数控刀具几何参数测量技术的探讨

　　一．概述

　　随着我国汽车、飞机、模具等制造工业的蓬勃兴起，对与其相配套的各种高精度、高性能的机加工刀具需求更加迫切，从而也对刀具测量设备性能提出了更高的要求。上海工具厂有限公司作为国内刀具行业的领头羊，准确把握世界刀具的发展趋势，大力发展自己的高精密数控刀具，花巨资从德国引进了五轴工具磨床和高精度自动测量中心等世界一流设备，现已为众多汽车、飞机制造行业提供了大批量的精密数控刀具，并且得到了用户的一致认可。如何甄选出真正适合自己的设备，如何在使用过程中充分挖掘其最大的效能，是我们当时亟待解决的问题。本文结合笔者对刀具测量仪器的认知、我厂技改所做的调研和设备使用过程中的经验，简要介绍了刀具测量仪器的分类、工作原理及应用。

　　二，刀具测量仪器的分类

　　国内外众多厂家纷纷推出了各种测量中心、对刀仪等刀具测量设备，但其中处于领先地位的厂家主要是德国的卓尔(Zoller)和瓦尔特(Walter)两家公司，他们推出的最新产品，代表了当前世界刀具测量仪的最高水平，并且迅速占领了中国市场的大部分份额。国内厂家如：哈尔滨量具刃具集团有限公司、成都成量工具有限公司、天津天门精机有限公司等也具有生产刀具测量仪器的能力，但仅限于生产刀具预调仪系列产品。激光测量仪还没有面市，但大连某高校已经做出样机，相信不久将推出产品。

　　传感器是仪器的核心部件。可以说整套仪器的设计原则、零部件选型都是由传感器的工作原理和性能参数决定的。我们根据传感器的工作原理将仪器进行分类。

　　目前曾遍使用的国产对刀仪是基于CCD成像，对光栅尺和编码器采集的数据处理，计算出结果。

　　测量中心与对刀议的最大区别在于利用目前聚焦相机能够得到深度方向的信息，从而可以计算得到前角、后角等一般仪器无法测量的参数，依靠这一点也使其身价倍增，但其只能对某一点的参数进行测量。

　　基于激光三角测量原理的三维测量，则是将极细(μm级)激光来投射到刀具表面，利用CCD对反射光线处理得到光殊的位置坐标(即深度方向坐标，通过计算软件建立并求解刀具几何体的教学模型，因此可以得到刀具几何要素的信息，如整条切削刃的前角、后角的分布和具体数值，螺旋槽横截线的形状等等，其功能的强大是测量中心无法比拟的。但目前还处于样机试制阶段，没有成熟的产品问世。

　　三、对刀仪原理和结构

　　我们以天津天门精机公司生产的对刀仪为例。它由传感器系统、机械系统组成。传感器包括一个CCD相机、直线光栅尺；机械系统包括两个线运动、一个回转运动，都是手动调节。测量时，将刀具安装在主轴上，通过人眼观察投影屏或者CCD呈现的刀具图像，手动调节使刀具处于最佳测量位置，光栅尺记录下二维位置坐标(x, y)，通过软件分析、计算得到测量结果。

　　它只能测量二线平面几何参数，由于机械系统、传感器和测量软件功能的限制，测量功能和精度十分有限，仅能满足加工中心上的刀具应用，无法满足刀具设计、制造行业的需求。

　　刀具测量中心若干关键技术

　　在国内许多数控刀具制造企业中，测量中心得到普遍应用，以保证数控刀具设计、制造尺寸精度尽可能保持一致。为了能更好地认识和使用它，下面围绕测量中心简要介绍几项关键技术：自动聚焦、自动寻边、数据拟合。

　　1.测量中心的工作原理

　　我们以上海工具厂有限公司引进的Zoller Genius3型测量中心为例。该型测量仪由传感器系统、机械系统、控制系统和测量系统三部分组成。传感器系统包括两个CCD相机、光栅尺和旋转光栅；机械系统包括三个直线运动工作台和两个回转运动副，各轴装有位置传感器保证位置精度，数控系统驱动电机实现四轴联动。测量时，将刀具安装在主轴上，选择相应的测量软件包，控制系统驱动工作台移动，快刀具和相机移动到测量位置，经过对图象的分析、计算，通过CCD相机、位置光栅得到刀具某点空间三个坐标(x, y, z)，传输到测量软件，计算得到测量结果。

　　该仪器采用高精度的机械系统、自动化的控制系统和模块化软件，使整个测量过程自动完成，尽可能排除人为误差影响。从而达到很高的重复细量精度。完善的软件功能，使仪器的功能更显强大。

　　2.测量中心的结构

　　Genius 3型雨量中心的结构，与Genius 2相比有进一步的改进。3D相机的运动方式简化了，节省了空间，使仪器结构更加紧凑；新增金属外军减少了外界光源的影响；测量软件的功能更加丰富。

　　3.软件功能简介

　　软件将仪器的各个部分有机地结合在一起，协同工作，使本来相互独立的部分成为一个有机的整体。因此软件功能强大与否决定了该仪器整体水平。下面介绍 Zoller Genius 3型测量中心软件包含的三项重要功能：自动聚焦、自动寻边、数据拟合。

　　自动聚焦

　　刀具夹紧后，电机带动工作台上的镜头前后移动，并采集图像，不同位置上，图像的清晰程度是不同的(聚焦图像，较清晰；离焦图像，较模糊)，即所采集的刀具图像的聚焦评价因数值是不同的。图像聚焦评价函数的极值所对应的位置(图像最清晰的位置)就是镜头的聚焦位置(虚线位置即为聚焦位置)。聚焦流程图。

　　传统的高速钢刀具、螺纹刀具的前角、后角都是由机床保证的，没有有效的测量手段，因此刀具制造精度很不稳定。利用该原理仪器可以快速、准确的测量出刀具(如整体硬质合金铣刀)周齿的前用、后角、奇数齿芯厚等几何参数，大大提高了我厂数控刀具大批量生产情况下的质量稳定性和一致性。

　　但自动聚焦有明显的缺陷。易受外界因素影响(如自然光干扰)。另外，刀具螺旋槽各点法向量的方向的变化较大，测量时，反射光线方向杂乱无章，并且部分反射光线易被螺旋槽遮挡，因此测量精度受槽形影响很大，这也是导致测量中心测量前角和芯厚时精度低的主要原因。槽形变化平缓，被遮挡光线较少，测量精度低；槽形变化剧烈，被遮挡光线较多，测量精度高。

　　为了避免光线照射的不足，我们在测量过程中根据不同的槽形，对其测量位置进行调整，总结了一套有效的测量方法，从而提高了仪器本身的精度，要高于仪器给定的测量精度。

　　通过图像像素的分析，识别刀具的边界(红色边界)。由于刀具实体与背景的颜色不同，对屏幕扫描可以得到每个像素点的颜色值(R,G,B)和位置坐标(x,y)，将接近黑色的像素点的RGB值设为0，接近白色的像素点的RGB位设为1，则黑色和白色分界即为刀具的边界。刀具图像显示界面。

　　仪器测量刀具直径的过程，就是自动寻边的过程，并可以对奇数齿刀具直径实现高精度的测量，克服了手工卡尺测量易爆口、精度低、速度慢等缺陷，使我们的数控刀具完全能够满足模具制造等精密加工的需要。

　　数据拟合

　　通过自动聚焦得到一系列的离散数据点，要想做这一步的计算，需要找到逼近曲线的方程，这是测量软件的核心部分，也是决定软件计算精度的关键环节。

　　在测量中心中常用的方法就是利用多项式插值算法找到曲线的方程，该方法应用简便，但是精度十分有限。利用该原理可以测量出成形刀具的制造误差，这在以往的刀具制造行业是无法想象的，使得我厂在成形刀具的制造工艺和精度有了新的突破。

　　多项式拟合精度分析：多项式拟合的方法计算简单，便于应用，但计算精度较低，仅适用于数据点变化平缓的情况，一旦被拟合数据点变化剧烈，则多项式曲线易发生大幅度的震荡而无法使用。

　　B样条插值方法精度分析；我们用三次B样条对螺旋槽横截线拟合计算，得到最大误差为0.0095mm，最小误差为0.0015mm，与多项式方法相比计算精度提高了一个数量级。可能成为测量中心在软件算法上改进的一个方向。蓝色为测量得到螺旋槽横截线数据，红色为B样条插值得到的螺旋槽横截线数据，二者几乎重合。

　　四、激光刀具几何测量仪应用前景

　　目前测量中心由于受到传感器工作原理的限制，提升的空间已经非常有限，制造厂家多在硬件结构和软件功能上下功夫，但对于仪器本身根本性能的改善效果不是很明显。

　　1、激光测量仪工作原理

　　激光测量仪本身是利用激光三角测量原理，获得刀具表面任意点的坐标点集，将其代入专用计算软件中，可以求解出与该刀具对应的教学模型，后面的计算过程可完全在软件中完成，可用于离线或在线测量，并且改变某一参数(例如：周齿前角增大)，可以得到相关参数(如螺旋槽截形的变化)的变化数量关系，因此更容易从原理上掌握对具的设计方法和参数变化规律，便于建立刀具详细的数据库，对刀具的研发、设计提供了强有力的保证。不同轴向位置处螺旋槽横截线的测量点，钻头后刀面测量数据点。

　　2、激光测量仪结构

　　该测量系统由激光点光源测头、精密机械系统、精密步进电机系统和数据处理软件组成的光、机、电一体化的检测系统。

　　但是由于仪器硬件和传感器依赖进口，计算软件操作繁琐，对于操作人员要求较高，限制了该仪器的推广。但是随着技术的不断完善，可能成为结束国外厂家对我国刀具测量设备制造技术垄断的一个突破口。

　　一旦有成品问世，我们将考虑引进该仪器，将其融入到我们厂的刀具研发、设计理念当中，必会相得益彰。

　　五、结论

　　本文着重阐述了工厂目前普遍使用的对刀仪和刀具测量中心的工作原理、软件的计算方法及其优缺点。使我们在选择和使用测量仪时，能够有所依据，能够找到最适合自身生产现状的设备，并能灵活使用，将其功能最大化。通过比较我们可以看出国产测量仪在软件的功能、机械系统的控制和精度方面有明显的差距，因此自主创新是我们唯一的出路。另外，分析了激光测量仪与传统测量仪器的在设计思路上的木质不同，相信凭借其自身优势，在刀具行业将会有广阔的应用前景。

　　仪器毕竟是一种工具，如何扩展其功能、为我所用，才是我们真正需要思考的永恒的主题。

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