基于電感傳感器的刀具刃口參數(shù)檢測系統(tǒng)

陶志建，張 偉

（大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，大連 116340）

0 引言

刀具的刃口鈍化技術可以有效的解決刃磨后的刃口微觀缺陷，使其鋒值減少或消除，從而使刃口達到圓滑、平整，既鋒利堅固又耐用的目的。經(jīng)鈍化后的刀具同時能有效提高刀具壽命和切削過程的穩(wěn)定性。目前國外的刀具產(chǎn)品都是經(jīng)過良好的鈍化處理，故其性能較佳。因此國內(nèi)刀具制造企業(yè)要使刀具產(chǎn)品具有很好的切削性能，就應該對刀具產(chǎn)品進行合理的鈍化，并加強對刀刃鈍化參數(shù)的精密檢測。

在實際生產(chǎn)中，像麻花鉆這樣的螺旋刃口的測量是比較復雜的有條件的工廠企業(yè)可以利用“三坐標測量機”來進行測量。但是由于“三坐標測量機”的價格昂貴，維護復雜，很多企業(yè)沒有這類設備。而一般情況下，對于強化后刀刃的外形的檢測，工廠企業(yè)應用比較廣泛的儀器是“萬能工具顯微鏡”，該儀器價格低廉,能解決麻花鉆螺旋刃口的測量[3]。但是這樣測量讀數(shù)過程繁瑣、測量時間長。

所以研究設計一種可以方便準確檢測刃口參數(shù)的測量系統(tǒng)是十分有必要的。本論文利用輪廓放大測量方法[1]，對刀具刃口部位進行測量的一種檢測系統(tǒng)，是對刀具鈍化檢測技術的進一步研究。

1 常用的鈍化形式

麻花鉆的鈍化形式包括銳刃、倒棱刃、消振棱刃、白刃、倒圓刃等。根據(jù)麻花鉆刃口鈍化形式的多樣化，可以根據(jù)不同的刃口鈍化形式選擇適合的測量。下面就該系統(tǒng)對倒棱刃的測量進行簡單敘述，其他對前刀面進行處理的刃口形式與之相同。

倒棱刃是在刃口附近的前刀面上，刃磨出很窄的負前角棱邊。大連吉瑞精密鉆頭有限公司對大連柴油機廠改進的一種內(nèi)冷鉆頭，就是采用了這種倒棱刃處理，取得比較理想的效果，鉆頭的使用壽命提高將近25%。下圖是做倒棱刃處理以后的刃口部分放大150倍后的圖片：

圖1 刃口部分放大150倍

對于這種倒棱刃鈍化方式的測量一般需要控制的幾何參數(shù)有兩個：一個是刃口處理負倒棱的角度?，另一個是寬度W。而在實際測量過程中，只要將前刀面掃描完整得出輪廓數(shù)據(jù)擬合出合理的輪廓線，就可以方便的得到這兩個參數(shù)。鉆頭鈍化角度幾何參數(shù)的示意圖如下：

圖2 鉆頭鈍化角度幾何參數(shù)的示意圖

用于檢測工件表面的方法很多，從數(shù)據(jù)的可靠性和安裝定位的簡易性來看，觸針法是最適用的[2]，目前觸針法大多用于表面粗糙度測量。國內(nèi)外也有不少有關的文獻資料介紹觸針法對表面粗糙度的測量。但這些文章著重于對表面粗糙度評定參數(shù)的分析,而還沒有刀具刃口測量的文獻。本文主要針對系統(tǒng)的幾個重要部分進行闡述。

2 系統(tǒng)的構成及原理

本系統(tǒng)是由軟件控制進行采集檢測信號的。數(shù)據(jù)采集卡采用較高性能價格比的PCL-813b。該卡具有A/D 、D/A、計時計數(shù)等功能。查詢、中斷等采集方式。可根據(jù)實際需要分別進行采用?？傮w上可分為數(shù)據(jù)采集處理和機械結構兩個部分。下面分別介紹各部分的構成及系統(tǒng)的測量原理。數(shù)據(jù)采集與處理部分是由電感傳感器、信號處理放大電路板、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖：

圖3 檢測系統(tǒng)的構成框圖

該測量系統(tǒng)的機械結構主要由刀具夾具裝置、回轉臺、xy工作臺、傳感器部分等等。測量示意圖如下：

測量原理：將被測鉆頭固定于回轉工作臺上，通過轉動調(diào)整使鉆頭的刃口垂直于觸針運動方向，將觸針置于刃口上合適的位置。在驅動裝置的驅動下，觸針以固定的速度沿著刃口垂直方向運動，從而使觸針對刃口表面進行掃描。刃口表面的輪廓使測針產(chǎn)生微小的位移量，電感傳感器將測針的位移量轉換為電信號，該電信號被送至信號處理電路經(jīng)過調(diào)制、放大、濾波等處理就獲得能夠反映刃口表面輪廓的數(shù)字信號，然后由軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理并輸出輪廓線。

在測量過程中，x方向的位移傳感器等間距地發(fā)出位移信號, 同時對y向電感傳感器傳感器進行數(shù)據(jù)采樣。對于實際輪廓上的任一被測點, 每一個xi均有y向位移傳感器的讀數(shù)yi與之相對應。假設一個輪廓上測量n點, 那么這些點的集合0代表實際輪廓。

圖4 測量系統(tǒng)結構示意圖

3 評定參數(shù)的定義

為了滿足對表面不同的功能要求，國家標準規(guī)定的表面輪廓高度特征參數(shù)、間距特征參數(shù)和形狀特征參數(shù)。高度特征參數(shù)有輪廓算術平均偏差Ra，輪廓均方根偏差Rq，輪廓最大高度Ry等。其數(shù)學定義為1：

式中：Y (x) —x處的輪廓曲線的縱坐標；Yi —第i個輪廓曲線的縱坐標；Ypi、Yvi —最大輪廓峰和最小輪廓谷；l —取樣長度；n —取樣長度內(nèi)所測點的數(shù)目。

對表面輪廓參數(shù)的評定可以使用labview軟件中的的概率與統(tǒng)計、數(shù)學比較運算等功能模塊。

4 模擬信號的輸入

模擬電壓信號由傳感器輸出，經(jīng)過單路放大電路，傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，最終進入計算機中。PCL813b數(shù)據(jù)采集卡是臺灣研華公司推出的一款工業(yè)標準的經(jīng)濟型數(shù)據(jù)采集卡，是一款32錄的單端帶隔離的模擬量輸入卡，用于模擬信號的采集和處理及各類控制信號的輸出。

大多數(shù)的外設和接口卡都是通過計算機的I/O口來控制的，他們各自都有一個獨立的存儲空間來避免地址沖突，PCL-813b使用了16個連續(xù)的地址空間，地址的選擇可通過面板上的6位DIP開關設置來設定。PCL-813b的有效地址范圍是000到3F0。根據(jù)系統(tǒng)的資源占用情況，給PCL-813b分配正確的地址。

在數(shù)據(jù)采集應用中，模擬量輸入基本上都是電壓信號輸入。為了達到準確測量并防止損壞應用系統(tǒng)，正確的信號連接是非常重要的。當測量一個電壓信號時，將信號一端接入到一個輸入端子上，信號源另一端接到地端子上（五個模擬地中的任何一個）。

5 刃口輪廓曲線的顯示

輪廓曲線顯示部分采用labview8.5進行編程，Labview豐富的控件為虛擬儀器提供了極大的方便，在函數(shù)庫和控件庫里選取所需的功能模塊，為他們設置合適的屬性。

程序圖中目前主要包含采集設置，數(shù)據(jù)采集及處理兩個大部分，采集設置包括設備通道和放大倍數(shù)的選擇；數(shù)據(jù)處理采用最大、最小函數(shù)得出參數(shù)Ry，由均方差函數(shù)得出Ra。

由于輪廓數(shù)據(jù)曲線可視為是隨機信號，所以測量所得的輪廓數(shù)據(jù)包含著觸針在刃口表面測量行程上有可能獲得的所有數(shù)據(jù)信息。對數(shù)據(jù)的處理可以使用labview軟件中的的信號測量與處理功能模塊。

6 結束語

1）該系統(tǒng)在設計過程中，以PCL-813B為硬件平臺，用labview8.5進行軟件開發(fā)，采集速度可達100KS/s。系統(tǒng)具有良好的擴展性，經(jīng)過對刃口輪廓的實際測試，結果表明，該系統(tǒng)簡單、可靠、方便使用，并且能夠滿足刃口鈍化參數(shù)的基本檢測要求。

2）系統(tǒng)對鈍化尺寸的掌握有很大的幫助，能夠方便準確的實現(xiàn)在刃口鈍化參數(shù)上的檢測，促進鈍化尺寸控制的進一步研究，使刀具鈍化技術提高一個新水平。

[1] 楊振祥.硬質(zhì)合金可轉位刀片刃口鈍化方法及刃口圓弧半徑的測量[J].工具技術, 1990(10).

[2] 劉亞龍, 周亮, 姚奇.二維表面輪廓測量儀測試系統(tǒng)的開發(fā)[J].機械工程師, 2009(3):107-110.

[3] 張慧君,過馨葆.螺旋線刃口的測量及數(shù)據(jù)處理[J].上海計量測試, 2001(2): 20.

[4] 唐文彥, 張軍,李慧鵬.觸針法測量表面粗糙度的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].機械工藝師, 2000(11): 40-42

[5] 高天國.便攜式表面粗糙度輪廓儀傳感器及測量系統(tǒng)設計[J].工具技術, 2009(5): 117-120.

[6] 祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[7] 車仁生.微型機原理及其在精密儀器中的應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1987.

[8] 張軍峰, 王燕燕.基于PCL-816和LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 機械設計與制造, 2007(7): 64-66.