激光衍射對刀裝置的開發與應用

（長春理工大學 機電工程學院，長春 103322）

0 引言

在超精密加工領域，與超精密車削等先通過試切加工確定工件表面基準后再進行精加工的方式不同，一些要求在工件原始表面進行加工的方式如在毛坯鍍膜表面進行的衍射光柵機械刻劃成形加工等，往往要求落刀加工前準確掌握刀尖相對于工件原始表面的準確間距進而確定落刀深度。然而，對刀間距的檢測精度直接影響超精密加工的最終精度[1]。由于激光遠場衍射的方法透過微小間隔時可以產生細分的衍射現象，具有非接觸式、精度高、在位等特點，所以激光衍射測量技術逐漸發展起來[2,3]。而目前將該方法應用在加工對刀間距測量領域也成為國內外相關研究者的一個新方向[1,4]，但研究內容尚處于原理分析方面，相關工程應用仍未見報道。

在相關原理和工藝影響因素研究的基礎上，本文設計開發了激光衍射對刀裝置樣機，并通過在機械刻劃工藝試驗裝置[5]上的對刀間距檢測，分析了相關結果，探討了相關裝置工程應用的可行性，為該裝置儀器化技術的成熟與完善奠定基礎。

1 激光衍射對刀原理

根據激光衍射原理，當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，在特定間距條件下就會產生衍射條紋[1]。衍射條紋的形狀大小與狹縫的形狀大小有關[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計算機處理分析得到對刀間距。激光衍射對刀裝置原理圖如圖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組件可根據實際情況選用。

圖1 激光衍射對刀原理

圖2 激光衍射對刀裝置工作流程圖

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

2 激光衍射對刀裝置的結構設計及組成

根據激光衍射對刀原理，所設計的激光衍射對刀裝置主要由底座升降機構、底座回轉機構、光軸偏轉臺、連接支架、CCD及位置調整組件、激光二極管及位置調整組件、狹縫可調組件等組成，如圖3所示。具體到各個部分的組成如下所述。底座的升降和回轉功能可以適應加工工件不同高度、不同方位的應用要求。光軸偏轉臺連接于底座升降機構和連接支架，用于對激光束相對對刀狹逢形成刀口衍射效應并便于檢測。激光二極管發出的激光束經過狹縫可調組件可以變成線光源，并與對刀狹縫形成垂直關系，形成二維衍射條紋。產生的遠場衍射條紋信息被匯聚并由CCD捕捉采集，最后經由計算機圖像處理系統進行分析計算，求得準確對刀間距數值。其中CCD及位置調整組件和激光二極管及位置調整組件可根據具體應用場合進行位置互換，相對光軸方向的間距通過相互位置調整組件可調。

圖3 激光衍射對刀裝置的結構設計方案

3 激光衍射對刀裝置及對刀實驗

經過加工、采購、裝調和測試，搭建激光衍射對刀裝置，并將其應用的衍射光柵機械刻劃工藝試驗裝置的對刀間距檢測過程中，如圖4所示。其中，激光器為氦氖激光器，波長λ為632.8nm；CCD相機的相元尺寸為2.2μm×2.2μm，像元間隔為0.97μm，相元中心距3.17μm；f=40mm。實驗中的激光衍射對刀實驗圖片如圖5所示，其中縱向條紋可以用來評價對刀間距。

圖4 激光衍射對刀裝置及其應用

圖5 激光衍射對刀裝置應用的衍射條紋檢測結果

在激光衍射對刀時，由于環境噪聲的存在，二級及以后的次極大含有很大噪聲。為了提高對刀的測量精度，將衍射條紋一級次極大峰值點之間的距離作為對刀間距的檢測依據。利用機械刻劃工藝試驗裝置的工作臺每次上升約4.5μm（步進電機開環驅動）的情況下，對CCD捕捉的圖片進行灰度化、濾波[6]等處理并計算后得到a-k不同幅圖像所對應的相關數據如表1所示。

從表1中可以看出，激光衍射對刀裝置能夠有效檢測對刀間距。如果該數值足夠精確就可以反饋到工件載物臺的豎直升降裝置進行直接驅動，但是檢測精度還要受制于結構裝調工藝、關鍵器件性能、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刀間距的測量精度，并以此為基礎開展相關標定技術是必要的。需要指出的是，相關工藝因素對測量結果的影響規律和檢測精度分析仍在研究當中。

4 結論

根據激光衍射對刀原理設計了激光衍射對刀裝置的結構方案，并經過開發將其應用到了衍射光柵機械刻劃過程中的對刀間距測量領域。該裝置方位、姿態、高度等自由度可以靈活調節，激光器與CCD之間距離可調，應用十分靈活。經過一系列對刀試驗，獲得了有效的激光衍射條紋特征。通過對縱向條紋一級光強峰值點間距的計算和對比分析，驗證了所開發的激光衍射對刀裝置的可行性和有效性，為相關儀器化完善奠定了研究基礎。后續將根據工藝參數的影響規律來開展研究，并最終提高該裝置在對刀間距檢測方面的精度。

表1 激光衍射對刀實驗數據

[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.激光衍射法細圓柱體直徑測量技術研究[D].哈爾濱工業大學,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檢測系統中的應用[D].中北大學,2009.