數控刀具幾何量測量技術進展

具有高性能、高精度、高可靠性及專業化的數控刀具在現代切削加工技術上的重要性，已成為機械制造業界的共識。“利潤出在刀尖上”成為不爭的事實。而數控刀具測量技術在數控刀具制造和使用中的重要性，也隨之逐漸得到人們更為清晰的認同和密切的關注——“測量也是生產力”在制造信息化時代進一步得到驗證體現。隨著對于現代先進切削理論和加工技術的不斷探索、實踐和發展，人們對數控刀具幾何量測量的研究探索和技術的開發實踐也在不斷深化、擴展和創新，以滿足日新月異機械加工制造業的更高要求。“械制造2025”為我國機械制造業指明了“數字化、網絡化和智能化”的發展方向和目標，這同樣也是我國數控刀具測量技術的發展方向和道路。本文對近年來國內外在數控刀具測量領域內所取得的進展與成果進行總結。

數控刀具幾何量的測量要素/參數及評定指標不斷擴展、深化，測量精確度、細微化和整體性進一步提升

就數控刀具幾何量要素/參數測量技術而言，近年來在不斷提高測量精度、推進實時在線全數測量、實現非接觸高效化三維測量、網絡化測量數據傳輸和數據處理分析的同時，已經從宏觀幾何尺度測量領域向微觀幾何尺度測量領域擴展和深化。也就是說從傳統的切削刀具幾何量宏觀尺度領域、與數控刀具切削性能基本特性直接相關聯的、數控刀具幾何尺寸和形狀位置參數的“宏觀精度”測量，向切削刀具幾何量微觀尺度領域、與數控刀具切削壽命、可靠性等使用性能密切相關的、數控刀具微觀幾何形貌和結構特征參數的“微觀形貌”測量擴展深化。對具體測量參數而言，前者往往是對刀具上特定幾何特征點/位置的測量，其測量結果通常為確定的單一數值（如刀具的各種切削角度、直徑長度、夾持定位基準垂直度等的測量）；而后者往往是對隨機選定的點位/局部區域的測量，其測量結果更具有統計數值表征的意義（如刀具切削刃口形貌、刃口鈍化形狀、刃口鈍化半徑大小、刃區微織構形貌及三維刃口表面粗糙度等的測量，

哈工大很早就對超精密切削刀具，尤其是超精密金剛石刀具的刃區/刃口微觀幾何形狀和形貌進行過長期深入、持續的研究，在切削刃微觀幾何參數的定義、評定以及測量方法等領域都做出了開創性的貢獻。

數控刀具測量對象，由“個體、局部”向整體化、系統化、綜合化擴展

(1)數控刀具/刀片的三維幾何量測量

數控刀具/刀片的幾何量測量，經歷了從1維、2維測量向3維實體掃描測量的發展歷程，從而使數控刀具/刀片個體測量與質量評價的完整性和精確度得到了很大的提升和強化。

值得提出的是在數控刀片輪廓形狀的三維測量上，哈理工于2001-2003年與哈量合作，成功開發出了我國首臺數字化三維輪廓檢測儀及相應軟件（見圖3），用于數控刀片切屑成形理論、斷屑機理和斷屑槽型的研究和開發中。（哈理工“切屑成形及斷屑機理”相關科研成果曾榮獲國家科技進步二等獎）

(2)數控刀具的幾何量測量，從刀具個體的“單件”測量向刀具切削組合系統的“系統”測量擴展；從刀具/刀片的單項幾何精度，走向刀具-軸切削系統的綜合幾何精度測量擴展

數控刀具的測量對象，從傳統的、以單個數控刀具/刀片幾何尺寸精度測量為主，進展到對用于安裝有不重磨數控刀片的、復雜刀體的精確幾何量測量，最終發展到向包括定位、預調、裝夾精度在內的、整體式/裝配式數控刀具的整體綜合精度的精確測量。

考慮到為適應高速高效高精度高性能切削的要求，近年來除了重視對數控刀具的測量，人們特別關注夾持刀具連接機床主軸的工具系統的幾何量精度檢測。以德國德寶測量系列量具量儀為典型的國外儀器等都常見諸于市場；國內則有成都工具研究所、哈量及江蘇理工大學等單位在這方面也做了不少研究與開發工作。圖4左上為江蘇大學近二年成功研制的數控工具系統及刀柄檢測儀器，該產品可檢測HSK63、HSK100等不同規格刀柄的錐體大端直徑、小端直徑，特別是還能檢測刀柄30°夾緊斜面位置尺寸、卸刀面位置尺寸等多種參數，其測量結果可供統計分析，受到市場關注和歡迎。

近年來人們將測量范圍擴展，更加注重針對由數控機床軸（刀具安裝錐孔-端面）、工具系統及數控刀具所構建而成的、精確定位夾緊聯結在一起的、機床軸-工具系統-刀具組合體的測量（簡稱為“刀具-軸切削系統”或“刀具-軸系統”）。將該“刀具-軸系統”視為一個整體測量對象來考慮，對各個組件的單項幾何量參數精度和組合體整體的綜合幾何量參數精度分別進行精確測量，即對影響到刀具軸組合體連接性能（如連接強度、連接精度）、系統綜合機械強度、配合質量狀態和定位精度等使用性能指標相關的幾何尺寸、形位公差以及綜合精度等各項幾何量要素/參數都進行測量、分析與判定。值得提出的是，隨著過定位雙面接觸夾緊工具系統的廣泛普及，以及由多種形狀復雜的、高精度-可靠性-一致性的不重磨刀片、形狀結構復雜的高精度刀體及高強度緊固螺釘刀墊等連接件組成的、復雜型面成型專用數控刀具的大量推廣應用，大大提升了對數控刀具裝夾組合件“刀具-軸系統”的各相關配合和綜合尺寸靜態和動態精度測量的難度和迫切性

總之，就現階段而論數控刀具幾何量的測量范疇至少應包括：數控刀具/刀片切削幾何要素參數的測量，刀片/刀體/刀柄/刀具系統的定位裝夾幾何要素參數的測量，刃口微觀切削幾何要素參數的測量，刀具切削工作區（前面、切削刃、后面等）微觀形貌幾何量參數的測量、數控刀具及“刀具系統”綜合幾何量/參數測量等所涉及的五個范疇。這些測量領域近年來都得到了較快發展。

與之相適應的是，數控刀具切削過程中的在線在機“刀具-軸切削系統”綜合精度幾何量測量也得到快速發展。測量傳感器原理有激光、紅外、平行光源或聚焦點測量，形式特點各異，性能也略有差異。但迄今在這個領域尚未見到國產的。

當今數控刀具測量儀器的發展，令人耳目一新。由通用化向專業化發展，從采用傳統的通用機械光學精密儀器對刀具的測量（如光學萬能工具顯微鏡、投影儀等），發展到如今專用的、機光電計算機技術集成一體的數控刀具測量儀器（如數控刀具調整測量儀即對刀儀等）。機械手/機器人已經用于刀具制造的生產和檢測工序中，由于在機械手或機器人手臂上安裝了檢測傳感器，因此不但可以完成被檢測刀片/刀具工件的上下料，還升級成為自動化檢測機器人或檢測儀器。它將融入數控刀具生產線，成為生產制造過程不可或缺的組成部分（見圖7）。英國 Renishaw 觸發式側頭在國外數控刀具磨床加工中早就得到了普及應用，成為機床標配附件。

（1）數控刀具測量信息的集成融合，以實現數控刀具制造過程的在線實時監測及遠程診斷，構建數字化網絡化的數控刀具集成測量系統。

數控刀具/刀片制造過程的測量技術/儀器，由遠離一線、實施“抽樣”、“被動”質量判定。如由在傳統的計量室/站，用測量儀器對數控刀具抽樣檢測判定質量合格與否的離線測量，發展到在刀具生產現場/在機/在線的、以非接觸式、工業視覺/圖像數字化測量技術、虛擬或實體化數控測量儀器為主的、數控刀具/刀片百分之百的全數檢測，實現對制造過程的“主動”監測控制，對批量測試結果實時統計分析，及時有效進行質量評定比對與故障診斷。我國數控刀具最大的生產廠商株洲鉆石近年和高校合作，成功開發了硬質合金刀片自動檢測分選機。該儀器已在車間現場工作并融入生產工序。它采用了機器視覺系統，在機械手的協助下對批量生產的各種硬質合金刀片進行100%的檢測和自動分組分級，大大提高了刀片質量檢測的效率和準確性。廈門大學等院校曾為加工硬質合金可轉位刀片、配有機械手自動上下料的數控工具磨床開發了一種在線、非接觸式機器視覺測量技術，對刀片毛坯裝夾后進行中心定位與尺寸檢測。根據所測參數實際數據計算得到實際加工余量，實現了數控刀片的高效高精度磨削加工

（2）融合集成數控刀具制造全過程所有測量儀器系統和測量數據，構建一個智能化數控刀具制造測量平臺；在此基礎上，測量平臺和制造平臺（包括硬件和軟件）互相集成融合，特別是數控刀具測量信息和數控刀具制造信息的融合，構建了一個基于物聯網的數字化網絡化智能化的數控刀具閉環制造系統。

從傳統的單機/單參數的刀具測量儀器“孤島”，發展到現今通過數字化、網絡化而構建數控刀具制造全過程的智能化數控刀具測量系統平臺；通過網絡化（包含局域網），實施數控刀具制造過程的遠程故障診斷、遠程監測控制，實現“少廢品、無廢品制造”；集成機器人或機器測量人，構建數字化、網絡化、智能化的數控刀具閉環制造系統（見圖9）。國內哈量集團和中大創遠在2015北京機床展覽會上首次分別亮相了他們的弧錐齒輪數控刀具/刀盤閉環制造系統。

（3）數控刀具信息和切削加工制造系統信息的融合集成，構建“基于物聯網的數字化、網絡化、智能化切削加工制造系統”。

可以看出，數控刀具測量技術的發展和機械制造業具量儀測量技術的發展是一脈相承的，但同時它也具有其鮮明的特色：對于生產現場切削加工過程中，數控刀具的宏觀/微觀刀具幾何量的在機在線實時檢測監控測量技術的發展更為重要。西安交大機械學院為無錫油嘴油泵研究所開發的、包含車磨鉆等切削加工工藝在內的、基于物聯網的機械加工數字化檢測平臺/質量管控系統，為推動機械制造行業的數字化網絡化智能化制造做出開拓性的探索與實踐，取得了可喜成果

數控刀具幾何量測量技術與儀器實例簡介

（1）數控刀具切削刃區三維微觀幾何形貌的測量

數控刀具微觀三維形貌的測量，一直受到刀具制造廠商和科研院所的重視。前文所提及的哈理工和哈量于本世紀初聯合開發的三維表面粗糙度輪廓測量儀，就是為了滿足當時在探索高速高效切削技術過程中，人們在研究數控刀具/刀片切削刃區表面微觀形貌和斷屑槽型對切削過程和切屑形成機理的影響和作用時，而提出的測量儀器需求（見圖1、圖3）。由于能對刀具刃口進行快速細微掃描三維檢測，光電非接觸式探測技術近年也獲得新發展。

德國GFM公司采用相位測量線紋邊緣投影法可即時提供被測工件表面形貌的精確高度值，而與工件的對比度無關；借助于單一短線紋序列對整個高度范圍內實施測量，而不需要垂直高度掃描。其工作原理見圖11左。儀器在一次測量中能獲取30萬-5百萬個像素，抓取到一個相當大高度范圍內的數據。借助相位測量，線紋邊緣位置測量精度高于線寬的1%，從而它的高度分辨力通常至少要好于10倍的相機分辨力。其表面參數平均值（如用于平面度測量）的測量精度甚至比這還要好若干倍。由德州儀器公司開發的數字式微鏡顯示器（DLP）構成的線紋邊緣模塊投影（由200萬個DLP集成）有極好精密度

考慮到傳統接觸式測頭雖然是一種有效的測量手段，但是在測量微型零件和切削刀具時存在較大的局限性：探針的針尖圓弧半徑較大，有時可能無法測出非常精細的表面結構，從而導致測量結果失真。此外，在測量一些復雜形狀（如刀具切削刃）時，由于探針的針尖很容易滑落，因此往往無法對工件邊緣進行測量。

奧地利Alicona公司開發了Infinite Focus Real3D（無限聚焦實體三維）光學測量系統，采用白光和無限聚焦的工作原理，借助于電機驅動的聚焦裝置，使軟件控制焦平面的改變以及最佳照明，從而得到若干多個高質量聚焦圖像。新的快速圖像處理算法能保證得到最佳聚焦圖像的高銳化度，以便用于精密測量工件的形狀、表面粗糙度和輪廓。筆者以為該測量系統的工作原理類同于圖10右示的白光共焦顯微鏡的工作原理，即它是一臺變焦測量儀器，該全新該無限聚焦系統能使我們獲得并計算出任意聚焦深度上的高銳化度、高品質的一疊二維圖像，利用相關軟件和計算方法，集成融合而為一個被測物體的真實三維圖像。與傳統光學顯微鏡相比較，它可獲得圖像的聚焦深度增大了1000倍，從而實現可視化及分析。該系統集三維表面測量裝置和微型坐標測量機的功能于一身，實現了對大測量空間和復雜結構表面（或粗糙表面）的高精度測量（縱向分辨率可達10nm，橫向分辨率可達400nm）。這意味著只需用一臺儀器就能完成對工件形狀和表面粗糙度的測量。

Infinite Focus系統的完整形狀光學三維測量功能主要是基于其變焦（Focus-Variation）技術，該技術利用垂直掃描光學系統較小的焦深來提供形貌和色彩信息。與其他光學測量技術相比，該系統有兩個特點：①其測量方法并不局限于同軸照明或其它特定的照明方式，可以對最大可測傾角（約為90°）進行測量；②對每個測量點可提供真實彩色顯示的測量信息，而一次測量的測量點可超過1億個。此外，Infinite Focus系統可以配備一個三維旋轉裝置，從而能對一些圓形工件（如立銑刀和鉆頭）進行360°全方位測量（見圖2）。該功能是基于一種先進的三維數據合成技術來實現的，該技術能將從各個不同位置測得的測量結果自動整合為一組完整的三維數據。“Real3D”技術可從不同的角度對同一把刀具進行可視化測量，它可以測量其輪廓、尺寸差和形狀。這項完整形狀光學三維測量技術對刀具制造商提高刀具（如微型鉆頭）使用壽命有很大的幫助。刀具制造商可以借助該技術精確地檢測刀具磨損情況。由于可以檢測一個三維物體的幾乎所有形貌，從而能更好地了解工藝性能，有助于優化制造工藝，以較小的誤差預算達到公差要求。在質量控制方面，該測量技術可以集成到生產流程中，在將工件送到坐標測量機上進行終檢之前確保其加工精度。

（2）數控刀具/刀片制造過程中在機/在線100%全數自動化測量

號稱專用精密測量儀器與試驗機制造領域的歐洲引領者，德國BLUM-NOVOTEST公司下設有三個開發部：測量部件部主要開發生產用于數控機床的質量檢測技術與產品，如觸發式測頭（不同于雷尼紹三叉結構，而是多齒盤設計）、機床上用激光測量系統，對刀具及復雜零件的裝調可實施在機撿測監控（見圖6）。測量儀器部為滿足用戶不同需求而提供先進可靠的方案，解決各種尺寸和幾何量測量問題，如汽車工業中的重要零部件的檢測專用儀器。其第三個開發部門為試驗機分部，主要為汽車、飛機工業等開發研制用于上述行業中產品/部件的性能試驗機、壽命試驗機等，并和用戶廠商合作，設法將檢測試驗儀器融入集成到客戶的生產線中。值得介紹的是該公司開發的、用于數控刀片成品檢測和分選分類的自動化檢測儀器“BMK3數控刀片自動檢測分選機”

該儀器操作可分為7個步驟，包括對批量不重磨數控刀片分別進行自動位置識別、抓取、傳送、檢測與分類等等工序。儀器采用了真空吸取夾持器的并聯機構機械手快速抓取移動、傳送分類被檢測硬質合金刀片。專用相機辨認識別刀片形狀位置；在同一臺儀器的測量工位上，用機器視覺系統對刀片的缺陷及關鍵尺寸參數精度進行自動測量并分類。不合格、一等、二等至五等不同級別的刀片由同一并聯機械手自動、快速、準確地放入不同包裝盒中，完成檢測及質量分等。

（3）基于物聯網的金屬切削加工制造網絡化生產

著名的數控刀具及裝備制造商Walter公司于2012年就已經與軟件開發公司Comara合作，著手共同開發一個適應于生產環境的軟件服務平臺，將物聯網引入到金屬切削制造業。該服務平臺稱之為“walter multiply”，它能實現機床、數控刀具、制造裝備以及測量儀器裝置之間的直接通訊。對于任何一個使用該平臺的用戶而言，可以根據自身條件和目標，利用該平臺快速有效地開發出各自所需的金屬切削領域中的應用，進而推動并促成企業實現“基于物聯網”的、金屬切削加工“網絡化生產”，從而獲得強大的競爭優勢。屆時，平臺在生產條件背景下自動計算出來并確定該機床最佳換刀策略，從而機床操作者就能明確知道切削機床將何時換刀、換哪把刀，刀具配送員也能及時發送適當刀具。刀具切削參數可以在機床上進行實時調整，甚至也可自動調整加工機床生產指令，當一臺機床出現問題時，將生產任務自動安排于另外一臺機床來加工。生產過程網絡化將開辟全新的可能性，它不只是簡單的進行數據匯總收集，數字化將改變整個價值的創建過程。正如Walter集團總裁所說：“物聯網將使金屬切削工業產生革命性的進展。它不會一夜間發生，但是其速度比很多人所想的要快得多”。