面，随着工作台转动，使主（副）切削刃贴合代表切削平面的大刻度盘（如图3 所示），在底座刻度盘上读取主（副）偏角。这与图1角度标注时刀具位置状态有较大区别，不能直观体现刀具角度定义，更不便于工程技术人员理解和掌握参考坐标系的基面、切削平面和正交平面的位置关系。

图2 原有多功能角度测量仪结构

图3 刀具主、副偏角测量方法

测刀具前、后角时，要从测量主偏角的位置起，使工作台逆时针转动90°（相当于到达正交平面），使主切削刃在基面上的投影恰好垂直于大指针的前面，然后，调整大刻度盘的高度和大指针的转角，使指针下端刀口与车刀主切削刃选定点处前刀面贴合，这时，即可在大刻度盘上读出车刀主切削刃的前角值；再次调整大刻度盘的高度和大指针的转角，使大指针侧面在车刀主切削刃选定点处与后刀面贴合，可在大刻度盘上读出车刀主切削刃的后角值。前、后角测量过程中，由于需要反复旋转工作台，调整大刻度盘的高度，所以，车刀前后角测量精度低、操作较麻烦。

2 改进后车刀角度测量方案分析

为了能够更加直观地体现刀具测量平面，使工程技术人员更容易理解刀具的标注角度，我们在原设计的基础上参照同类产品并改进设计［2－3］（如图4）：1）去掉转动工作台，动滑台在固定底座可左右移动，体现刀具纵向进给运动；2）车刀在动滑台上靠底面和侧面定位，能够前后移动，体现刀具的横向进给；3）体现切削平面的大刻度盘由过去的固定式改为可绕立柱轴线旋转，在测量刀具主、副偏角时依据主(副)切削刃确定位置（如图5），与角度标注图一致，容易操作和理解；4）测量刀具前、后角时，只需在测量完刀具主偏角后，调整升降装置，使刀具切削刃选定点移至前后角测量指针的下方，使指针的测量面贴合刀具前后面即可，简化刀具前后角测量时调整动作，使操作更方便；5）为提高测量数据精确程度，避免人为读数误差，在各转动部位添加角度传感器，构建数字式测量系统，通过显示模块直接显示刀具测量角度。同时保留指针指示刻度，也可人工读数。

图4 新设计多功能车刀角度测量仪结构

图5 改进后刀具主（副）偏角测量

3 车刀角度测量仪的数字显示方案分析

角度测量仪的数字测量部分由硬件和控制软件两部分组成，其中硬件（如图6）包括信号采集模块、模数转换模块、程序控制模块、LED 显示模块等［4］。信号采集模块采用3 个WDD35D4 角度传感器，分别对应主（副）偏角、刃倾角和前（后）角测量信号。WDD35D4为精密导电塑料环形电位器［5］，转角测量精度可达0.1%。模数转换模块采集角度传感器输出信号，通过A/D 转换，计算显示角度大小。液晶显示采用5110 液晶显示屏，内置汉字字库，除显示测量角度数值外，还可显示被测角度名称。程序控制模块采用STC12C5A60S2 单片机，该单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，精度高，适合用于高精度数据采集［5］。