深度分析数控刀具几何量测量技术进展

具有高性能、高精度、高可靠性及专业化的数控刀具在现代切削加工技术上的重要性，已成为机械制造业界的共识。“利润出在刀尖上”成为不争的事实。而数控刀具测量技术在数控刀具制造和使用中的重要性，也随之逐渐得到人们更为清晰的认同和密切的关注——“测量也是生产力”在制造信息化时代进一步得到验证体现。随着对于现代先进切削理论和加工技术的不断探索、实践和发展，人们对数控刀具几何量测量的研究探索和技术的开发实践也在不断深化、扩展和创新，以满足日新月异机械加工制造业的更高要求。“械制造2025”为我国机械制造业指明了“数字化、网络化和智能化”的发展方向和目标，这同样也是我国数控刀具测量技术的发展方向和道路。以下对近年来国内外在数控刀具测量领域内所取得的进展与成果进行深度分析。

数控刀具几何量的测量要素/参数及评定指标不断扩展、深化，测量精确度、细微化和整体性进一步提升

就数控刀具几何量要素/参数测量技术而言，近年来在不断提高测量精度、推进实时在线全数测量、实现非接触高效化三维测量、网络化测量数据传输和数据处理分析的同时，已经从宏观几何尺度测量领域向微观几何尺度测量领域扩展和深化。也就是说从传统的切削刀具几何量宏观尺度领域、与数控刀具切削性能基本特性直接相关联的、数控刀具几何尺寸和形状位置参数的“宏观精度”测量，向切削刀具几何量微观尺度领域、与数控刀具切削寿命、可靠性等使用性能密切相关的、数控刀具微观几何形貌和结构特征参数的“微观形貌”测量扩展深化。对具体测量参数而言，前者往往是对刀具上特定几何特征点/位置的测量，其测量结果通常为确定的单一数值（如刀具的各种切削角度、直径长度、夹持定位基准垂直度等的测量）；而后者往往是对随机选定的点位/局部区域的测量，其测量结果更具有统计数值表征的意义（如刀具切削刃口形貌、刃口钝化形状、刃口钝化半径大小、刃区微织构形貌及三维刃口表面粗糙度等的测量，见图1）。


图1 测量报告单，包括切削刃口的测量、刃口半径、有严重破碎的、圆弧及尖锐切削刃口

哈工大很早就对超精密切削刀具，尤其是超精密金刚石刀具的刃区/刃口微观几何形状和形貌进行过长期深入、持续的研究，在切削刃微观几何参数的定义、评定以及测量方法等领域都做出了开创性的贡献。

数控刀具测量技术，由“个体、局部”向整体化、系统化、综合化扩展

(1)数控刀具/刀片的三维几何量测量

数控刀具/刀片的几何量测量，经历了从1维、2维测量向3维实体扫描测量的发展历程，从而使数控刀具/刀片个体测量与质量评价的完整性和精确度得到了很大的提升和强化。（见图2）


图2 铣刀的三维扫描测量与单截面测量数据分析处理

值得提出的是在数控刀片轮廓形状的三维测量上，哈理工于2001-2003年与哈量合作，成功开发出了我国首台数字化三维轮廓检测仪及相应软件（见图3），用于数控刀片切屑成形理论、断屑机理和断屑槽型的研究和开发中。（哈理工“切屑成形及断屑机理”相关科研成果曾荣获国家科技进步二等奖）


图3 哈理工-哈量的三维轮廓检测仪仪器外观、主体组成以及实测三维刀片图

(2)数控刀具的几何量测量，从刀具个体的“单件”测量向刀具切削组合系统的“系统”测量扩展；从刀具/刀片的单项几何精度，走向刀具-轴切削系统的综合几何精度测量扩展

数控刀具的测量对象，从传统的、以单个数控刀具/刀片几何尺寸精度测量为主，进展到对用于安装有不重磨数控刀片的、复杂刀体的精确几何量测量，最终发展到向包括定位、预调、装夹精度在内的、整体式/装配式数控刀具的整体综合精度的精确测量。（见图3）


(a)江苏大学工具系统检测仪


(b)哈量、德宝的机电气测量仪


(c)刀具-轴系统精度在机检测
图4 数控刀具测量向系统和综合精度扩展

考虑到为适应高速高效高精度高性能切削的要求，近年来除了重视对数控刀具的测量，人们特别关注夹持刀具连接机床主轴的工具系统的几何量精度检测。以德国德宝测量系列量具量仪为典型的国外仪器等都常见诸于市场；国内则有成都工具研究所、哈量及江苏理工大学等单位在这方面也做了不少研究与开发工作。图4左上为江苏大学近二年成功研制的数控工具系统及刀柄检测仪器，该产品可检测HSK63、HSK100等不同规格刀柄的锥体大端直径、小端直径，特别是还能检测刀柄30°夹紧斜面位置尺寸、卸刀面位置尺寸等多种参数，其测量结果可供统计分析，受到市场关注和欢迎。

近年来人们将测量范围扩展，更加注重针对由数控机床轴（刀具安装锥孔-端面）、工具系统及数控刀具所构建而成的、精确定位夹紧联结在一起的、机床轴-工具系统-刀具组合体的测量（简称为“刀具-轴切削系统”或“刀具-轴系统”）。将该“刀具-轴系统”视为一个整体测量对象来考虑，对各个组件的单项几何量参数精度和组合体整体的综合几何量参数精度分别进行精确测量，即对影响到刀具轴组合体连接性能（如连接强度、连接精度）、系统综合机械强度、配合质量状态和定位精度等使用性能指标相关的几何尺寸、形位公差以及综合精度等各项几何量要素/参数都进行测量、分析与判定。值得提出的是，随着过定位双面接触夹紧工具系统的广泛普及，以及由多种形状复杂的、高精度-可靠性-一致性的不重磨刀片、形状结构复杂的高精度刀体及高强度紧固螺钉刀垫等连接件组成的、复杂型面成型专用数控刀具的大量推广应用，大大提升了对数控刀具装夹组合件“刀具-轴系统”的各相关配合和综合尺寸静态和动态精度测量的难度和迫切性。（见图5）。


(a)工具系统端跳精度检测


(b)工具系统径向跳动精度检测


(c)HSK夹紧内孔30°锥面量具
图5 机床主轴-工具系统-刀具结合系统检测

总之，就现阶段而论数控刀具几何量的测量范畴至少应包括：数控刀具/刀片切削几何要素参数的测量，刀片/刀体/刀柄/刀具系统的定位装夹几何要素参数的测量，刃口微观切削几何要素参数的测量，刀具切削工作区（前面、切削刃、后面等）微观形貌几何量参数的测量、数控刀具及“刀具系统”综合几何量/参数测量等所涉及的五个范畴。这些测量领域近年来都得到了较快发展。

与之相适应的是，数控刀具切削过程中的在线在机“刀具-轴切削系统”综合精度几何量测量也得到快速发展。测量传感器原理有激光、红外、平行光源或聚焦点测量，形式特点各异，性能也略有差异。但迄今在这个领域尚未见到国产的。（见图6）




(a) 德国Blum



(b)英国雷尼绍和日本大昭和
图6 数控刀具“刀具-轴切削系统”的在机在线检测

数控刀具测量仪器正向着专业化、数字化、网络化、智能化等“四化”方向发展

当今数控刀具测量仪器的发展，令人耳目一新。由通用化向专业化发展，从采用传统的通用机械光学精密仪器对刀具的测量（如光学万能工具显微镜、投影仪等），发展到如今专用的、机光电计算机技术集成一体的数控刀具测量仪器（如数控刀具调整测量仪即对刀仪等）。机械手/机器人已经用于刀具制造的生产和检测工序中，由于在机械手或机器人手臂上安装了检测传感器，因此不但可以完成被检测刀片/刀具工件的上下料，还升级成为自动化检测机器人或检测仪器。它将融入数控刀具生产线，成为生产制造过程不可或缺的组成部分（见图7）。英国 Renishaw 触发式侧头在国外数控刀具磨床加工中早就得到了普及应用，成为机床标配附件（见图7b）。



(a)哈量-凯斯带有机械手自动分类上下料的数控刀具调刀仪



(b)ZOLLER和Walter数控刀具测量仪
图7 刀具预调仪向数控化发展

数控刀具测量信息的融合、创新与服务功能不断强化，促进制造业更新换代

（1）数控刀具测量信息的集成融合，以实现数控刀具制造过程的在线实时监测及远程诊断，构建数字化网络化的数控刀具集成测量系统。

数控刀具/刀片制造过程的测量技术/仪器，由远离一线、实施“抽样”、“被动”质量判定。如由在传统的计量室/站，用测量仪器对数控刀具抽样检测判定质量合格与否的离线测量，发展到在刀具生产现场/在机/在线的、以非接触式、工业视觉/图像数字化测量技术、虚拟或实体化数控测量仪器为主的、数控刀具/刀片百分之百的全数检测，实现对制造过程的“主动”监测控制，对批量测试结果实时统计分析，及时有效进行质量评定比对与故障诊断。我国数控刀具最大的生产厂商株洲钻石近年和高校合作，成功开发了硬质合金刀片自动检测分选机。该仪器已在车间现场工作并融入生产工序。它采用了机器视觉系统，在机械手的协助下对批量生产的各种硬质合金刀片进行100%的检测和自动分组分级，大大提高了刀片质量检测的效率和准确性。厦门大学等院校曾为加工硬质合金可转位刀片、配有机械手自动上下料的数控工具磨床开发了一种在线、非接触式机器视觉测量技术，对刀片毛坯装夹后进行中心定位与尺寸检测。根据所测参数实际数据计算得到实际加工余量，实现了数控刀片的高效高精度磨削加工（见图8）。



图8 厦大开发的机器视觉在线刀片测量装置及国外数控刀具磨床在机接触式刀片测量装置

（2）融合集成数控刀具制造全过程所有测量仪器系统和测量数据，构建一个智能化数控刀具制造测量平台；在此基础上，测量平台和制造平台（包括硬件和软件）互相集成融合，特别是数控刀具测量信息和数控刀具制造信息的融合，构建了一个基于物联网的数字化网络化智能化的数控刀具闭环制造系统。

从传统的单机/单参数的刀具测量仪器“孤岛”，发展到现今通过数字化、网络化而构建数控刀具制造全过程的智能化数控刀具测量系统平台；通过网络化（包含局域网），实施数控刀具制造过程的远程故障诊断、远程监测控制，实现“少废品、无废品制造”；集成机器人或机器测量人，构建数字化、网络化、智能化的数控刀具闭环制造系统（见图9）。国内哈量集团和中大创远在2015北京机床展览会上首次分别亮相了他们的弧锥齿轮数控刀具/刀盘闭环制造系统。




图9 德国厂K厂弧锥齿轮铣刀盘、W厂数控刀具的闭环制造系统以及日本厂剃齿刀局域网闭环制造系统

（3）数控刀具信息和切削加工制造系统信息的融合集成，构建“基于物联网的数字化、网络化、智能化切削加工制造系统”。

可以看出，数控刀具测量技术的发展和机械制造业具量仪测量技术的发展是一脉相承的，但同时它也具有其鲜明的特色：对于生产现场切削加工过程中，数控刀具的宏观/微观刀具几何量的在机在线实时检测监控测量技术的发展更为重要。西安交大机械学院为无锡油嘴油泵研究所开发的、包含车磨钻等切削加工工艺在内的、基于物联网的机械加工数字化检测平台/质量管控系统，为推动机械制造行业的数字化网络化智能化制造做出开拓性的探索与实践，取得了可喜成果（见图10）。



图10 西安交大的基于物联网的数字化检测平台及质量管控系统及开发应用成果

数控刀具几何量测量技术与仪器实例简介

（1）数控刀具切削刃区三维微观几何形貌的测量

数控刀具微观三维形貌的测量，一直受到刀具制造厂商和科研院所的重视。前文所提及的哈理工和哈量于本世纪初联合开发的三维表面粗糙度轮廓测量仪，就是为了满足当时在探索高速高效切削技术过程中，人们在研究数控刀具/刀片切削刃区表面微观形貌和断屑槽型对切削过程和切屑形成机理的影响和作用时，而提出的测量仪器需求（见图1、图3）。由于能对刀具刃口进行快速细微扫描三维检测，光电非接触式探测技术近年也获得新发展。

德国GFM公司采用相位测量线纹边缘投影法可即时提供被测工件表面形貌的精确高度值，而与工件的对比度无关；借助于单一短线纹序列对整个高度范围内实施测量，而不需要垂直高度扫描。其工作原理见图11左。仪器在一次测量中能获取30万-5百万个像素，抓取到一个相当大高度范围内的数据。借助相位测量，线纹边缘位置测量精度高于线宽的1%，从而它的高度分辨力通常至少要好于10倍的相机分辨力。其表面参数平均值（如用于平面度测量）的测量精度甚至比这还要好若干倍。由德州仪器公司开发的数字式微镜显示器（DLP）构成的线纹边缘模块投影（由200万个DLP集成）有极好精密度（见图11b）。



(a)


(b)
图11 (a) 线纹边缘投影组成、精密相位测量法及绝对位置编码；(b)DLP芯片及两微单反射镜REM照片
在与德州仪器公司长期密切合作的基础上，GFM公司开发出了基于纯硅基DLP显示器的投影仪，具有优异的温度稳定性和长期工作稳定性。整个仪器的外部配置和控制系统组成图示和公司所开发的数控刀具三维扫描坐标测量仪及刀具刃口测量仪（见图12）。


(a)



(b)
图12 (a)外部配置和自运作的系统理念；(b)GFM三维坐标测量系统和数控刀具的测量仪器

奥地利Alicona公司生产的多功能变焦三维光学测量系统主要用于数控刀具类复杂精密小型零部件几何量参数及精细微区几何形貌参数的测量。仪器外观给人印象不同凡响。（见图13）



图13 奥地利Alicona公司的多功能三维光学测量系统及白光共焦显微镜工作原理

考虑到传统接触式测头虽然是一种有效的测量手段，但是在测量微型零件和切削刀具时存在较大的局限性：探针的针尖圆弧半径较大，有时可能无法测出非常精细的表面结构，从而导致测量结果失真。此外，在测量一些复杂形状（如刀具切削刃）时，由于探针的针尖很容易滑落，因此往往无法对工件边缘进行测量。

奥地利Alicona公司开发了Infinite Focus Real3D（无限聚焦实体三维）光学测量系统，采用白光和无限聚焦的工作原理，借助于电机驱动的聚焦装置，使软件控制焦平面的改变以及最佳照明，从而得到若干多个高质量聚焦图像。新的快速图像处理算法能保证得到最佳聚焦图像的高锐化度，以便用于精密测量工件的形状、表面粗糙度和轮廓。笔者以为该测量系统的工作原理类同于图10右示的白光共焦显微镜的工作原理，即它是一台变焦测量仪器，该全新该无限聚焦系统能使我们获得并计算出任意聚焦深度上的高锐化度、高品质的一叠二维图像，利用相关软件和计算方法，集成融合而为一个被测物体的真实三维图像。与传统光学显微镜相比较，它可获得图像的聚焦深度增大了1000倍，从而实现可视化及分析。该系统集三维表面测量装置和微型坐标测量机的功能于一身，实现了对大测量空间和复杂结构表面（或粗糙表面）的高精度测量（纵向分辨率可达10nm，横向分辨率可达400nm）。这意味着只需用一台仪器就能完成对工件形状和表面粗糙度的测量。

Infinite Focus系统的完整形状光学三维测量功能主要是基于其变焦（Focus-Variation）技术，该技术利用垂直扫描光学系统较小的焦深来提供形貌和色彩信息。与其他光学测量技术相比，该系统有两个特点：①其测量方法并不局限于同轴照明或其它特定的照明方式，可以对最大可测倾角（约为90°）进行测量；②对每个测量点可提供真实彩色显示的测量信息，而一次测量的测量点可超过1亿个。此外，Infinite Focus系统可以配备一个三维旋转装置，从而能对一些圆形工件（如立铣刀和钻头）进行360°全方位测量（见图2）。该功能是基于一种先进的三维数据合成技术来实现的，该技术能将从各个不同位置测得的测量结果自动整合为一组完整的三维数据。“Real3D”技术可从不同的角度对同一把刀具进行可视化测量，它可以测量其轮廓、尺寸差和形状。这项完整形状光学三维测量技术对刀具制造商提高刀具（如微型钻头）使用寿命有很大的帮助。刀具制造商可以借助该技术精确地检测刀具磨损情况。由于可以检测一个三维物体的几乎所有形貌，从而能更好地了解工艺性能，有助于优化制造工艺，以较小的误差预算达到公差要求。在质量控制方面，该测量技术可以集成到生产流程中，在将工件送到坐标测量机上进行终检之前确保其加工精度。

（2）数控刀具/刀片制造过程中在机/在线100%全数自动化测量

号称专用精密测量仪器与试验机制造领域的欧洲引领者，德国BLUM-NOVOTEST公司下设有三个开发部：测量部件部主要开发生产用于数控机床的质量检测技术与产品，如触发式测头（不同于雷尼绍三叉结构，而是多齿盘设计）、机床上用激光测量系统，对刀具及复杂零件的装调可实施在机捡测监控（见图6）。测量仪器部为满足用户不同需求而提供先进可靠的方案，解决各种尺寸和几何量测量问题，如汽车工业中的重要零部件的检测专用仪器。其第三个开发部门为试验机分部，主要为汽车、飞机工业等开发研制用于上述行业中产品/部件的性能试验机、寿命试验机等，并和用户厂商合作，设法将检测试验仪器融入集成到客户的生产线中。值得介绍的是该公司开发的、用于数控刀片成品检测和分选分类的自动化检测仪器“BMK3数控刀片自动检测分选机”（见图13）。


(a)BLUM刀片测量分选机


(b)图像识别真空抓取传送刀片


(c)检测后按精度等级分类
图14

该仪器操作可分为7个步骤，包括对批量不重磨数控刀片分别进行自动位置识别、抓取、传送、检测与分类等等工序。仪器采用了真空吸取夹持器的并联机构机械手快速抓取移动、传送分类被检测硬质合金刀片。专用相机辨认识别刀片形状位置；在同一台仪器的测量工位上，用机器视觉系统对刀片的缺陷及关键尺寸参数精度进行自动测量并分类。不合格、一等、二等至五等不同级别的刀片由同一并联机械手自动、快速、准确地放入不同包装盒中，完成检测及质量分等。

（3）基于物联网的金属切削加工制造网络化生产

著名的数控刀具及装备制造商Walter公司于2012年就已经与软件开发公司Comara合作，着手共同开发一个适应于生产环境的软件服务平台，将物联网引入到金属切削制造业。该服务平台称之为“walter multiply”，它能实现机床、数控刀具、制造装备以及测量仪器装置之间的直接通讯。对于任何一个使用该平台的用户而言，可以根据自身条件和目标，利用该平台快速有效地开发出各自所需的金属切削领域中的应用，进而推动并促成企业实现“基于物联网”的、金属切削加工“网络化生产”，从而获得强大的竞争优势。届时，平台在生产条件背景下自动计算出来并确定该机床最佳换刀策略，从而机床操作者就能明确知道切削机床将何时换刀、换哪把刀，刀具配送员也能及时发送适当刀具。刀具切削参数可以在机床上进行实时调整，甚至也可自动调整加工机床生产指令，当一台机床出现问题时，将生产任务自动安排于另外一台机床来加工。生产过程网络化将开辟全新的可能性，它不只是简单的进行数据汇总收集，数字化将改变整个价值的创建过程。Walter集团总裁表示：“物联网将使金属切削工业产生革命性的进展。它不会一夜间发生，但是其速度比很多人所想的要快得多”。