基于電感傳感器的刀具刃口參數檢測系統

陶志建，張 偉

（大連工業大學 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。經鈍化后的刀具同時能有效提高刀具壽命和切削過程的穩定性。目前國外的刀具產品都是經過良好的鈍化處理，故其性能較佳。因此國內刀具制造企業要使刀具產品具有很好的切削性能，就應該對刀具產品進行合理的鈍化，并加強對刀刃鈍化參數的精密檢測。

在實際生產中，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的測量系統是十分有必要的。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，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。根據麻花鉆刃口鈍化形式的多樣化，可以根據不同的刃口鈍化形式選擇適合的測量。下面就該系統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據擬合出合理的輪廓線，就可以方便的得到這兩個參數。鉆頭鈍化角度幾何參數的示意圖如下：

圖2 鉆頭鈍化角度幾何參數的示意圖

用于檢測工件表面的方法很多，從數據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的分析,而還沒有刀具刃口測量的文獻。本文主要針對系統的幾個重要部分進行闡述。

2 系統的構成及原理

本系統是由軟件控制進行采集檢測信號的。數據采集卡采用較高性能價格比的PCL-813b。該卡具有A/D 、D/A、計時計數等功能。查詢、中斷等采集方式。可根據實際需要分別進行采用。總體上可分為數據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的測量原理。數據采集與處理部分是由電感傳感器、信號處理放大電路板、數據采集卡和計算機組成。數據采集系統結構如圖：

圖3 檢測系統的構成框圖

該測量系統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過調制、放大、濾波等處理就獲得能夠反映刃口表面輪廓的數字信號，然后由軟件系統對數據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出位移信號, 同時對y向電感傳感器傳感器進行數據采樣。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 測量系統結構示意圖

3 評定參數的定義

為了滿足對表面不同的功能要求，國家標準規定的表面輪廓高度特征參數、間距特征參數和形狀特征參數。高度特征參數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 —取樣長度內所測點的數目。

對表面輪廓參數的評定可以使用labview軟件中的的概率與統計、數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，經過單路放大電路，傳遞給數據采集卡，最終進入計算機中。PCL813b數據采集卡是臺灣研華公司推出的一款工業標準的經濟型數據采集卡，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。根據系統的資源占用情況，給PCL-813b分配正確的地址。

在數據采集應用中，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，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，數據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的選擇；數據處理采用最大、最小函數得出參數Ry，由均方差函數得出Ra。

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

6 結束語

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

2）系統對鈍化尺寸的掌握有很大的幫助，能夠方便準確的實現在刃口鈍化參數上的檢測，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的開發[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據處理[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展及現狀[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設計[J].工具技術, 2009(5): 117-120.

[6] 祝常紅.數據采集與處理技術[M].北京:電子工業出版社,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:哈爾濱工業大學出版社, 1987.

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