機械制造基礎課程刀具測量實驗的信息化探索

華成麗

摘 要：結合機電一體化和信息技術，克服傳統實驗儀器的不足，設計一種適用于機械制造基礎課程的新型車刀角度測量實驗儀器，并配套基礎分析軟件，對刀具

工作部分幾何參數進行方便的數字化采集，利用軟件進行刀具的三維建模和靜態角度計算，有效提高刀具測量效率和精度，可輔助繪制刀具角度剖面圖。成果目前已在機械基礎教學基地加以實踐，教學效果較好。

關鍵詞：信息技術 刀具測量 實驗儀器 分析軟件

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0131-03

Abstract：Considering themechatronics and information technology， a new kind of cutting tool measurement instrument for the course of mechanical manufacturing is proposed to overcome the insufficiency of traditional experimental instrument. And the basic analysis software is also provided. The digital data of geometric parameters of tool part can be obtained easily. The 3D model and static anglecan be got based on the developed software. Compared with the existing results， the proposed instrument has the better measurement efficiency and precision. And it can be used to draw the angle section of cutting tool. The results have been applied in the teaching practice of mechanical manufacturing， and the effect is better.

Key Words：Information technology；Cutting tool measurement；Experiment instrument；Analysis software

1 傳統刀具測量實驗儀器存在的問題

早期的機械制造課程體系很大程度上參考國外內容，部分教學和實踐內容沿用至今。以車刀角度測量實驗為例，在我國各高校和職業技術學校使用較為廣泛的是JGQ-2型萬能車刀量角臺，其原始雛形由國外工廠設計，后經國內相關高校改進設計成JGQ-2型萬能量角臺[1]。隨后，各高校機械基礎教研室進一步對量角臺進行了小范圍改進，但基本原理和結構不變。

這種傳統的量角臺能夠完成所有參考系下的主要刀具角度測量，但是每測量一個角度，都需要相應精確調整刀具位置，步驟較為繁瑣；且只能進行單一刀具角度測量，無法采集刀具幾何數據，要對刀具進行幾何建模則需要昂貴的專業儀器，如德國ZOLLER刀具檢測儀器（采用CCD相機和圖像分析處理技術測量）；另外，在不同參考系的角度轉換的場合，需要采用專用公式計算，或者讀專用諾模圖校核，使用不便[2]。

由于上述問題，在刀具角度測量實驗中，測量儀器操作繁瑣，步驟較多，學生還是容易對角度產生混淆，且易遺忘，加之學生的制圖基礎相對較差，測量完成后仍然不會繪制刀具靜態角度圖。

2 新型車刀測量儀器及軟件

為了克服傳統實驗儀器的不足，在教學過程中設計了一種新型車刀角度測量儀器及配套軟件，其基本機構如圖1所示，配套軟件輸入界面如圖2所示。

2.1 新型車刀角度測量儀的測量原理

該測量儀是受我國漢代“渾天儀”的結構啟發，仿照渾天儀的球面坐標測量原理，設計而成。主要測量構件由內環、外環和測量桿組成，內、外環切掉了部分圓弧防止與刀桿干涉。將被測刀具裝夾在可調刀具支架上，對刀具位置進行水平、豎直微調，使刀頭基本處于在測量儀的球面中心；測量桿起到窺管的作用，用測量桿的前端平面與刀具前面，后面，副后面分別貼合，桿與這3個工作面分別垂直，通過讀取刻度盤上的內、外環的轉動角度和測量桿的伸長量，可以得到各工作面的法向量和位置參數。

只需測量3個刀面，即可得到刀具的工作參數，利用軟件可算得刀具的所有參考系下角度，操作簡單快捷，并可開發軟件繪制剖面圖，輔助學生理解。該測量儀可測量教學中使用的常見車刀，以及由車刀演變而來的刨刀、鏜刀等，基本涵蓋原教學測量臺的功能范圍。

2.2 測量儀的軟件設計

將采集到的刀具工作面幾何參數，輸入軟件進行刀具的三維建模和靜態角度計算。車刀靜態測量軟件選用開放源碼的全功能的跨平臺C/C++集成開發環境Codeblocks進行開發，軟件界面的搭建選用開源的跨平臺的C++構架庫wxWidgets，三維建模和繪圖程序采用C++Builder作為開發界面，開發語言均選用C++進行編寫。由于采集的刀具工作面數據均為右手球坐標系中的向量參數，通過向量運算，可以得到刀具在3個參考系下的18個靜態角度，并自動標定正負。還可以根據測量的刀頭工作面三維參數，進一步增加軟件功能，自動剖切平面，繪制靜態角度圖，以輔助學生完成實驗報告，加深學生的理解。該部分功能仍在開發中。

2.3 刀具工作面向量的坐標推導

如圖3，設右手坐標系中，平面、平面中逆時針轉動為正方向，初始向量球坐標表示為，轉換為直角坐標系，寫成矩陣形式。

得被測量刀面法向量。

得到3個工作面的向量坐標后，通過程序進行向量運算得到各參考系下的刀具角度[4]。

2.4 采用機電一體化技術提高測量精度

儀器的數據讀取，除可以采用圖1中的機械刻度盤外，還可以采用光電傳感器，提高測量精度。可采用絕對式光電編碼器測量轉角和位移，并利用51單片機最小系統進行計數運算，將轉角在數碼管顯示屏上串行顯示，方便讀數，并且利用ADXL345數據接口輸入計算機，在配套軟件中進行計算和繪圖，更加方便使用。對光電傳感器下的新型測量儀精度進行驗證，并與JGQ-2型測量儀進行對比，結果見表1。通過正交平面參考系的靜態角度驗證，新型測量儀精度基本滿足教學使用。

通過以上的技術創新，新型測量儀具有以下優點。

（1）結構簡單緊湊，體積只有普通測量臺的1/3，且構件加工簡單，機械刻度測量儀批量制作成本不高，很節約教學經費。

（2）能夠采集刀頭工作面三維參數，有潛力擴展軟件功能，繪制靜態角度圖，有效輔助教學。

（3）測量操作簡單，速度快，具有光電傳感器和接口的測量儀，只需一分鐘左右就能完成測量，輸出所有角度參數。

（4）結合光電傳感器能夠提高儀器精度，且不大幅增加成本，基本滿足教學使用。

3 結語

該文結合課堂教學和刀具測量實驗教學的課堂環境，研制了一種新型刀具角度測量儀，并初步開發了配套軟件，能夠對刀具工作部分幾何參數進行方便的數字化采集；利用軟件建模和計算所有靜態角度，有效提高刀具測量效率和精度。目前已在機械基礎教學基地加以實踐，取得了較好的教學效果。

參考文獻

[1] 韓永杰，佟永祥.多功能車刀幾何角度測量儀的研制[J]. 中國現代教育裝備，2011（1）：47-50.

[2] 王萬新.車刀角度測量的數字顯示研究[J].制造技術與機床，2015（2）：83-85.

[3] 吳序堂.齒輪嚙合原理[M].西安：西安交通大學出版社， 2009.

[4] 同濟大學數學系.工程數學線性代數[M].5版.北京：高等教育出版社，2007.