（长春理工大学 机电工程学院，长春 103322）

0 引言

在超精密加工领域，与超精密车削等先通过试切加工确定工件表面基准后再进行精加工的方式不同，一些要求在工件原始表面进行加工的方式如在毛坯镀膜表面进行的衍射光栅机械刻划成形加工等，往往要求落刀加工前准确掌握刀尖相对于工件原始表面的准确间距进而确定落刀深度。然而，对刀间距的检测精度直接影响超精密加工的最终精度[1]。由于激光远场衍射的方法透过微小间隔时可以产生细分的衍射现象，具有非接触式、精度高、在位等特点，所以激光衍射测量技术逐渐发展起来[2,3]。而目前将该方法应用在加工对刀间距测量领域也成为国内外相关研究者的一个新方向[1,4]，但研究内容尚处于原理分析方面，相关工程应用仍未见报道。

在相关原理和工艺影响因素研究的基础上，本文设计开发了激光衍射对刀装置样机，并通过在机械刻划工艺试验装置[5]上的对刀间距检测，分析了相关结果，探讨了相关装置工程应用的可行性，为该装置仪器化技术的成熟与完善奠定基础。

1 激光衍射对刀原理

根据激光衍射原理，当入射激光束通过金刚石刀具刃口与工件边沿刀口之间的狭缝时，在特定间距条件下就会产生衍射条纹[1]。衍射条纹的形状大小与狭缝的形状大小有关[4]。用面阵CCD作为视觉传感器捕捉衍射条纹，并且图像视觉信息经计算机处理分析得到对刀间距。激光衍射对刀装置原理图如图1所示。为了更加清晰的阐明激光衍射对刀装置的工作过程，绘制工作流程图如图2所示。其中缩束器和傅里叶透镜等光学组件可根据实际情况选用。

图1 激光衍射对刀原理

图2 激光衍射对刀装置工作流程图

刀具相对于工件刀口之间的纵向间距为有效对刀间距，则所得图像的纵向衍射条纹光强峰值点间距便成为对刀间距的判别依据。为了检测衍射条纹光强峰值点所在CCD像元的位置，将捕捉到的衍射条纹图片经MATLAB初步处理后的图片进行光强峰值点行求和，得到一列数组。通过分析数组，确定光强峰值点所在CCD像元的具体位置。

2 激光衍射对刀装置的结构设计及组成

根据激光衍射对刀原理，所设计的激光衍射对刀装置主要由底座升降机构、底座回转机构、光轴偏转台、连接支架、CCD及位置调整组件、激光二极管及位置调整组件、狭缝可调组件等组成，如图3所示。具体到各个部分的组成如下所述。底座的升降和回转功能可以适应加工工件不同高度、不同方位的应用要求。光轴偏转台连接于底座升降机构和连接支架，用于对激光束相对对刀狭逢形成刀口衍射效应并便于检测。激光二极管发出的激光束经过狭缝可调组件可以变成线光源，并与对刀狭缝形成垂直关系，形成二维衍射条纹。产生的远场衍射条纹信息被汇聚并由CCD捕捉采集，最后经由计算机图像处理系统进行分析计算，求得准确对刀间距数值。其中CCD及位置调整组件和激光二极管及位置调整组件可根据具体应用场合进行位置互换，相对光轴方向的间距通过相互位置调整组件可调。

图3 激光衍射对刀装置的结构设计方案

3 激光衍射对刀装置及对刀实验

经过加工、采购、装调和测试，搭建激光衍射对刀装置，并将其应用的衍射光栅机械刻划工艺试验装置的对刀间距检测过程中，如图4所示。其中，激光器为氦氖激光器，波长λ为632.8nm；CCD相机的相元尺寸为2.2µm×2.2µm，像元间隔为0.97µm，相元中心距3.17µm；f=40mm。实验中的激光衍射对刀实验图片如图5所示，其中纵向条纹可以用来评价对刀间距。

图4 激光衍射对刀装置及其应用

图5 激光衍射对刀装置应用的衍射条纹检测结果

在激光衍射对刀时，由于环境噪声的存在，二级及以后的次极大含有很大噪声。为了提高对刀的测量精度，将衍射条纹一级次极大峰值点之间的距离作为对刀间距的检测依据。利用机械刻划工艺试验装置的工作台每次上升约4.5µm（步进电机开环驱动）的情况下，对CCD捕捉的图片进行灰度化、滤波[6]等处理并计算后得到a-k不同幅图像所对应的相关数据如表1所示。

从表1中可以看出，激光衍射对刀装置能够有效检测对刀间距。如果该数值足够精确就可以反馈到工件载物台的竖直升降装置进行直接驱动，但是检测精度还要受制于结构装调工艺、关键器件性能、图像处理等因素的影响，提高这些软、硬件的性能可以提高对刀间距的测量精度，并以此为基础开展相关标定技术是必要的。需要指出的是，相关工艺因素对测量结果的影响规律和检测精度分析仍在研究当中。

4 结论

根据激光衍射对刀原理设计了激光衍射对刀装置的结构方案，并经过开发将其应用到了衍射光栅机械刻划过程中的对刀间距测量领域。该装置方位、姿态、高度等自由度可以灵活调节，激光器与CCD之间距离可调，应用十分灵活。经过一系列对刀试验，获得了有效的激光衍射条纹特征。通过对纵向条纹一级光强峰值点间距的计算和对比分析，验证了所开发的激光衍射对刀装置的可行性和有效性，为相关仪器化完善奠定了研究基础。后续将根据工艺参数的影响规律来开展研究，并最终提高该装置在对刀间距检测方面的精度。

表1 激光衍射对刀实验数据

[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.激光衍射法细圆柱体直径测量技术研究[D].哈尔滨工业大学,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]黄薇薇.图像处理在刀具参数检测系统中的应用[D].中北大学,2009.