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专利号: 2017100097566
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 机床;其他类目中不包括的金属加工
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置,其特征在于,包括高倍率工业相机(1)、光源(2)、高速电主轴(3)、刀柄(4)、微径铣刀(5)、微型音叉(6)、微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)、机床安装定位模块(9)、安装基体(10)、计算机主控单元(11)、图像处理单元(12)、主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)、音叉谐振状态控制及检测单元(14)、纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)、微细铣削机床CNC数控系统(16);

所述微径铣刀(5)通过刀柄(4)同轴固定在微细铣削机床的高速电主轴(3)上,所述安装基体(10)固定在机床安装定位模块(9)上,所述三自由度纳米直线位移平台(8)固定在安装基体(10)上,所述微型高精度旋转平台(7)安装在三自由度纳米直线位移平台(8)上,所述微型音叉(6)固定在微型高精度旋转平台(7)上,两音叉臂外端面关于旋转平台的回转轴线对称,所述高倍率工业相机(1)通过连接件安装在安装基体(10)上,所述高倍率工业相机(1)的光轴和微型高精度旋转平台(7)的回转轴线重合,并与微型音叉(6)的音叉臂外端面平行,所述光源(2)同轴安装在高倍率工业相机(1)的镜头前端;

所述音叉谐振状态控制及检测单元(14)分别与微型音叉(6)和计算机主控单元(11)电连接,对微型音叉(6)激励及采集谐振状态,并将采集数据传递给计算机主控单元(11);所述纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)分别与微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)和计算机主控单元(11)电连接;所述高倍率工业相机(1)通过图像处理单元(12)和计算机主控单元(11)连接,所述微细铣削机床CNC数控系统(16)通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)和计算机主控单元(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置,其特征在于,所述微型高精度旋转平台(7)为微型直流电机驱动平台,所述三自由度纳米直线位移平台(8)定位精度为100-200微米。

3.基于权利要求1所述的一种微径铣刀主动探测式高精度对刀装置的对刀方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤一:计算机主控单元(11)通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)向微细铣削机床CNC数控系统(16)发送指令控制微细铣削机床运动,同时通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制微型高精度旋转平台(7)、三自由度纳米直线位移平台(8)运动,使微径铣刀(5)和微型音叉(6)处于高倍率工业相机(1)视场内;

步骤二:打开光源(2)使其发出的光照射到微径铣刀(5)和微型音叉(6)的外表面,对高倍率工业相机(1)水平和竖直方向的像素进行标定,确定一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离;

步骤三:计算机主控单元(11)和图像处理单元(12)通过高倍率工业相机(1)实时采集并显示微径铣刀(5)和微型音叉(6)的图像,图像处理单元(12)对采集的图像进行处理和量化,重复步骤一,直到微径铣刀(5)外轮廓与微型音叉(6)外端面呈现清晰的图像;

步骤四:计算机主控单元(11)通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制微型高精度旋转平台(7)转动,使微型音叉(6)的音叉臂调整到水平方向,通过图像处理单元(12)提取微型音叉(6)的音叉臂最上端表面边界并在实时显示的图像中进行标定;

步骤五:根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤四中获得的微型音叉(6)的音叉臂最上端表面边界在实时显示的图像中的标定位置得到微型音叉(6)的音叉臂最上端表面边界与微径铣刀(5)最下端轮廓的距离;根据该距离设定微径铣刀(5)向微型音叉(6)靠近后二者之间的最小距离;

步骤六:开启音叉谐振状态控制及检测单元(14),对微型音叉(6)进行励振并实时检测音叉谐振状态;

步骤七:计算机主控单元(11)通过微细铣削机床CNC数控系统(16)控制微细铣削机床Z进给轴运动,使微径铣刀(5)靠近微型音叉(6)最上端表面直到二者之间的距离达到步骤五中获得的最小距离,计算机主控单元(11)通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制三自由度纳米直线位移平台(8)进行Z向移动,直至微型音叉(6)的谐振频率发生变化,通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台(8)Z向移动的距离即为微径铣刀(5)端面与微型音叉(6)最上端表面的精确距离;

步骤八:使用装夹长度已标定的检棒替换微径铣刀(5),重复步骤五中的操作对微型音叉(6)的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置进行标定;

步骤九:根据步骤七中获得的微径铣刀(5)端面与微型音叉(6)最上端表面的精确距离S以及步骤八中获得的微型音叉(6)的最上端表面在机床坐标系中的Z向位置Oz通过公式(一)计算出微径铣刀(5)的精确装夹长度值L,L=S+Oz (一);

步骤十:计算机主控单元(11)通过纳米位移平台及微型旋转平台运动控制单元(15)控制微型高精度旋转平台(7)转动,使微型音叉(6)的音叉臂处于竖直方向;

步骤十一:通过微细铣削机床CNC数控系统(16)控制高速电主轴(3)反向旋转,并通过高倍率工业相机(1)提取微型音叉(6)在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀(5)外轮廓;

步骤十二:根据步骤二中获得的一个像素在机床进给轴Y、Z向的实际距离以及步骤十一中获得的微型音叉(6)在微细铣削机床坐标系Y轴正向最外端表面边界以及微径铣刀(5)外轮廓得到微型音叉(6)的音叉臂Y轴正向最外端表面边界与微径铣刀(5)外轮廓的距离;

根据该距离设定微径铣刀(5)向微型音叉(6)靠近后二者之间的最小距离;

步骤十三:控制微细铣削机床Y进给轴运动,直至微径铣刀(5)与微型音叉(6)最外端表面的距离达到步骤十二中获得的最小距离;

步骤十四:通过纳米位移平台及微型旋转平台控制三自由度纳米直线位移平台(8)进行机床坐标系Y向移动,直至微型音叉(6)的谐振频率发生变化,通过纳米位移平台及微型旋转平台测得三自由度纳米直线位移平台(8)Y向移动的距离即为微径铣刀(5)外轮廓与微型音叉(6)最外端表面的精确距离;

步骤十五:使用标定直径的检棒替换微径铣刀(5),重复步骤十至步骤十四中的操作对微型音叉(6)在机床坐标系Y向位置进行标定;

步骤十六:根据步骤十四中获得的微径铣刀(5)外轮廓与微型音叉(6)最外端表面的精确距离S'以及步骤十五中获得的微型音叉(6)的最外端表面在机床坐标系中的Y向位置Oy通过公式(二)计算出微径铣刀(5)的精确直径值D,D=S'-Oy  (二);

步骤十七:计算机主控单元(11)将测得的微径铣刀(5)的装夹长度值以及直径值通过主控计算机与CNC系统数据交互单元(13)下载到微细铣削机床CNC数控系统(16)的刀具偏置列表中,实现微径铣刀(5)的高精度对刀。

4.根据权利要求3所述的对刀方法,其特征在于,所述微型高精度旋转平台(7)为微型直流电机驱动平台,所述三自由度纳米直线位移平台(8)定位精度为100-200微米。