刀具檢測儀器的發(fā)展新展望

　　刀具檢測儀器使用的測頭分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測頭通過探針與刀具或工件接觸而獲取數(shù)據(jù)。非接觸式測頭則是利用光束（通常是激光束）從刀具或工件表面反射到一個接收器中來獲取數(shù)據(jù)。

　　為了保護基于激光測頭的測量儀器在加工現(xiàn)場環(huán)境下不被飛濺的切屑和冷卻液所損壞，一些制造商將激光器裝在一個密閉容器內(nèi)。當需要進行測量時，該容器的窗口就會打開。在激光進行掃描測量的同時，一股氣流可將切屑和冷卻液吹開。掃描測量完成后，容器窗口就會關(guān)閉。

　　刀具的缺失、破損、磨損或選刀錯誤都可能導致機床停機或造成代價不菲的工件報廢。由于許多加工都建立在刀具壽命的基礎之上，因此，反映刀具切削刃及涂層狀態(tài)的性能數(shù)據(jù)至關(guān)重要。此外，醫(yī)療、航空和汽車等行業(yè)對零部件加工精度的要求不斷提高，也對刀具的測量帶來了新的挑戰(zhàn)。基于這些理由，使用刀具監(jiān)測儀器通常是物有所值的。

　　接觸式測頭適用于許多加工場合，但也具有以下局限性：

　?、儆行┙佑|式測頭在測量時，要求機床主軸停轉(zhuǎn)，因此無法進行動態(tài)檢測；

　?、诮佑|式測頭能夠檢測的特征參數(shù)有限（主要是刀具直徑）； 　

　　③必須考慮夾持問題，因此接觸式測頭很難避免與工件發(fā)生接觸；

　　④接觸式測頭不能檢測非常柔軟的工件；

　?、萦媒佑|式測頭檢測刀具破損非常有效，但如果需要測量絲錐上的排屑槽之類的誤差，接觸式測頭就有些力不從心。

　　測頭既可以由外部電纜線供電，也可以使用電池。在走線困難或環(huán)境惡劣的情況下，使用電池具有一定優(yōu)越性。在使用無線發(fā)射裝置時，很重要的一點是背景信號不能與刀具傳感器發(fā)出的信號發(fā)生干涉。

　　由M&H Inprocess USA公司提供的35.40-TS對刀儀僅用于測量刀具的長度和直徑，它可以安裝在一個與機床工作臺相配合的載物臺上。為了測量刀具長度，機床主軸將對刀儀提升到靠近刀具的位置，然后由測頭對刀具進行掃描測量，并將尺寸數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器中。

　　帕萊克（Parlec）公司的刀具檢測儀可實現(xiàn)對刀具的初始檢測。它用一個高分辨率的視頻攝像機對刀具進行掃描，照明的強度和方向可以根據(jù)被測刀具的需要進行調(diào)節(jié)。這種儀器還可以在加工過程中監(jiān)測刀具的磨損和破損。

　　據(jù)帕萊克公司刀具檢測系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Chris Nuccitelli介紹，儀器的放大倍數(shù)達50倍，可以檢測小到0.0025mm的刀具。攝像機可將掃描圖像輸入計算機或顯示在技術(shù)人員的屏幕上，進行誤差評定。通過編程，攝像機還可以測量和報告一些特定的關(guān)鍵尺寸（如刀具的長度和直徑）。Nuccitelli說，“視覺檢測還包括檢查刀具的幾何形狀、磨損狀況和裂紋。此外，某些數(shù)據(jù)（如磨損補償量或刀具偏置量）可以直接傳送到機床控制系統(tǒng)，加工程序即可根據(jù)需要進行尺寸補償?！?

　　雷尼紹（Renishaw）公司開發(fā)了幾種用于刀具檢測和評定的儀器。其中包括外形緊湊、采用非接觸式測量的NC4型刀具預調(diào)及刀具破損檢測儀。該型號采用了分離的發(fā)射器和接收器，可測范圍達30mm×50mm，刀具直徑最小可到0.2mm，還可以檢測小至0.1mm的刀具破損。

　　NC1型的發(fā)射器和接收器既可以預裝在同一個單元中，也可以作為單獨的模塊供貨，其測量光束可長達2m。NC3型的測量范圍達到135mm×26mm×77mm，主要用于小型加工中心和高速切削機床。

　　TRS2型刀具破損檢測系統(tǒng)將激光光源和檢測電子裝置集成在同一個單元中，其測量范圍為83mm×38mm×73mm，主要用于檢測整體式旋轉(zhuǎn)刀具，包括鉆頭、絲錐、鉸刀、槽鉆、標準和球頭立銑刀，以及小至0.2mm的槍鉆。激光系統(tǒng)的檢測范圍可達0.3～2.0m。

    利用Toolwise編程，TRS2能夠識別完好的刀具和破損的刀具。它可以分析進入測量光束的旋轉(zhuǎn)刀具所產(chǎn)生的反射光圖案，以及由冷卻液或切屑產(chǎn)生的無規(guī)律反射光圖案。當?shù)毒咝D(zhuǎn)時，刀具切削刃產(chǎn)生的反射光圖案有一定的規(guī)律，而切屑和冷卻液產(chǎn)生的圖案則是隨機混亂的。一種具有重復性的圖案代表完好的刀具，而不重復的圖案則表明刀具已經(jīng)破損。

　　無線雙測頭系統(tǒng)將工件安裝與測量功能與對刀和刀具破損檢測功能集成到一起。這種無線對刀儀特別適用于具有雙托盤或雙旋轉(zhuǎn)工作臺的加工機床。其光學發(fā)射系統(tǒng)的設計可以避免發(fā)生光干涉。

　　雷尼紹測頭被安放在機床刀庫里，并被編入工件加工程序中。自動換刀機械手可將測頭從刀庫中取出并裝到主軸上，用于確定工件的安裝位置，在加工過程中進行測量和補償，以及當加工工藝、軸系和工件的加工面發(fā)生變化時，自動重設機床的坐標系。測頭的360°紅外光學反射系統(tǒng)使其可在主軸處于任意方位時都能正常工作。

　　馬坡斯公司（Marposs Corp.）的Mida分部為銑削機床分別開發(fā)了接觸式（觸碰）和非接觸式（激光）刀具測量儀器。Mida產(chǎn)品經(jīng)理Sharad Mundra表示，“接觸式對刀儀僅限于測量刀具長度和檢查刀具破損，以及對刀具直徑進行粗略估計，因為它是在最大400r/min的轉(zhuǎn)速下對刀具進行測量。測量過程比較慢，因為控制器必須將讀數(shù)值與標準值進行比較。不過，與非接觸式激光測量系統(tǒng)相比，這種接觸式對刀儀價格更低廉，其測量刀具長度的重復性精度可達1μm，而且流動的冷卻液和飛濺的切屑都不會對測量造成影響。”

　　馬坡斯公司的Mida三維形狀檢測儀（Mida 3-D Shape Inspector）軟件是一種基于CAD的測量程序，它可以將加工機床轉(zhuǎn)化為一臺虛擬坐標測量機。它可以使用測頭傳感器檢測工件和刀具。用戶可在離線狀態(tài)下為所有需要觸測的點位生成G碼，并將生成的G碼輸入機床控制系統(tǒng)，并運行測量程序。然后，將測頭獲得的觸測數(shù)據(jù)傳回三維形狀檢測儀軟件中，生成檢測報告，或?qū)Φ毒吆凸ぜM行所需要的偏置調(diào)整。

    Blum激光測量技術(shù)公司（Blum Laser Measurement Technology Inc.）可提供多種接觸式和非接觸式刀具測量儀，但其主打產(chǎn)品是用于動態(tài)檢測的非接觸式激光測量裝置。Blum公司總經(jīng)理Paul D. Meinhardt解釋說，這種激光測量裝置非常適合用于生產(chǎn)現(xiàn)場，它可以測量刀具的長度和直徑，確定刀具是否破損或缺失，還能檢查刀具切削刃的質(zhì)量和磨損狀態(tài)，這種功能對于模具銑削和無人值守加工尤其重要。在這些加工中，由于刀具需要在無人值守情況下長時間工作，因此掌握其磨損狀態(tài)至關(guān)重要。

　　這種激光測量裝置通常是作為隨機設備安裝在加工機床上，因此必須能夠承受冷卻液和切屑的干擾影響。Meinhardt說，“在切削加工開始之前檢查刀具的徑跳十分重要。例如，如果在換刀時有切屑混入了刀柄之中，鉸刀就會變得像鏜刀一樣?！?

　　每種激光測量系統(tǒng)都有自己的校準刀具（裝在熱裝刀柄中）。校準在需要時進行，只需15秒鐘即可完成。測量系統(tǒng)的精度取決于激光的聚焦能力。絕對精度（刀具到刀具）取決于激光束焦點光斑的大小，光斑直徑越小，絕對精度就越高。Blum激光測量裝置能夠測量小到0.005mm的刀具。有些機床上需要安裝一種分束激光測量系統(tǒng)，其測量距離可達203cm，采用一種特定的聚焦光束，可以測量直徑小至1mm的刀具。

　　Mida光學雙測頭系統(tǒng)是一種無線系統(tǒng)，它有一個簡潔的接收器界面（ORI），對刀測頭和檢測工件用測頭均可共用這一無線界面。這種設計可以簡化測量過程，尤其是在連接電纜線和視線觀察存在困難的情況下（如安裝在帶旋轉(zhuǎn)工作臺、雙托盤的機床以及多軸機床上使用時）。該測頭系統(tǒng)可以測量刀具的長度和直徑，檢查刀具的破損，在切削前檢測工件安裝情況，然后在切削后檢測工件尺寸，以校驗切削操作。

　　Mundra解釋說，“非接觸激光測頭系統(tǒng)（如Mida Laser 75P）測量速度更快，可以進行動態(tài)測量以及檢測徑跳誤差和刀具磨損。由于該系統(tǒng)的測量點可小至20μm，因此能夠評定刀具的切削刃磨損。通過軟件編程，先進的激光測量系統(tǒng)可以對掃描讀數(shù)值進行評定，準確分辨出由切削環(huán)境中的冷卻液產(chǎn)生的折射光與由實際刀具產(chǎn)生的反射光，并過濾掉錯誤的觸發(fā)信號以及由冷卻液的飛濺、霧化和殘留液滴產(chǎn)生的讀數(shù)值?！?

　　加工循環(huán)時間越來越長已經(jīng)成為一種趨勢，對于模具制造商來說尤其如此。Mida的一種刀具檢測儀可在加工過程中實時監(jiān)測刀具的磨損情況，并在必要時通過改變偏置量，對刀具磨損進行補償。如果發(fā)現(xiàn)刀具已經(jīng)磨鈍，則可換用備用刀具，以保證加工可在無人值守情況下連續(xù)進行。

　　對于車削加工，則需要采用分離型的刀具檢測儀，這主要是因為車刀切削時不旋轉(zhuǎn)。此類測頭采用接觸測量方式，有手動測量和自動測量兩種型號。為了實現(xiàn)“首件合格”的目標，采用“先試切再調(diào)整”的方法已很不方便。替代方法是在加工循環(huán)開始之前，用檢測儀或?qū)Φ秲x對加工所用刀具進行測量，對照編程理想位置檢查刀具的實際位置，并據(jù)此預調(diào)刀具位置。在加工過程中，測量系統(tǒng)可對刀具位置進行修改，以補償?shù)毒吣p和熱漂移，以及監(jiān)測刀具偏移量。