激光衍射對(duì)刀裝置的開發(fā)與應(yīng)用

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 103322）

0 引言

在超精密加工領(lǐng)域，與超精密車削等先通過試切加工確定工件表面基準(zhǔn)后再進(jìn)行精加工的方式不同，一些要求在工件原始表面進(jìn)行加工的方式如在毛坯鍍膜表面進(jìn)行的衍射光柵機(jī)械刻劃成形加工等，往往要求落刀加工前準(zhǔn)確掌握刀尖相對(duì)于工件原始表面的準(zhǔn)確間距進(jìn)而確定落刀深度。然而，對(duì)刀間距的檢測(cè)精度直接影響超精密加工的最終精度[1]。由于激光遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的方法透過微小間隔時(shí)可以產(chǎn)生細(xì)分的衍射現(xiàn)象，具有非接觸式、精度高、在位等特點(diǎn)，所以激光衍射測(cè)量技術(shù)逐漸發(fā)展起來[2,3]。而目前將該方法應(yīng)用在加工對(duì)刀間距測(cè)量領(lǐng)域也成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者的一個(gè)新方向[1,4]，但研究?jī)?nèi)容尚處于原理分析方面，相關(guān)工程應(yīng)用仍未見報(bào)道。

在相關(guān)原理和工藝影響因素研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了激光衍射對(duì)刀裝置樣機(jī)，并通過在機(jī)械刻劃工藝試驗(yàn)裝置[5]上的對(duì)刀間距檢測(cè)，分析了相關(guān)結(jié)果，探討了相關(guān)裝置工程應(yīng)用的可行性，為該裝置儀器化技術(shù)的成熟與完善奠定基礎(chǔ)。

1 激光衍射對(duì)刀原理

根據(jù)激光衍射原理，當(dāng)入射激光束通過金剛石刀具刃口與工件邊沿刀口之間的狹縫時(shí)，在特定間距條件下就會(huì)產(chǎn)生衍射條紋[1]。衍射條紋的形狀大小與狹縫的形狀大小有關(guān)[4]。用面陣CCD作為視覺傳感器捕捉衍射條紋，并且圖像視覺信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析得到對(duì)刀間距。激光衍射對(duì)刀裝置原理圖如圖1所示。為了更加清晰的闡明激光衍射對(duì)刀裝置的工作過程，繪制工作流程圖如圖2所示。其中縮束器和傅里葉透鏡等光學(xué)組件可根據(jù)實(shí)際情況選用。

圖1 激光衍射對(duì)刀原理

圖2 激光衍射對(duì)刀裝置工作流程圖

刀具相對(duì)于工件刀口之間的縱向間距為有效對(duì)刀間距，則所得圖像的縱向衍射條紋光強(qiáng)峰值點(diǎn)間距便成為對(duì)刀間距的判別依據(jù)。為了檢測(cè)衍射條紋光強(qiáng)峰值點(diǎn)所在CCD像元的位置，將捕捉到的衍射條紋圖片經(jīng)MATLAB初步處理后的圖片進(jìn)行光強(qiáng)峰值點(diǎn)行求和，得到一列數(shù)組。通過分析數(shù)組，確定光強(qiáng)峰值點(diǎn)所在CCD像元的具體位置。

2 激光衍射對(duì)刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成

根據(jù)激光衍射對(duì)刀原理，所設(shè)計(jì)的激光衍射對(duì)刀裝置主要由底座升降機(jī)構(gòu)、底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、光軸偏轉(zhuǎn)臺(tái)、連接支架、CCD及位置調(diào)整組件、激光二極管及位置調(diào)整組件、狹縫可調(diào)組件等組成，如圖3所示。具體到各個(gè)部分的組成如下所述。底座的升降和回轉(zhuǎn)功能可以適應(yīng)加工工件不同高度、不同方位的應(yīng)用要求。光軸偏轉(zhuǎn)臺(tái)連接于底座升降機(jī)構(gòu)和連接支架，用于對(duì)激光束相對(duì)對(duì)刀狹逢形成刀口衍射效應(yīng)并便于檢測(cè)。激光二極管發(fā)出的激光束經(jīng)過狹縫可調(diào)組件可以變成線光源，并與對(duì)刀狹縫形成垂直關(guān)系，形成二維衍射條紋。產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條紋信息被匯聚并由CCD捕捉采集，最后經(jīng)由計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，求得準(zhǔn)確對(duì)刀間距數(shù)值。其中CCD及位置調(diào)整組件和激光二極管及位置調(diào)整組件可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行位置互換，相對(duì)光軸方向的間距通過相互位置調(diào)整組件可調(diào)。

圖3 激光衍射對(duì)刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3 激光衍射對(duì)刀裝置及對(duì)刀實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過加工、采購(gòu)、裝調(diào)和測(cè)試，搭建激光衍射對(duì)刀裝置，并將其應(yīng)用的衍射光柵機(jī)械刻劃工藝試驗(yàn)裝置的對(duì)刀間距檢測(cè)過程中，如圖4所示。其中，激光器為氦氖激光器，波長(zhǎng)λ為632.8nm；CCD相機(jī)的相元尺寸為2.2μm×2.2μm，像元間隔為0.97μm，相元中心距3.17μm；f=40mm。實(shí)驗(yàn)中的激光衍射對(duì)刀實(shí)驗(yàn)圖片如圖5所示，其中縱向條紋可以用來評(píng)價(jià)對(duì)刀間距。

圖4 激光衍射對(duì)刀裝置及其應(yīng)用

圖5 激光衍射對(duì)刀裝置應(yīng)用的衍射條紋檢測(cè)結(jié)果

在激光衍射對(duì)刀時(shí)，由于環(huán)境噪聲的存在，二級(jí)及以后的次極大含有很大噪聲。為了提高對(duì)刀的測(cè)量精度，將衍射條紋一級(jí)次極大峰值點(diǎn)之間的距離作為對(duì)刀間距的檢測(cè)依據(jù)。利用機(jī)械刻劃工藝試驗(yàn)裝置的工作臺(tái)每次上升約4.5μm（步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)）的情況下，對(duì)CCD捕捉的圖片進(jìn)行灰度化、濾波[6]等處理并計(jì)算后得到a-k不同幅圖像所對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中可以看出，激光衍射對(duì)刀裝置能夠有效檢測(cè)對(duì)刀間距。如果該數(shù)值足夠精確就可以反饋到工件載物臺(tái)的豎直升降裝置進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，但是檢測(cè)精度還要受制于結(jié)構(gòu)裝調(diào)工藝、關(guān)鍵器件性能、圖像處理等因素的影響，提高這些軟、硬件的性能可以提高對(duì)刀間距的測(cè)量精度，并以此為基礎(chǔ)開展相關(guān)標(biāo)定技術(shù)是必要的。需要指出的是，相關(guān)工藝因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響規(guī)律和檢測(cè)精度分析仍在研究當(dāng)中。

4 結(jié)論

根據(jù)激光衍射對(duì)刀原理設(shè)計(jì)了激光衍射對(duì)刀裝置的結(jié)構(gòu)方案，并經(jīng)過開發(fā)將其應(yīng)用到了衍射光柵機(jī)械刻劃過程中的對(duì)刀間距測(cè)量領(lǐng)域。該裝置方位、姿態(tài)、高度等自由度可以靈活調(diào)節(jié)，激光器與CCD之間距離可調(diào)，應(yīng)用十分靈活。經(jīng)過一系列對(duì)刀試驗(yàn)，獲得了有效的激光衍射條紋特征。通過對(duì)縱向條紋一級(jí)光強(qiáng)峰值點(diǎn)間距的計(jì)算和對(duì)比分析，驗(yàn)證了所開發(fā)的激光衍射對(duì)刀裝置的可行性和有效性，為相關(guān)儀器化完善奠定了研究基礎(chǔ)。后續(xù)將根據(jù)工藝參數(shù)的影響規(guī)律來開展研究，并最終提高該裝置在對(duì)刀間距檢測(cè)方面的精度。

表1 激光衍射對(duì)刀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

[1]Panart Kha,Keiichi Kimura,Yasuhiro Takaya,et al. High Precision Tool Cutting Edge Monitoring Using Laser Diffraction for On-Machine Measurement[J].Automation Technology,2012,6(2):163-164.

[2]Ibrahim Serroukh. Evaluation of the Wire Diameter Obtained by Conventional Laser Diffraction Technique using on Interferometric Method[J].Wire Journal International.2000,(3):116-120.

[3]崔建文.激光衍射法細(xì)圓柱體直徑測(cè)量技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[4]Shi G, Liu J, Yu Z, et al. Laser diffraction application on detection technology of online tool setting[A].2015 International Conference on Optoelectronics and Microelectronics(ICOM)[C],IEEE,2015:62-64.

[5]Shi G F, Zhou Y D, Zhang X X, et al. A New Test Device for Mechanical Ruling Process of Aluminum Grating[A].Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications[C],2014,644:916-919.

[5]黃薇薇.圖像處理在刀具參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].中北大學(xué),2009.