基于CCD传感器的超精密车床光学精确对刀及其应用**

宋颖慧 刘有海 张 敏 戴晓静 阳 红 陈东生

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

超精密加工领域中，零件的尺寸误差在亚微米级，表面粗糙度达到纳米级，因此为了减小工件尺寸误差、提高工件面形精度，精确对刀和刀尖曲率半径的精密测量就十分重要[1-4]。

超精密车床使用单点金刚石刀具加工超光滑平面、球面的光学零件时，如图1所示，当刀具在高度(y)方向没有达到主轴旋转定位中心时，即Δy>0，工件中心残留一小段圆柱；当刀具在高度(y)方向上超过定位中心时，即Δy<0，工件中心残留小圆锥；当刀具在水平方向(x)上没有达到主轴旋转定位中心时，即Δx>0，此时实际的切削量小于理想的切削量，导致工件欠切；当刀具在水平方向(x)上超过主轴旋转定位中心时，即Δx<0，此时实际的切削量大于理想的切削量，导致工件过切。此外刀具本身的刀尖曲率半径的测量误差ΔR(测量得到的刀具半径-实际的刀具半径)也会直接影响工件的面形精度和尺寸精度，若测量误差ΔR>0，会导致实际工件加工半径偏大；若测量误差ΔR<0，会导致实际工件加工半径偏小。

传统的对刀大多采用试切法，即对每一把刀具都进行试切、工件尺寸测量、计算、输入补偿值等操作。不仅对操作人员技术水平要求高，而且每次更换刀具后还要反复上述操作，人为带来的随机性误差大、安全性差、占用机时较多，不利于发挥超精密车床的功能[5-8]。而且目前国内的对刀装置大都采用带传感器的半自动对刀装置，其存在误差大、对刀精度不高及操作复杂等技术缺陷。

文献[2]中指出LVDT对刀装置在水平方向和刀尖半径R的测量误差一般在0.02 mm以上，难以满足超精密加工工件面形精度和尺寸精度的技术要求，提出的采用加工小直径球面对刀件精准对刀方法能够达到较好的加工效果，但是需要通过多次切削和面形测量才能确定实际刀尖半径的补偿值，过程繁琐、效率较低。

为了减少对刀误差对加工精度的影响，保证超精密车床高效、高精度的发挥效能，设计一种对刀精度高、操作简单的快速对刀装置有着极其重要的工程实用性。

1 对刀装置设计

本文中设计了一种基于CCD传感器的光学对刀装置，并辅以机械式LVDT对刀装置进行粗对中心高，从而实现光学对刀装置的快速对焦，并通过数字图像处理技术实现刀尖在水平面(XZ平面)内的精确定位，以及刀尖圆弧半径的精确测量。

1.1 机械式LVDT对刀装置

机械式对刀装置由定位V型块、高度限位块以及测量传感器组成，如图2所示。

定位V型块和高度限位块固定在主轴上，测量时该组件的活动部分直接悬挂在定位V型块和高度限位块上，定位V型块决定该组件的中心位置，高度限位块决定该组件的高度。采用V型块+平面的定位方式实现高精度重复定位，利用LVDT位移传感器实现亚微米量级位移测量，LVDT传感器接触力<0.5 N，刀具中心高调整范围为±5 mm。

1.2 光学对刀装置

光学对刀装置由标准的3R基准夹具、高精度光学镜头以及相应的基座组成。装置如图3所示。

利用3R基准夹具成熟的高精度重复定位技术，以减小因重复定位误差带来的对刀误差。光学镜头部分采用高低倍复合光路显微镜，前端同轴照明方式。其中，高倍镜视场范围为0.5 mm×0.5 mm，放大倍数为20倍。

2 精确对刀实现

在工程实际应用过程中，为了达到光学对刀装置的高精度要求，对光学对刀系统进行参数标定尤为重要，直接决定了系统对刀质量[9-12]。

本文中对刀系统参数的标定主要包括两个方面，首先通过对基于CCD传感器的视觉检测系统的标定实验，得到图像尺寸和物体实际尺寸之间转换的标定系数k，k=Ld/Lp，其中Ld为实物上两点实际距离，Lp为图像之中两点间像素点数，实现将以像素为单位数据转换为空间中以毫米为单位的尺寸，为刀具图像的测量处理奠定基础。

然后通过安装校准实验确定基于CCD传感器的视觉检测系统与机床坐标系之间的相对位置关系，最终通过坐标变换得到刀具的最终对心坐标。

2.1 光学对刀装置参数标定

采用显微镜头对机床光栅进行观测成像，如图4a所示。由于光栅周期已知为20 μm，计算出CCD上一个周期的像素数即可得到像素等效当量。

为使得周期计算更加准确，对图4a截面进行频谱分析，找到主要基频成分为18 Hz，如图4b所示，即得到周期。采用本文设计的光学对刀装置，通过此方法计算得到的标定系数为k=0.000 175 8 mm/pixel，其中pixel为像素点。

完成相机像素分辨率参数标定后，采用CCD相机提取刀尖图像，经过图像处理方法去除图像噪声,进行刀尖图像自动阈值分割、刀头边缘定位与亚像素提取及图像参数信息分析，得到被测刀具的参数。

图5中，所测量刀具标定的圆弧半径为0.5 mm，通过对刀系统测量刀具实际的圆弧半径为0.469 3 mm，从图5b中可以看出刀具右下部存在微小的磨损情况，因此边界提取结果与圆弧拟合结果存在小的偏差。

对两把新刀具进行测试试验，从图6中可以看出，刀具边界提取结果与圆弧拟合结果基本一致，保证了测量精度。标定的刀具圆弧半径分别为0.279 mm、1.038 mm，对刀系统实际测量结果为0.283 mm和1.035 mm，并且对刀具进行多次测试实验，重复测量误差小于1 μm，进一步验证了参数标定的准确性。

2.2 光学对刀装置安装校准

光学对刀装置应用于自研三轴超精密金刚石车床SGDT350进行测试，光学对刀装置安装于主轴上侧，通过对3R基准夹具的基座调平保证光学对刀装置安装后的垂直度，从而保证对刀图像的采集质量，如图7所示。

由图7机床布局可知，刀具安装于Z轴上，刀具固定好后，在XOZ平面内刀尖位置的X轴方向坐标固定不变，对刀过程即确定该坐标xMCS-OK。光学对刀装置安装好，选定镜头坐标系零点后，其与主轴定位中心相对位置会保持不变，考虑到安装误差，在X轴方向存在固定的偏置量Δx。

由于光学对刀装置跟随X轴运动，移动X轴将刀具纳入对刀装置视场内，此时X轴当前测量坐标定义为xMCS-NOW，与之相对应的刀具中心点在镜头坐标系中X轴方向的分量为xOPT，如图8所示。

即可根据下述表达式确定对刀中心点X方向坐标。

xMCS-OK=xMCS-NOW+xOPT+Δx

(1)

从上述变换过程中可知，xMCS-OK在刀具安装好后及固定不变。而且多次变换刀具在镜头视场中的位置后，所测得的xMCS-NOW、xOPT值随之变化，根据式(1)坐标变换，多次测量结果满足：

xMCS-OK=xMCS-NOW1+xOPT1+Δx

=xMCS-NOW2+xOPT2+Δx

=…

=xMCS-NOWn+xOPTn+Δx

(2)

校准实验过程中，首先采用试切小直径圆柱平面件法，经过反复多次切削加工、测量、标定试验，记录平面中心点无凸台时的X轴坐标，确定为对刀的xMCS-OK坐标值。然后根据公式(2)进行多次对刀系统校准试验，见表1，得到偏置补偿值Δx=0.666 9 mm，重复精度达到1 μm。

表1 偏置补偿值Δx

校准实验完成后，刀具X轴方向安装位置变化后，再进行对刀时，只需通过对刀装置测得刀具的xOPT值，同时记录当前的xMCS-NOW值，通过式(1)即可得到刀具的对刀点坐标xMCS-OK，大幅提高对刀速度的同时，保证了对刀精度。

2.3 粗精结合快速精确对刀流程

对刀过程分为粗对刀和精确对刀两步。粗对刀是利用机械式LVDT对刀装置进行测试。精确对刀采用基于CCD传感器的光学对刀装置进行测试，分别如图9a、b所示。

首先粗定位刀具的中心高度，将LVDT传感器测头置于刀尖上方并与之相接触，通过刀架上的差动螺纹进给调节刀尖高度，差动螺纹旋转一周的移动量为0.5 mm，微调可以实现微米级的进给，当调节到达传感器的零位时(即LVDT对刀界面Axis Y Align值为0，如图10所示)，刀具高度Y方向粗对刀结束。

中心高粗对刀结束后，切换为光学对刀装置，将刀具移动到镜头视场内，此时刀具基本处于焦距范围，只需要经过微调，即可实现光学对焦，得到清晰的刀具图像。

采用CCD传感器提取到清晰的刀尖图像后，经过图像处理方法去除图像噪声，进行刀尖图像自动阈值分割、刀头边缘定位与亚像素提取及图像参数信息分析。最终通过高精度光学对刀测量系统进行坐标变换计算，得到刀具在XOZ平面的对心坐标xMCS-OK、刀尖圆弧半径R以及包角值，完成对刀步骤，如图11所示。

3 光学对刀的超精密加工应用

采用自研三轴超精密金刚石车床SGDT350进行对刀及切削实验，配备一套机械式LVDT对刀装置，一套光学对刀装置。SGDT350机床主要技术参数如表2所示。

表2 自研三轴超精密金刚石车床SGDT350

首先进行刀具中心高定位，为了验证光学对刀中心高定位的准确性，分别采用手动对刀、机械式LVDT对刀、光学对刀开展切削试验，从图12中可以看出采用手动对刀中心点存在半径约10.28 μm的凸台，采用机械式LVDT对刀时凸台减小，采用光学对刀后中间无凸台，说明采用光学对刀装置后能够准确地定位刀具中心高。

通过粗精结合测量，调整刀具中心高后，根据对刀步骤2，采用CCD传感器提取到清晰的刀尖图像，通过高精度光学对刀测量系统进行坐标变换计算，得到刀具在XOZ平面的对心坐标 、刀尖圆弧半径R。在此基础上开展直径为75 mm、顶部球径为R=250 mm的凸球面纯铝工件加工实验验证，如图13所示

采用该光学对刀装置不仅快速测得了所需的对刀参数，同时加工工件的面形精度达到0.24μm，如图14所示。进一步证明了该对刀装置的精度以及该方法的有效性。

4 结语

本文提出采用粗精结合的对刀方法，提高超精密切削加工过程中的对刀精度和效率，设计了基于CCD传感器的光学对刀装置，通过标定、校准实验，对刀精度达到1 μm，能够有效控制对刀误差。实际加工实验结果表明，采用该光学对刀装置加工的凸球面面形精度达到0.24 μm，进一步证明了该方法的有效性。