刀具檢測儀器的發展新展望

　　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據。非接觸式測頭則是利用光束（通常是雷射束）從刀具或工件表面反射到一個接收器中來獲取數據。

　　為了保護基於雷射測頭的測量儀器在加工現場環境下不被飛濺的切屑和冷卻液所損壞，一些製造商將雷射器裝在一個密閉容器內。當需要進行測量時，該容器的窗口就會打開。在雷射進行掃描測量的同時，一股氣流可將切屑和冷卻液吹開。掃描測量完成後，容器窗口就會關閉。

　　刀具的缺失、破損、磨損或選刀錯誤都可能導致工具機停機或造成代價不菲的工件報廢。由於許多加工都建立在刀具壽命的基礎之上，因此，反映刀具切削刃及塗層狀態的性能數據至關重要。此外，醫療、航空和汽車等行業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。基於這些理由，使用刀具監測儀器通常是物有所值的。

　　接觸式測頭適用於許多加工場合，但也具有以下局限性：

　　①有些接觸式測頭在測量時，要求工具機主軸停轉，因此無法進行動態檢測；

　　②接觸式測頭能夠檢測的特徵參數有限（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生接觸；

　　④接觸式測頭不能檢測非常柔軟的工件；

　　⑤用接觸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。在走線困難或環境惡劣的情況下，使用電池具有一定優越性。在使用無線發射裝置時，很重要的一點是背景信號不能與刀具傳感器發出的信號發生干涉。

　　由M&H Inprocess USA公司提供的35.40-TS對刀儀僅用於測量刀具的長度和直徑，它可以安裝在一個與工具機工作檯相配合的載物台上。為了測量刀具長度，工具機主軸將對刀儀提升到靠近刀具的位置，然後由測頭對刀具進行掃描測量，並將尺寸數據發送到接收器中。

　　帕萊克（Parlec）公司的刀具檢測儀可實現對刀具的初始檢測。它用一個高解析度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被測刀具的需要進行調節。這種儀器還可以在加工過程中監測刀具的磨損和破損。

　　據帕萊克公司刀具檢測系統產品經理Chris Nuccitelli介紹，儀器的放大倍數達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人員的螢幕上，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，某些數據（如磨損補償量或刀具偏置量）可以直接傳送到工具機控制系統，加工程序即可根據需要進行尺寸補償。」

　　雷尼紹（Renishaw）公司開發了幾種用於刀具檢測和評定的儀器。其中包括外形緊湊、採用非接觸式測量的NC4型刀具預調及刀具破損檢測儀。該型號採用了分離的發射器和接收器，可測範圍達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型的測量範圍達到135mm×26mm×77mm，主要用於小型加工中心和高速切削工具機。

　　TRS2型刀具破損檢測系統將雷射光源和檢測電子裝置集成在同一個單元中，其測量範圍為83mm×38mm×73mm，主要用於檢測整體式旋轉刀具，包括鑽頭、絲錐、鉸刀、槽鑽、標準和球頭立銑刀，以及小至0.2mm的槍鑽。雷射系統的檢測範圍可達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刀具所產生的反射光圖案，以及由冷卻液或切屑產生的無規律反射光圖案。當刀具旋轉時，刀具切削刃產生的反射光圖案有一定的規律，而切屑和冷卻液產生的圖案則是隨機混亂的。一種具有重複性的圖案代表完好的刀具，而不重複的圖案則表明刀具已經破損。

　　無線雙測頭系統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於具有雙托盤或雙旋轉工作檯的加工工具機。其光學發射系統的設計可以避免發生光干涉。

　　雷尼紹測頭被安放在工具機刀庫里，並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並裝到主軸上，用於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生變化時，自動重設工具機的坐標系。測頭的360°紅外光學反射系統使其可在主軸處於任意方位時都能正常工作。

　　馬坡斯公司（Marposs Corp.）的Mida分部為銑削工具機分別開發了接觸式（觸碰）和非接觸式（雷射）刀具測量儀器。Mida產品經理Sharad Mundra表示，「接觸式對刀儀僅限於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值與標準值進行比較。不過，與非接觸式雷射測量系統相比，這種接觸式對刀儀價格更低廉，其測量刀具長度的重複性精度可達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）軟體是一種基於CAD的測量程序，它可以將加工工具機轉化為一台虛擬坐標測量機。它可以使用測頭傳感器檢測工件和刀具。用戶可在離線狀態下為所有需要觸測的點位生成G碼，並將生成的G碼輸入工具機控制系統，並運行測量程序。然後，將測頭獲得的觸測數據傳回三維形狀檢測儀軟體中，生成檢測報告，或對刀具和工件進行所需要的偏置調整。

    Blum雷射測量技術公司（Blum Laser Measurement Technology Inc.）可提供多種接觸式和非接觸式刀具測量儀，但其主打產品是用於動態檢測的非接觸式雷射測量裝置。Blum公司總經理Paul D. Meinhardt解釋說，這種雷射測量裝置非常適合用於生產現場，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量和磨損狀態，這種功能對於模具銑削和無人值守加工尤其重要。在這些加工中，由於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至關重要。

　　這種雷射測量裝置通常是作為隨機設備安裝在加工工具機上，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。」

　　每種雷射測量系統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。測量系統的精度取決於雷射的聚焦能力。絕對精度（刀具到刀具）取決於雷射束焦點光斑的大小，光斑直徑越小，絕對精度就越高。Blum雷射測量裝置能夠測量小到0.005mm的刀具。有些工具機上需要安裝一種分束雷射測量系統，其測量距離可達203cm，採用一種特定的聚焦光束，可以測量直徑小至1mm的刀具。

　　Mida光學雙測頭系統是一種無線系統，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（如安裝在帶旋轉工作檯、雙托盤的工具機以及多軸工具機上使用時）。該測頭系統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，然後在切削後檢測工件尺寸，以校驗切削操作。

　　Mundra解釋說，「非接觸雷射測頭系統（如Mida Laser 75P）測量速度更快，可以進行動態測量以及檢測徑跳誤差和刀具磨損。由於該系統的測量點可小至20μm，因此能夠評定刀具的切削刃磨損。通過軟體編程，先進的雷射測量系統可以對掃描讀數值進行評定，準確分辨出由切削環境中的冷卻液產生的折射光與由實際刀具產生的反射光，並過濾掉錯誤的觸發信號以及由冷卻液的飛濺、霧化和殘留液滴產生的讀數值。」

　　加工循環時間越來越長已經成為一種趨勢，對於模具製造商來說尤其如此。Mida的一種刀具檢測儀可在加工過程中實時監測刀具的磨損情況，並在必要時通過改變偏置量，對刀具磨損進行補償。如果發現刀具已經磨鈍，則可換用備用刀具，以保證加工可在無人值守情況下連續進行。

　　對於車削加工，則需要採用分離型的刀具檢測儀，這主要是因為車刀切削時不旋轉。此類測頭採用接觸測量方式，有手動測量和自動測量兩種型號。為了實現「首件合格」的目標，採用「先試切再調整」的方法已很不方便。替代方法是在加工循環開始之前，用檢測儀或對刀儀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，並據此預調刀具位置。在加工過程中，測量系統可對刀具位置進行修改，以補償刀具磨損和熱漂移，以及監測刀具偏移量。