機(jī)械制造基礎(chǔ)課程刀具測量實(shí)驗(yàn)的信息化探索

華成麗

摘 要：結(jié)合機(jī)電一體化和信息技術(shù)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的不足，設(shè)計(jì)一種適用于機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的新型車刀角度測量實(shí)驗(yàn)儀器，并配套基礎(chǔ)分析軟件，對刀具

工作部分幾何參數(shù)進(jìn)行方便的數(shù)字化采集，利用軟件進(jìn)行刀具的三維建模和靜態(tài)角度計(jì)算，有效提高刀具測量效率和精度，可輔助繪制刀具角度剖面圖。成果目前已在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)基地加以實(shí)踐，教學(xué)效果較好。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù) 刀具測量 實(shí)驗(yàn)儀器 分析軟件

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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 傳統(tǒng)刀具測量實(shí)驗(yàn)儀器存在的問題

早期的機(jī)械制造課程體系很大程度上參考國外內(nèi)容，部分教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容沿用至今。以車刀角度測量實(shí)驗(yàn)為例，在我國各高校和職業(yè)技術(shù)學(xué)校使用較為廣泛的是JGQ-2型萬能車刀量角臺，其原始雛形由國外工廠設(shè)計(jì)，后經(jīng)國內(nèi)相關(guān)高校改進(jìn)設(shè)計(jì)成JGQ-2型萬能量角臺[1]。隨后，各高校機(jī)械基礎(chǔ)教研室進(jìn)一步對量角臺進(jìn)行了小范圍改進(jìn)，但基本原理和結(jié)構(gòu)不變。

這種傳統(tǒng)的量角臺能夠完成所有參考系下的主要刀具角度測量，但是每測量一個(gè)角度，都需要相應(yīng)精確調(diào)整刀具位置，步驟較為繁瑣；且只能進(jìn)行單一刀具角度測量，無法采集刀具幾何數(shù)據(jù)，要對刀具進(jìn)行幾何建模則需要昂貴的專業(yè)儀器，如德國ZOLLER刀具檢測儀器（采用CCD相機(jī)和圖像分析處理技術(shù)測量）；另外，在不同參考系的角度轉(zhuǎn)換的場合，需要采用專用公式計(jì)算，或者讀專用諾模圖校核，使用不便[2]。

由于上述問題，在刀具角度測量實(shí)驗(yàn)中，測量儀器操作繁瑣，步驟較多，學(xué)生還是容易對角度產(chǎn)生混淆，且易遺忘，加之學(xué)生的制圖基礎(chǔ)相對較差，測量完成后仍然不會繪制刀具靜態(tài)角度圖。

2 新型車刀測量儀器及軟件

為了克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的不足，在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)了一種新型車刀角度測量儀器及配套軟件，其基本機(jī)構(gòu)如圖1所示，配套軟件輸入界面如圖2所示。

2.1 新型車刀角度測量儀的測量原理

該測量儀是受我國漢代“渾天儀”的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，仿照渾天儀的球面坐標(biāo)測量原理，設(shè)計(jì)而成。主要測量構(gòu)件由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和測量桿組成，內(nèi)、外環(huán)切掉了部分圓弧防止與刀桿干涉。將被測刀具裝夾在可調(diào)刀具支架上，對刀具位置進(jìn)行水平、豎直微調(diào)，使刀頭基本處于在測量儀的球面中心；測量桿起到窺管的作用，用測量桿的前端平面與刀具前面，后面，副后面分別貼合，桿與這3個(gè)工作面分別垂直，通過讀取刻度盤上的內(nèi)、外環(huán)的轉(zhuǎn)動角度和測量桿的伸長量，可以得到各工作面的法向量和位置參數(shù)。

只需測量3個(gè)刀面，即可得到刀具的工作參數(shù)，利用軟件可算得刀具的所有參考系下角度，操作簡單快捷，并可開發(fā)軟件繪制剖面圖，輔助學(xué)生理解。該測量儀可測量教學(xué)中使用的常見車刀，以及由車刀演變而來的刨刀、鏜刀等，基本涵蓋原教學(xué)測量臺的功能范圍。

2.2 測量儀的軟件設(shè)計(jì)

將采集到的刀具工作面幾何參數(shù)，輸入軟件進(jìn)行刀具的三維建模和靜態(tài)角度計(jì)算。車刀靜態(tài)測量軟件選用開放源碼的全功能的跨平臺C/C++集成開發(fā)環(huán)境Codeblocks進(jìn)行開發(fā)，軟件界面的搭建選用開源的跨平臺的C++構(gòu)架庫wxWidgets，三維建模和繪圖程序采用C++Builder作為開發(fā)界面，開發(fā)語言均選用C++進(jìn)行編寫。由于采集的刀具工作面數(shù)據(jù)均為右手球坐標(biāo)系中的向量參數(shù)，通過向量運(yùn)算，可以得到刀具在3個(gè)參考系下的18個(gè)靜態(tài)角度，并自動標(biāo)定正負(fù)。還可以根據(jù)測量的刀頭工作面三維參數(shù)，進(jìn)一步增加軟件功能，自動剖切平面，繪制靜態(tài)角度圖，以輔助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，加深學(xué)生的理解。該部分功能仍在開發(fā)中。

2.3 刀具工作面向量的坐標(biāo)推導(dǎo)

如圖3，設(shè)右手坐標(biāo)系中，平面、平面中逆時(shí)針轉(zhuǎn)動為正方向，初始向量球坐標(biāo)表示為，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，寫成矩陣形式。

得被測量刀面法向量。

得到3個(gè)工作面的向量坐標(biāo)后，通過程序進(jìn)行向量運(yùn)算得到各參考系下的刀具角度[4]。

2.4 采用機(jī)電一體化技術(shù)提高測量精度

儀器的數(shù)據(jù)讀取，除可以采用圖1中的機(jī)械刻度盤外，還可以采用光電傳感器，提高測量精度。可采用絕對式光電編碼器測量轉(zhuǎn)角和位移，并利用51單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算，將轉(zhuǎn)角在數(shù)碼管顯示屏上串行顯示，方便讀數(shù)，并且利用ADXL345數(shù)據(jù)接口輸入計(jì)算機(jī)，在配套軟件中進(jìn)行計(jì)算和繪圖，更加方便使用。對光電傳感器下的新型測量儀精度進(jìn)行驗(yàn)證，并與JGQ-2型測量儀進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。通過正交平面參考系的靜態(tài)角度驗(yàn)證，新型測量儀精度基本滿足教學(xué)使用。

通過以上的技術(shù)創(chuàng)新，新型測量儀具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積只有普通測量臺的1/3，且構(gòu)件加工簡單，機(jī)械刻度測量儀批量制作成本不高，很節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)。

（2）能夠采集刀頭工作面三維參數(shù)，有潛力擴(kuò)展軟件功能，繪制靜態(tài)角度圖，有效輔助教學(xué)。

（3）測量操作簡單，速度快，具有光電傳感器和接口的測量儀，只需一分鐘左右就能完成測量，輸出所有角度參數(shù)。

（4）結(jié)合光電傳感器能夠提高儀器精度，且不大幅增加成本，基本滿足教學(xué)使用。

3 結(jié)語

該文結(jié)合課堂教學(xué)和刀具測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂環(huán)境，研制了一種新型刀具角度測量儀，并初步開發(fā)了配套軟件，能夠?qū)Φ毒吖ぷ鞑糠謳缀螀?shù)進(jìn)行方便的數(shù)字化采集；利用軟件建模和計(jì)算所有靜態(tài)角度，有效提高刀具測量效率和精度。目前已在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)基地加以實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓永杰，佟永祥.多功能車刀幾何角度測量儀的研制[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2011（1）：47-50.

[2] 王萬新.車刀角度測量的數(shù)字顯示研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015（2）：83-85.

[3] 吳序堂.齒輪嚙合原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社， 2009.

[4] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.工程數(shù)學(xué)線性代數(shù)[M].5版.北京：高等教育出版社，2007.