基于CCD傳感器的超精密車床光學精確對刀及其應用**

宋穎慧 劉有海 張 敏 戴曉靜 陽 紅 陳東生

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

超精密加工領域中，零件的尺寸誤差在亞微米級，表面粗糙度達到納米級，因此為了減小工件尺寸誤差、提高工件面形精度，精確對刀和刀尖曲率半徑的精密測量就十分重要[1-4]。

超精密車床使用單點金剛石刀具加工超光滑平面、球面的光學零件時，如圖1所示，當刀具在高度(y)方向沒有達到主軸旋轉定位中心時，即Δy>0，工件中心殘留一小段圓柱；當刀具在高度(y)方向上超過定位中心時，即Δy<0，工件中心殘留小圓錐；當刀具在水平方向(x)上沒有達到主軸旋轉定位中心時，即Δx>0，此時實際的切削量小于理想的切削量，導致工件欠切；當刀具在水平方向(x)上超過主軸旋轉定位中心時，即Δx<0，此時實際的切削量大于理想的切削量，導致工件過切。此外刀具本身的刀尖曲率半徑的測量誤差ΔR(測量得到的刀具半徑-實際的刀具半徑)也會直接影響工件的面形精度和尺寸精度，若測量誤差ΔR>0，會導致實際工件加工半徑偏大；若測量誤差ΔR<0，會導致實際工件加工半徑偏小。

傳統的對刀大多采用試切法，即對每一把刀具都進行試切、工件尺寸測量、計算、輸入補償值等操作。不僅對操作人員技術水平要求高，而且每次更換刀具后還要反復上述操作，人為帶來的隨機性誤差大、安全性差、占用機時較多，不利于發揮超精密車床的功能[5-8]。而且目前國內的對刀裝置大都采用帶傳感器的半自動對刀裝置，其存在誤差大、對刀精度不高及操作復雜等技術缺陷。

文獻[2]中指出LVDT對刀裝置在水平方向和刀尖半徑R的測量誤差一般在0.02 mm以上，難以滿足超精密加工工件面形精度和尺寸精度的技術要求，提出的采用加工小直徑球面對刀件精準對刀方法能夠達到較好的加工效果，但是需要通過多次切削和面形測量才能確定實際刀尖半徑的補償值，過程繁瑣、效率較低。

為了減少對刀誤差對加工精度的影響，保證超精密車床高效、高精度的發揮效能，設計一種對刀精度高、操作簡單的快速對刀裝置有著極其重要的工程實用性。

1 對刀裝置設計

本文中設計了一種基于CCD傳感器的光學對刀裝置，并輔以機械式LVDT對刀裝置進行粗對中心高，從而實現光學對刀裝置的快速對焦，并通過數字圖像處理技術實現刀尖在水平面(XZ平面)內的精確定位，以及刀尖圓弧半徑的精確測量。

1.1 機械式LVDT對刀裝置

機械式對刀裝置由定位V型塊、高度限位塊以及測量傳感器組成，如圖2所示。

定位V型塊和高度限位塊固定在主軸上，測量時該組件的活動部分直接懸掛在定位V型塊和高度限位塊上，定位V型塊決定該組件的中心位置，高度限位塊決定該組件的高度。采用V型塊+平面的定位方式實現高精度重復定位，利用LVDT位移傳感器實現亞微米量級位移測量，LVDT傳感器接觸力<0.5 N，刀具中心高調整范圍為±5 mm。

1.2 光學對刀裝置

光學對刀裝置由標準的3R基準夾具、高精度光學鏡頭以及相應的基座組成。裝置如圖3所示。

利用3R基準夾具成熟的高精度重復定位技術，以減小因重復定位誤差帶來的對刀誤差。光學鏡頭部分采用高低倍復合光路顯微鏡，前端同軸照明方式。其中，高倍鏡視場范圍為0.5 mm×0.5 mm，放大倍數為20倍。

2 精確對刀實現

在工程實際應用過程中，為了達到光學對刀裝置的高精度要求，對光學對刀系統進行參數標定尤為重要，直接決定了系統對刀質量[9-12]。

本文中對刀系統參數的標定主要包括兩個方面，首先通過對基于CCD傳感器的視覺檢測系統的標定實驗，得到圖像尺寸和物體實際尺寸之間轉換的標定系數k，k=Ld/Lp，其中Ld為實物上兩點實際距離，Lp為圖像之中兩點間像素點數，實現將以像素為單位數據轉換為空間中以毫米為單位的尺寸，為刀具圖像的測量處理奠定基礎。

然后通過安裝校準實驗確定基于CCD傳感器的視覺檢測系統與機床坐標系之間的相對位置關系，最終通過坐標變換得到刀具的最終對心坐標。

2.1 光學對刀裝置參數標定

采用顯微鏡頭對機床光柵進行觀測成像，如圖4a所示。由于光柵周期已知為20 μm，計算出CCD上一個周期的像素數即可得到像素等效當量。

為使得周期計算更加準確，對圖4a截面進行頻譜分析，找到主要基頻成分為18 Hz，如圖4b所示，即得到周期。采用本文設計的光學對刀裝置，通過此方法計算得到的標定系數為k=0.000 175 8 mm/pixel，其中pixel為像素點。

完成相機像素分辨率參數標定后，采用CCD相機提取刀尖圖像，經過圖像處理方法去除圖像噪聲,進行刀尖圖像自動閾值分割、刀頭邊緣定位與亞像素提取及圖像參數信息分析，得到被測刀具的參數。

圖5中，所測量刀具標定的圓弧半徑為0.5 mm，通過對刀系統測量刀具實際的圓弧半徑為0.469 3 mm，從圖5b中可以看出刀具右下部存在微小的磨損情況，因此邊界提取結果與圓弧擬合結果存在小的偏差。

對兩把新刀具進行測試試驗，從圖6中可以看出，刀具邊界提取結果與圓弧擬合結果基本一致，保證了測量精度。標定的刀具圓弧半徑分別為0.279 mm、1.038 mm，對刀系統實際測量結果為0.283 mm和1.035 mm，并且對刀具進行多次測試實驗，重復測量誤差小于1 μm，進一步驗證了參數標定的準確性。

2.2 光學對刀裝置安裝校準

光學對刀裝置應用于自研三軸超精密金剛石車床SGDT350進行測試，光學對刀裝置安裝于主軸上側，通過對3R基準夾具的基座調平保證光學對刀裝置安裝后的垂直度，從而保證對刀圖像的采集質量，如圖7所示。

由圖7機床布局可知，刀具安裝于Z軸上，刀具固定好后，在XOZ平面內刀尖位置的X軸方向坐標固定不變，對刀過程即確定該坐標xMCS-OK。光學對刀裝置安裝好，選定鏡頭坐標系零點后，其與主軸定位中心相對位置會保持不變，考慮到安裝誤差，在X軸方向存在固定的偏置量Δx。

由于光學對刀裝置跟隨X軸運動，移動X軸將刀具納入對刀裝置視場內，此時X軸當前測量坐標定義為xMCS-NOW，與之相對應的刀具中心點在鏡頭坐標系中X軸方向的分量為xOPT，如圖8所示。

即可根據下述表達式確定對刀中心點X方向坐標。

xMCS-OK=xMCS-NOW+xOPT+Δx

(1)

從上述變換過程中可知，xMCS-OK在刀具安裝好后及固定不變。而且多次變換刀具在鏡頭視場中的位置后，所測得的xMCS-NOW、xOPT值隨之變化，根據式(1)坐標變換，多次測量結果滿足：

xMCS-OK=xMCS-NOW1+xOPT1+Δx

=xMCS-NOW2+xOPT2+Δx

=…

=xMCS-NOWn+xOPTn+Δx

(2)

校準實驗過程中，首先采用試切小直徑圓柱平面件法，經過反復多次切削加工、測量、標定試驗，記錄平面中心點無凸臺時的X軸坐標，確定為對刀的xMCS-OK坐標值。然后根據公式(2)進行多次對刀系統校準試驗，見表1，得到偏置補償值Δx=0.666 9 mm，重復精度達到1 μm。

表1 偏置補償值Δx

校準實驗完成后，刀具X軸方向安裝位置變化后，再進行對刀時，只需通過對刀裝置測得刀具的xOPT值，同時記錄當前的xMCS-NOW值，通過式(1)即可得到刀具的對刀點坐標xMCS-OK，大幅提高對刀速度的同時，保證了對刀精度。

2.3 粗精結合快速精確對刀流程

對刀過程分為粗對刀和精確對刀兩步。粗對刀是利用機械式LVDT對刀裝置進行測試。精確對刀采用基于CCD傳感器的光學對刀裝置進行測試，分別如圖9a、b所示。

首先粗定位刀具的中心高度，將LVDT傳感器測頭置于刀尖上方并與之相接觸，通過刀架上的差動螺紋進給調節刀尖高度，差動螺紋旋轉一周的移動量為0.5 mm，微調可以實現微米級的進給，當調節到達傳感器的零位時(即LVDT對刀界面Axis Y Align值為0，如圖10所示)，刀具高度Y方向粗對刀結束。

中心高粗對刀結束后，切換為光學對刀裝置，將刀具移動到鏡頭視場內，此時刀具基本處于焦距范圍，只需要經過微調，即可實現光學對焦，得到清晰的刀具圖像。

采用CCD傳感器提取到清晰的刀尖圖像后，經過圖像處理方法去除圖像噪聲，進行刀尖圖像自動閾值分割、刀頭邊緣定位與亞像素提取及圖像參數信息分析。最終通過高精度光學對刀測量系統進行坐標變換計算，得到刀具在XOZ平面的對心坐標xMCS-OK、刀尖圓弧半徑R以及包角值，完成對刀步驟，如圖11所示。

3 光學對刀的超精密加工應用

采用自研三軸超精密金剛石車床SGDT350進行對刀及切削實驗，配備一套機械式LVDT對刀裝置，一套光學對刀裝置。SGDT350機床主要技術參數如表2所示。

表2 自研三軸超精密金剛石車床SGDT350

首先進行刀具中心高定位，為了驗證光學對刀中心高定位的準確性，分別采用手動對刀、機械式LVDT對刀、光學對刀開展切削試驗，從圖12中可以看出采用手動對刀中心點存在半徑約10.28 μm的凸臺，采用機械式LVDT對刀時凸臺減小，采用光學對刀后中間無凸臺，說明采用光學對刀裝置后能夠準確地定位刀具中心高。

通過粗精結合測量，調整刀具中心高后，根據對刀步驟2，采用CCD傳感器提取到清晰的刀尖圖像，通過高精度光學對刀測量系統進行坐標變換計算，得到刀具在XOZ平面的對心坐標 、刀尖圓弧半徑R。在此基礎上開展直徑為75 mm、頂部球徑為R=250 mm的凸球面純鋁工件加工實驗驗證，如圖13所示

采用該光學對刀裝置不僅快速測得了所需的對刀參數，同時加工工件的面形精度達到0.24μm，如圖14所示。進一步證明了該對刀裝置的精度以及該方法的有效性。

4 結語

本文提出采用粗精結合的對刀方法，提高超精密切削加工過程中的對刀精度和效率，設計了基于CCD傳感器的光學對刀裝置，通過標定、校準實驗，對刀精度達到1 μm，能夠有效控制對刀誤差。實際加工實驗結果表明，采用該光學對刀裝置加工的凸球面面形精度達到0.24 μm，進一步證明了該方法的有效性。