CN103170878A - 一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，属于微细制造领域。其特征在于：微细铣刀装夹在高速主轴的刀具夹头里，在主轴和工件之间建立一个闭环电路，采用专门设计的传感器来探测刀具进给过程中的环路的突变电压，用电压比较器将测量值转换成数字信号，并传送到机床的PLC控制器，PLC控制器记录刀具和工件接触点的坐标，设置加工位置的起点。本发明的检测方法可以避免刀具跳动和主轴热膨胀等误差对刀具定位造成的影响，能够在线实现亚微米级的定位精度，同时该检测方法所需设备简单，成本低，实施方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，属于微细制造领域。
背景技术
微细铣削加工技术采用的刀具尺寸很小，一般是长度范围在10mm-100mm 之间，直径在0.01mm-0.5mm之间，因微细铣削具有可加工复杂三维形状和精确的几何误差控制等优点而在微细制造技术中具有独特的优势，但是由于刀具直径的减小，加工过程中微细铣刀与工件不易准确定位，严重影响微细铣削的加工精度，如何精确定位微细铣刀与工件已经成为微细铣削技术无法普及于工业应用的重大瓶颈之一。
Otieno和Pedapati等人采用机器视觉技术来检测刀具-工件的接触（Imaging and Wear Analysis of Micro-tools Using Machine Vision），但是这种技术需要极高倍率的相机，检测成本过高。Kumar和Singh等人基于激光技术来检测微细铣刀-工件的接触（A Preliminary Investigation of the Laser Assisted Micromilling Process），但是只能达到50μm的精度，定位精度过低。而目前常用的接触式刀具定位技术，这种方式的定位精度取决于探针的分辨率，定位系统灵敏度低，而且容易受到主轴热膨胀的影响，容易因定位不准确而使微细铣刀破损或折断。从上面的分析可以看出，目前已见诸文献的铣削过程中微细铣刀与工件定位的检测方法，存在种种难以克服的缺陷，所以急迫需要开发一种新型、实用、通用的微细铣刀与工件接触的检测方法。
发明内容
为解决微细铣削加工中微细刀具与工件接触难以精确定位的难题，本发明目的在于一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法。
为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的技术方案是：
基于电压信号的变化来检测微细铣刀与工件是否接触，建立闭环电路，刀具向工件进给，探测刀具进给过程中的环路的突变电压，控制器记录刀具和工件接触点的坐标。该发明的检测技术定位精度高，取代传统刀具定位技术过于依赖人工、费时且无法在线检测、适用性差等缺点，以保证微细铣削的加工精度。
更进一步，所述测量方法的微细铣刀装夹在高速主轴的刀具夹头里，在主轴和工件之间建立一个闭环电路；
更进一步，所述测量方法的专用传感器两端分别与主轴和PLC控制器相连接，工件与PLC控制器相连接；
更进一步，所述测量方法采用刀具向工件进给，使用专用传感器探测刀具进给过程中的环路的突变电压;
更进一步，所述测量方法用电压比较器将测量值转换成数字信号，并传送到机床的PLC控制器，PLC控制器记录刀具和工件接触点的坐标，设置加工位置的起点。
本发明的主要优点是：
1、检测精度高，能够实现亚微米级的检测精度；
2、可以在线检测刀具-工件的接触，更符合实际加工工况；
3、减小刀具跳动和机床主轴热膨胀引起的误差；
4、定位速度快，节省机床的配置时间；
5、对各种刀具-工件材料的组合均适用，如果工件为非导电材料，只需要在工件表面覆盖一层金属薄膜，薄膜的厚度预先量好；
6、适用范围广，微细铣削、微细钻削等切削加工均可采用此检测方法；
7、该测量方法成本低，设备简单，实施方便，应用前景广阔；
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为微细铣刀与工件定位检测装置结构示意图。
图中标号名称：1、主轴；2、刀具夹头；3、微细铣刀；4、工件；5、X、Y工作台；6、PLC控制器；7、传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，基于电压信号的变化来检测微细铣刀与工件是否接触。
1、检测试验在自行研制的小型三坐标微细铣削机床上进行，X、Y、Z轴均采用无刷无槽直线伺服电机平台驱动，并集成RENISHAW公司分辨率为0.1μm的直线光栅编码测量系统，可实现伺服电机闭环反馈控制；空气静压电主轴的最高转速为120,000rpm；工件材料为黄铜，刀具为铣削直径0.1mm的硬质合金二刃平头立铣刀。
2、微细铣刀装夹在高速主轴的刀具夹头里，专用传感器两端分别与主轴和PLC控制器相连接，工件与PLC控制器相连接，在主轴和工件之间建立一个闭环电路。
3、主轴首先进行预热，在35000rpm的转速下预热5分钟，达到自身热平衡。
4、机床控制刀具向工件进给，进给速度为2000mm/min，在快要到达工件表面时，改为步进进给，步长为0.1μm，使用专用传感器探测刀具进给过程中的环路的突变电压。
5、用电压比较器将测量值转换成数字信号，并传送到机床的PLC控制器，PLC控制器记录刀具和工件接触点的坐标，设置加工位置的起点。
6、采用白光干涉仪对刀具进入工件的超调量进行检测，测量值为0.5μm，达到了亚微米的检测精度。
Claims (5)
1. 一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，其特征在于：基于电压信号的变化来检测微细铣刀与工件是否接触，建立闭环电路，刀具向工件进给，探测刀具进给过程中的环路的突变电压，控制器记录刀具和工件接触点的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，其特征在于：微细铣刀装夹在高速主轴的刀具夹头里，在主轴和工件之间建立一个闭环电路。
3.根据权利要求2所述的一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，其特征在于：专用传感器两端分别与主轴和PLC控制器相连接，工件与PLC控制器相连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型的微细铣刀与工件在线定位的方法，其特征在于：刀具向工件进给，使用专用传感器探测刀具进给过程中的环路的突变电压。
5.根据权利要求1所述的一种铣削过程中微细铣刀与工件接触精确检测的方法，其特征在于：用电压比较器将测量值转换成数字信号，并传送到机床的PLC控制器，PLC控制器记录刀具和工件接触点的坐标，设置加工位置的起点。
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