數(shù)控刀具幾何量測(cè)量技術(shù)進(jìn)展

具有高性能、高精度、高可靠性及專(zhuān)業(yè)化的數(shù)控刀具在現(xiàn)代切削加工技術(shù)上的重要性，已成為機(jī)械制造業(yè)界的共識(shí)。“利潤(rùn)出在刀尖上”成為不爭(zhēng)的事實(shí)。而數(shù)控刀具測(cè)量技術(shù)在數(shù)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(rèn)同和密切的關(guān)注——“測(cè)量也是生產(chǎn)力”在制造信息化時(shí)代進(jìn)一步得到驗(yàn)證體現(xiàn)。隨著對(duì)于現(xiàn)代先進(jìn)切削理論和加工技術(shù)的不斷探索、實(shí)踐和發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控刀具幾何量測(cè)量的研究探索和技術(shù)的開(kāi)發(fā)實(shí)踐也在不斷深化、擴(kuò)展和創(chuàng)新，以滿(mǎn)足日新月異機(jī)械加工制造業(yè)的更高要求。“械制造2025”為我國(guó)機(jī)械制造業(yè)指明了“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化”的發(fā)展方向和目標(biāo)，這同樣也是我國(guó)數(shù)控刀具測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向和道路。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在數(shù)控刀具測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)所取得的進(jìn)展與成果進(jìn)行總結(jié)。

數(shù)控刀具幾何量的測(cè)量要素/參數(shù)及評(píng)定指標(biāo)不斷擴(kuò)展、深化，測(cè)量精確度、細(xì)微化和整體性進(jìn)一步提升

就數(shù)控刀具幾何量要素/參數(shù)測(cè)量技術(shù)而言，近年來(lái)在不斷提高測(cè)量精度、推進(jìn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)全數(shù)測(cè)量、實(shí)現(xiàn)非接觸高效化三維測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理分析的同時(shí)，已經(jīng)從宏觀幾何尺度測(cè)量領(lǐng)域向微觀幾何尺度測(cè)量領(lǐng)域擴(kuò)展和深化。也就是說(shuō)從傳統(tǒng)的切削刀具幾何量宏觀尺度領(lǐng)域、與數(shù)控刀具切削性能基本特性直接相關(guān)聯(lián)的、數(shù)控刀具幾何尺寸和形狀位置參數(shù)的“宏觀精度”測(cè)量，向切削刀具幾何量微觀尺度領(lǐng)域、與數(shù)控刀具切削壽命、可靠性等使用性能密切相關(guān)的、數(shù)控刀具微觀幾何形貌和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的“微觀形貌”測(cè)量擴(kuò)展深化。對(duì)具體測(cè)量參數(shù)而言，前者往往是對(duì)刀具上特定幾何特征點(diǎn)/位置的測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果通常為確定的單一數(shù)值（如刀具的各種切削角度、直徑長(zhǎng)度、夾持定位基準(zhǔn)垂直度等的測(cè)量）；而后者往往是對(duì)隨機(jī)選定的點(diǎn)位/局部區(qū)域的測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果更具有統(tǒng)計(jì)數(shù)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(qū)微織構(gòu)形貌及三維刃口表面粗糙度等的測(cè)量

哈工大很早就對(duì)超精密切削刀具，尤其是超精密金剛石刀具的刃區(qū)/刃口微觀幾何形狀和形貌進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)期深入、持續(xù)的研究，在切削刃微觀幾何參數(shù)的定義、評(píng)定以及測(cè)量方法等領(lǐng)域都做出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

數(shù)控刀具測(cè)量對(duì)象，由“個(gè)體、局部”向整體化、系統(tǒng)化、綜合化擴(kuò)展

(1)數(shù)控刀具/刀片的三維幾何量測(cè)量

數(shù)控刀具/刀片的幾何量測(cè)量，經(jīng)歷了從1維、2維測(cè)量向3維實(shí)體掃描測(cè)量的發(fā)展歷程，從而使數(shù)控刀具/刀片個(gè)體測(cè)量與質(zhì)量評(píng)價(jià)的完整性和精確度得到了很大的提升和強(qiáng)化。

值得提出的是在數(shù)控刀片輪廓形狀的三維測(cè)量上，哈理工于2001-2003年與哈量合作，成功開(kāi)發(fā)出了我國(guó)首臺(tái)數(shù)字化三維輪廓檢測(cè)儀及相應(yīng)軟件（見(jiàn)圖3），用于數(shù)控刀片切屑成形理論、斷屑機(jī)理和斷屑槽型的研究和開(kāi)發(fā)中。（哈理工“切屑成形及斷屑機(jī)理”相關(guān)科研成果曾榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)）

(2)數(shù)控刀具的幾何量測(cè)量，從刀具個(gè)體的“單件”測(cè)量向刀具切削組合系統(tǒng)的“系統(tǒng)”測(cè)量擴(kuò)展；從刀具/刀片的單項(xiàng)幾何精度，走向刀具-軸切削系統(tǒng)的綜合幾何精度測(cè)量擴(kuò)展

數(shù)控刀具的測(cè)量對(duì)象，從傳統(tǒng)的、以單個(gè)數(shù)控刀具/刀片幾何尺寸精度測(cè)量為主，進(jìn)展到對(duì)用于安裝有不重磨數(shù)控刀片的、復(fù)雜刀體的精確幾何量測(cè)量，最終發(fā)展到向包括定位、預(yù)調(diào)、裝夾精度在內(nèi)的、整體式/裝配式數(shù)控刀具的整體綜合精度的精確測(cè)量。

考慮到為適應(yīng)高速高效高精度高性能切削的要求，近年來(lái)除了重視對(duì)數(shù)控刀具的測(cè)量，人們特別關(guān)注夾持刀具連接機(jī)床主軸的工具系統(tǒng)的幾何量精度檢測(cè)。以德國(guó)德寶測(cè)量系列量具量?jī)x為典型的國(guó)外儀器等都常見(jiàn)諸于市場(chǎng)；國(guó)內(nèi)則有成都工具研究所、哈量及江蘇理工大學(xué)等單位在這方面也做了不少研究與開(kāi)發(fā)工作。圖4左上為江蘇大學(xué)近二年成功研制的數(shù)控工具系統(tǒng)及刀柄檢測(cè)儀器，該產(chǎn)品可檢測(cè)HSK63、HSK100等不同規(guī)格刀柄的錐體大端直徑、小端直徑，特別是還能檢測(cè)刀柄30°夾緊斜面位置尺寸、卸刀面位置尺寸等多種參數(shù)，其測(cè)量結(jié)果可供統(tǒng)計(jì)分析，受到市場(chǎng)關(guān)注和歡迎。

近年來(lái)人們將測(cè)量范圍擴(kuò)展，更加注重針對(duì)由數(shù)控機(jī)床軸（刀具安裝錐孔-端面）、工具系統(tǒng)及數(shù)控刀具所構(gòu)建而成的、精確定位夾緊聯(lián)結(jié)在一起的、機(jī)床軸-工具系統(tǒng)-刀具組合體的測(cè)量（簡(jiǎn)稱(chēng)為“刀具-軸切削系統(tǒng)”或“刀具-軸系統(tǒng)”）。將該“刀具-軸系統(tǒng)”視為一個(gè)整體測(cè)量對(duì)象來(lái)考慮，對(duì)各個(gè)組件的單項(xiàng)幾何量參數(shù)精度和組合體整體的綜合幾何量參數(shù)精度分別進(jìn)行精確測(cè)量，即對(duì)影響到刀具軸組合體連接性能（如連接強(qiáng)度、連接精度）、系統(tǒng)綜合機(jī)械強(qiáng)度、配合質(zhì)量狀態(tài)和定位精度等使用性能指標(biāo)相關(guān)的幾何尺寸、形位公差以及綜合精度等各項(xiàng)幾何量要素/參數(shù)都進(jìn)行測(cè)量、分析與判定。值得提出的是，隨著過(guò)定位雙面接觸夾緊工具系統(tǒng)的廣泛普及，以及由多種形狀復(fù)雜的、高精度-可靠性-一致性的不重磨刀片、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精度刀體及高強(qiáng)度緊固螺釘?shù)秹|等連接件組成的、復(fù)雜型面成型專(zhuān)用數(shù)控刀具的大量推廣應(yīng)用，大大提升了對(duì)數(shù)控刀具裝夾組合件“刀具-軸系統(tǒng)”的各相關(guān)配合和綜合尺寸靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度測(cè)量的難度和迫切性。

總之，就現(xiàn)階段而論數(shù)控刀具幾何量的測(cè)量范疇至少應(yīng)包括：數(shù)控刀具/刀片切削幾何要素參數(shù)的測(cè)量，刀片/刀體/刀柄/刀具系統(tǒng)的定位裝夾幾何要素參數(shù)的測(cè)量，刃口微觀切削幾何要素參數(shù)的測(cè)量，刀具切削工作區(qū)（前面、切削刃、后面等）微觀形貌幾何量參數(shù)的測(cè)量、數(shù)控刀具及“刀具系統(tǒng)”綜合幾何量/參數(shù)測(cè)量等所涉及的五個(gè)范疇。這些測(cè)量領(lǐng)域近年來(lái)都得到了較快發(fā)展。

與之相適應(yīng)的是，數(shù)控刀具切削過(guò)程中的在線(xiàn)在機(jī)“刀具-軸切削系統(tǒng)”綜合精度幾何量測(cè)量也得到快速發(fā)展。測(cè)量傳感器原理有激光、紅外、平行光源或聚焦點(diǎn)測(cè)量，形式特點(diǎn)各異，性能也略有差異。但迄今在這個(gè)領(lǐng)域尚未見(jiàn)到國(guó)產(chǎn)的。

當(dāng)今數(shù)控刀具測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，令人耳目一新。由通用化向?qū)I(yè)化發(fā)展，從采用傳統(tǒng)的通用機(jī)械光學(xué)精密儀器對(duì)刀具的測(cè)量（如光學(xué)萬(wàn)能工具顯微鏡、投影儀等），發(fā)展到如今專(zhuān)用的、機(jī)光電計(jì)算機(jī)技術(shù)集成一體的數(shù)控刀具測(cè)量?jī)x器（如數(shù)控刀具調(diào)整測(cè)量?jī)x即對(duì)刀儀等）。機(jī)械手/機(jī)器人已經(jīng)用于刀具制造的生產(chǎn)和檢測(cè)工序中，由于在機(jī)械手或機(jī)器人手臂上安裝了檢測(cè)傳感器，因此不但可以完成被檢測(cè)刀片/刀具工件的上下料，還升級(jí)成為自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)器人或檢測(cè)儀器。它將融入數(shù)控刀具生產(chǎn)線(xiàn)，成為生產(chǎn)制造過(guò)程不可或缺的組成部分（見(jiàn)圖7）。英國(guó) Renishaw 觸發(fā)式側(cè)頭在國(guó)外數(shù)控刀具磨床加工中早就得到了普及應(yīng)用，成為機(jī)床標(biāo)配附件.

（1）數(shù)控刀具測(cè)量信息的集成融合，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具制造過(guò)程的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程診斷，構(gòu)建數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控刀具集成測(cè)量系統(tǒng)。

數(shù)控刀具/刀片制造過(guò)程的測(cè)量技術(shù)/儀器，由遠(yuǎn)離一線(xiàn)、實(shí)施“抽樣”、“被動(dòng)”質(zhì)量判定。如由在傳統(tǒng)的計(jì)量室/站，用測(cè)量?jī)x器對(duì)數(shù)控刀具抽樣檢測(cè)判定質(zhì)量合格與否的離線(xiàn)測(cè)量，發(fā)展到在刀具生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)/在機(jī)/在線(xiàn)的、以非接觸式、工業(yè)視覺(jué)/圖像數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、虛擬或?qū)嶓w化數(shù)控測(cè)量?jī)x器為主的、數(shù)控刀具/刀片百分之百的全數(shù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程的“主動(dòng)”監(jiān)測(cè)控制，對(duì)批量測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)有效進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定比對(duì)與故障診斷。我國(guó)數(shù)控刀具最大的生產(chǎn)廠商株洲鉆石近年和高校合作，成功開(kāi)發(fā)了硬質(zhì)合金刀片自動(dòng)檢測(cè)分選機(jī)。該儀器已在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)工作并融入生產(chǎn)工序。它采用了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，在機(jī)械手的協(xié)助下對(duì)批量生產(chǎn)的各種硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行100%的檢測(cè)和自動(dòng)分組分級(jí)，大大提高了刀片質(zhì)量檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。廈門(mén)大學(xué)等院校曾為加工硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片、配有機(jī)械手自動(dòng)上下料的數(shù)控工具磨床開(kāi)發(fā)了一種在線(xiàn)、非接觸式機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，對(duì)刀片毛坯裝夾后進(jìn)行中心定位與尺寸檢測(cè)。根據(jù)所測(cè)參數(shù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算得到實(shí)際加工余量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控刀片的高效高精度磨削加工