机械制造基础课程刀具测量实验的信息化探索

华成丽

摘 要：结合机电一体化和信息技术，克服传统实验仪器的不足，设计一种适用于机械制造基础课程的新型车刀角度测量实验仪器，并配套基础分析软件，对刀具

工作部分几何参数进行方便的数字化采集，利用软件进行刀具的三维建模和静态角度计算，有效提高刀具测量效率和精度，可辅助绘制刀具角度剖面图。成果目前已在机械基础教学基地加以实践，教学效果较好。

关键词：信息技术 刀具测量 实验仪器 分析软件

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0131-03

Abstract：Considering themechatronics and information technology， a new kind of cutting tool measurement instrument for the course of mechanical manufacturing is proposed to overcome the insufficiency of traditional experimental instrument. And the basic analysis software is also provided. The digital data of geometric parameters of tool part can be obtained easily. The 3D model and static anglecan be got based on the developed software. Compared with the existing results， the proposed instrument has the better measurement efficiency and precision. And it can be used to draw the angle section of cutting tool. The results have been applied in the teaching practice of mechanical manufacturing， and the effect is better.

Key Words：Information technology；Cutting tool measurement；Experiment instrument；Analysis software

1 传统刀具测量实验仪器存在的问题

早期的机械制造课程体系很大程度上参考国外内容，部分教学和实践内容沿用至今。以车刀角度测量实验为例，在我国各高校和职业技术学校使用较为广泛的是JGQ-2型万能车刀量角台，其原始雏形由国外工厂设计，后经国内相关高校改进设计成JGQ-2型万能量角台[1]。随后，各高校机械基础教研室进一步对量角台进行了小范围改进，但基本原理和结构不变。

这种传统的量角台能够完成所有参考系下的主要刀具角度测量，但是每测量一个角度，都需要相应精确调整刀具位置，步骤较为繁琐；且只能进行单一刀具角度测量，无法采集刀具几何数据，要对刀具进行几何建模则需要昂贵的专业仪器，如德国ZOLLER刀具检测仪器（采用CCD相机和图像分析处理技术测量）；另外，在不同参考系的角度转换的场合，需要采用专用公式计算，或者读专用诺模图校核，使用不便[2]。

由于上述问题，在刀具角度测量实验中，测量仪器操作繁琐，步骤较多，学生还是容易对角度产生混淆，且易遗忘，加之学生的制图基础相对较差，测量完成后仍然不会绘制刀具静态角度图。

2 新型车刀测量仪器及软件

为了克服传统实验仪器的不足，在教学过程中设计了一种新型车刀角度测量仪器及配套软件，其基本机构如图1所示，配套软件输入界面如图2所示。

2.1 新型车刀角度测量仪的测量原理

该测量仪是受我国汉代“浑天仪”的结构启发，仿照浑天仪的球面坐标测量原理，设计而成。主要测量构件由内环、外环和测量杆组成，内、外环切掉了部分圆弧防止与刀杆干涉。将被测刀具装夹在可调刀具支架上，对刀具位置进行水平、竖直微调，使刀头基本处于在测量仪的球面中心；测量杆起到窥管的作用，用测量杆的前端平面与刀具前面，后面，副后面分别贴合，杆与这3个工作面分别垂直，通过读取刻度盘上的内、外环的转动角度和测量杆的伸长量，可以得到各工作面的法向量和位置参数。

只需测量3个刀面，即可得到刀具的工作参数，利用软件可算得刀具的所有参考系下角度，操作简单快捷，并可开发软件绘制剖面图，辅助学生理解。该测量仪可测量教学中使用的常见车刀，以及由车刀演变而来的刨刀、镗刀等，基本涵盖原教学测量台的功能范围。

2.2 测量仪的软件设计

将采集到的刀具工作面几何参数，输入软件进行刀具的三维建模和静态角度计算。车刀静态测量软件选用开放源码的全功能的跨平台C/C++集成开发环境Codeblocks进行开发，软件界面的搭建选用开源的跨平台的C++构架库wxWidgets，三维建模和绘图程序采用C++Builder作为开发界面，开发语言均选用C++进行编写。由于采集的刀具工作面数据均为右手球坐标系中的向量参数，通过向量运算，可以得到刀具在3个参考系下的18个静态角度，并自动标定正负。还可以根据测量的刀头工作面三维参数，进一步增加软件功能，自动剖切平面，绘制静态角度图，以辅助学生完成实验报告，加深学生的理解。该部分功能仍在开发中。

2.3 刀具工作面向量的坐标推导

如图3，设右手坐标系中，平面、平面中逆时针转动为正方向，初始向量球坐标表示为，转换为直角坐标系，写成矩阵形式。

得被测量刀面法向量。

得到3个工作面的向量坐标后，通过程序进行向量运算得到各参考系下的刀具角度[4]。

2.4 采用机电一体化技术提高测量精度

仪器的数据读取，除可以采用图1中的机械刻度盘外，还可以采用光电传感器，提高测量精度。可采用绝对式光电编码器测量转角和位移，并利用51单片机最小系统进行计数运算，将转角在数码管显示屏上串行显示，方便读数，并且利用ADXL345数据接口输入计算机，在配套软件中进行计算和绘图，更加方便使用。对光电传感器下的新型测量仪精度进行验证，并与JGQ-2型测量仪进行对比，结果见表1。通过正交平面参考系的静态角度验证，新型测量仪精度基本满足教学使用。

通过以上的技术创新，新型测量仪具有以下优点。

（1）结构简单紧凑，体积只有普通测量台的1/3，且构件加工简单，机械刻度测量仪批量制作成本不高，很节约教学经费。

（2）能够采集刀头工作面三维参数，有潜力扩展软件功能，绘制静态角度图，有效辅助教学。

（3）测量操作简单，速度快，具有光电传感器和接口的测量仪，只需一分钟左右就能完成测量，输出所有角度参数。

（4）结合光电传感器能够提高仪器精度，且不大幅增加成本，基本满足教学使用。

3 结语

该文结合课堂教学和刀具测量实验教学的课堂环境，研制了一种新型刀具角度测量仪，并初步开发了配套软件，能够对刀具工作部分几何参数进行方便的数字化采集；利用软件建模和计算所有静态角度，有效提高刀具测量效率和精度。目前已在机械基础教学基地加以实践，取得了较好的教学效果。

参考文献

[1] 韩永杰，佟永祥.多功能车刀几何角度测量仪的研制[J]. 中国现代教育装备，2011（1）：47-50.

[2] 王万新.车刀角度测量的数字显示研究[J].制造技术与机床，2015（2）：83-85.

[3] 吴序堂.齿轮啮合原理[M].西安：西安交通大学出版社， 2009.

[4] 同济大学数学系.工程数学线性代数[M].5版.北京：高等教育出版社，2007.