一．概述

　　隨著我國(guó)汽車(chē)夹供、飛機(jī)抚官、模具等制造工業(yè)的蓬勃興起猜旬，對(duì)與其相配套的各種高精度桂对、高性能的機(jī)加工刀具需求更加迫切甩卓，從而也對(duì)刀具測(cè)量設(shè)備性能提出了更高的要求。上海工具廠有限公司作為國(guó)內(nèi)刀具行業(yè)的領(lǐng)頭羊接校，準(zhǔn)確把握世界刀具的發(fā)展趨勢(shì)猛频，大力發(fā)展自己的高精密數(shù)控刀具，花巨資從德國(guó)引進(jìn)了五軸工具磨床和高精度自動(dòng)測(cè)量中心等世界一流設(shè)備蛛勉，現(xiàn)已為眾多汽車(chē)鹿寻、飛機(jī)制造行業(yè)提供了大批量的精密數(shù)控刀具，并且得到了用戶(hù)的一致認(rèn)可诽凌。如何甄選出真正適合自己的設(shè)備毡熏，如何在使用過(guò)程中充分挖掘其最大的效能，是我們當(dāng)時(shí)亟待解決的問(wèn)題侣诵。本文結(jié)合筆者對(duì)刀具測(cè)量?jī)x器的認(rèn)知痢法、我廠技改所做的調(diào)研和設(shè)備使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹了刀具測(cè)量?jī)x器的分類(lèi)杜顺、工作原理及應(yīng)用财搁。

　　二，刀具測(cè)量?jī)x器的分類(lèi)

　　國(guó)內(nèi)外眾多廠家紛紛推出了各種測(cè)量中心卿才、對(duì)刀儀等刀具測(cè)量設(shè)備蝉丧，但其中處于領(lǐng)先地位的廠家主要是德國(guó)的卓爾(Zoller)和瓦爾特(Walter)兩家公司，他們推出的最新產(chǎn)品本博，代表了當(dāng)前世界刀具測(cè)量?jī)x的最高水平就留，并且迅速占領(lǐng)了中國(guó)市場(chǎng)的大部分份額。國(guó)內(nèi)廠家如：哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司何大、成都成量工具有限公司拭奖、天津天門(mén)精機(jī)有限公司等也具有生產(chǎn)刀具測(cè)量?jī)x器的能力，但僅限于生產(chǎn)刀具預(yù)調(diào)儀系列產(chǎn)品摇蝗。激光測(cè)量?jī)x還沒(méi)有面市萧状，但大連某高校已經(jīng)做出樣機(jī)，相信不久將推出產(chǎn)品裆蛆。

　　傳感器是儀器的核心部件幼潮⌒羧剩可以說(shuō)整套儀器的設(shè)計(jì)原則、零部件選型都是由傳感器的工作原理和性能參數(shù)決定的坯苹。我們根據(jù)傳感器的工作原理將儀器進(jìn)行分類(lèi)隆檀。

　　目前曾遍使用的國(guó)產(chǎn)對(duì)刀儀是基于CCD成像，對(duì)光柵尺和編碼器采集的數(shù)據(jù)處理粹湃，計(jì)算出結(jié)果恐仑。

　　測(cè)量中心與對(duì)刀議的最大區(qū)別在于利用目前聚焦相機(jī)能夠得到深度方向的信息，從而可以計(jì)算得到前角为鳄、后角等一般儀器無(wú)法測(cè)量的參數(shù)裳仆，依靠這一點(diǎn)也使其身價(jià)倍增，但其只能對(duì)某一點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量孤钦。

　　基于激光三角測(cè)量原理的三維測(cè)量歧斟，則是將極細(xì)(μm級(jí))激光來(lái)投射到刀具表面，利用CCD對(duì)反射光線處理得到光殊的位置坐標(biāo)(即深度方向坐標(biāo)偏形，通過(guò)計(jì)算軟件建立并求解刀具幾何體的教學(xué)模型静袖，因此可以得到刀具幾何要素的信息，如整條切削刃的前角俊扭、后角的分布和具體數(shù)值队橙，螺旋槽橫截線的形狀等等，其功能的強(qiáng)大是測(cè)量中心無(wú)法比擬的贝泞。但目前還處于樣機(jī)試制階段淮辕，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。

　　三牡罚、對(duì)刀儀原理和結(jié)構(gòu)

　　我們以天津天門(mén)精機(jī)公司生產(chǎn)的對(duì)刀儀為例俯炮。它由傳感器系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)組成缰伶。傳感器包括一個(gè)CCD相機(jī)霹壁、直線光柵尺；機(jī)械系統(tǒng)包括兩個(gè)線運(yùn)動(dòng)一步、一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，都是手動(dòng)調(diào)節(jié)百涕。測(cè)量時(shí)率满，將刀具安裝在主軸上，通過(guò)人眼觀察投影屏或者CCD呈現(xiàn)的刀具圖像斩角，手動(dòng)調(diào)節(jié)使刀具處于最佳測(cè)量位置夷呐，光柵尺記錄下二維位置坐標(biāo)(x, y)，通過(guò)軟件分析伶丐、計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果悼做。

　　它只能測(cè)量二線平面幾何參數(shù)疯特，由于機(jī)械系統(tǒng)、傳感器和測(cè)量軟件功能的限制肛走，測(cè)量功能和精度十分有限漓雅，僅能滿足加工中心上的刀具應(yīng)用，無(wú)法滿足刀具設(shè)計(jì)朽色、制造行業(yè)的需求邻吞。

　　刀具測(cè)量中心若干關(guān)鍵技術(shù)

　　在國(guó)內(nèi)許多數(shù)控刀具制造企業(yè)中，測(cè)量中心得到普遍應(yīng)用葫男，以保證數(shù)控刀具設(shè)計(jì)抱冷、制造尺寸精度盡可能保持一致。為了能更好地認(rèn)識(shí)和使用它梢褐，下面圍繞測(cè)量中心簡(jiǎn)要介紹幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：自動(dòng)聚焦旺遮、自動(dòng)尋邊、數(shù)據(jù)擬合盈咳。

　　1.測(cè)量中心的工作原理

　　我們以上海工具廠有限公司引進(jìn)的Zoller Genius3型測(cè)量中心為例耿眉。該型測(cè)量?jī)x由傳感器系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)撼盈、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成绊叙。傳感器系統(tǒng)包括兩個(gè)CCD相機(jī)、光柵尺和旋轉(zhuǎn)光柵节讹；機(jī)械系統(tǒng)包括三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副夸营，各軸裝有位置傳感器保證位置精度，數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)漾肩。測(cè)量時(shí)贫介，將刀具安裝在主軸上，選擇相應(yīng)的測(cè)量軟件包掘鱼，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)翠蓄，快刀具和相機(jī)移動(dòng)到測(cè)量位置，經(jīng)過(guò)對(duì)圖象的分析鸣拦、計(jì)算抢纹，通過(guò)CCD相機(jī)、位置光柵得到刀具某點(diǎn)空間三個(gè)坐標(biāo)(x, y, z)葱妒，傳輸?shù)綔y(cè)量軟件谚剿，計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。

　　該儀器采用高精度的機(jī)械系統(tǒng)连锯、自動(dòng)化的控制系統(tǒng)和模塊化軟件归苍，使整個(gè)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)完成挪略，盡可能排除人為誤差影響笛粘。從而達(dá)到很高的重復(fù)細(xì)量精度。完善的軟件功能，使儀器的功能更顯強(qiáng)大睹栖。

　　2.測(cè)量中心的結(jié)構(gòu)

　　Genius 3型雨量中心的結(jié)構(gòu)订搏，與Genius 2相比有進(jìn)一步的改進(jìn)玄柠。3D相機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)化了融欧，節(jié)省了空間，使儀器結(jié)構(gòu)更加緊湊医男；新增金屬外軍減少了外界光源的影響砸狞；測(cè)量軟件的功能更加豐富。

　　3.軟件功能簡(jiǎn)介

　　軟件將儀器的各個(gè)部分有機(jī)地結(jié)合在一起镀梭，協(xié)同工作刀森，使本來(lái)相互獨(dú)立的部分成為一個(gè)有機(jī)的整體。因此軟件功能強(qiáng)大與否決定了該儀器整體水平报账。下面介紹 Zoller Genius 3型測(cè)量中心軟件包含的三項(xiàng)重要功能：自動(dòng)聚焦研底、自動(dòng)尋邊、數(shù)據(jù)擬合迄帘。

　　自動(dòng)聚焦

　　刀具夾緊后修扁，電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)上的鏡頭前后移動(dòng)，并采集圖像榔况，不同位置上峡逆，圖像的清晰程度是不同的(聚焦圖像，較清晰钩榄；離焦圖像念弧，較模糊)，即所采集的刀具圖像的聚焦評(píng)價(jià)因數(shù)值是不同的武也。圖像聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的極值所對(duì)應(yīng)的位置(圖像最清晰的位置)就是鏡頭的聚焦位置(虛線位置即為聚焦位置)依播。聚焦流程圖。

　　傳統(tǒng)的高速鋼刀具耿逐、螺紋刀具的前角娱必、后角都是由機(jī)床保證的，沒(méi)有有效的測(cè)量手段醇舶，因此刀具制造精度很不穩(wěn)定姻蚓。利用該原理儀器可以快速、準(zhǔn)確的測(cè)量出刀具(如整體硬質(zhì)合金銑刀)周齒的前用匣沼、后角狰挡、奇數(shù)齒芯厚等幾何參數(shù)，大大提高了我廠數(shù)控刀具大批量生產(chǎn)情況下的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性肛著。

　　但自動(dòng)聚焦有明顯的缺陷。易受外界因素影響(如自然光干擾)跺讯。另外枢贿，刀具螺旋槽各點(diǎn)法向量的方向的變化較大殉农，測(cè)量時(shí)，反射光線方向雜亂無(wú)章局荚，并且部分反射光線易被螺旋槽遮擋超凳，因此測(cè)量精度受槽形影響很大，這也是導(dǎo)致測(cè)量中心測(cè)量前角和芯厚時(shí)精度低的主要原因耀态。槽形變化平緩轮傍，被遮擋光線較少，測(cè)量精度低首装；槽形變化劇烈抱典，被遮擋光線較多，測(cè)量精度高赊偿。

　　為了避免光線照射的不足绵另，我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中根據(jù)不同的槽形，對(duì)其測(cè)量位置進(jìn)行調(diào)整绅鉴，總結(jié)了一套有效的測(cè)量方法姨莽，從而提高了儀器本身的精度，要高于儀器給定的測(cè)量精度既蛙。

　　通過(guò)圖像像素的分析仲侈，識(shí)別刀具的邊界(紅色邊界)。由于刀具實(shí)體與背景的顏色不同蓖社，對(duì)屏幕掃描可以得到每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值(R,G,B)和位置坐標(biāo)(x,y)秆惑，將接近黑色的像素點(diǎn)的RGB值設(shè)為0，接近白色的像素點(diǎn)的RGB位設(shè)為1舆飒，則黑色和白色分界即為刀具的邊界轴私。刀具圖像顯示界面。

　　儀器測(cè)量刀具直徑的過(guò)程能真，就是自動(dòng)尋邊的過(guò)程赁严，并可以對(duì)奇數(shù)齒刀具直徑實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，克服了手工卡尺測(cè)量易爆口粉铐、精度低疼约、速度慢等缺陷，使我們的數(shù)控刀具完全能夠滿足模具制造等精密加工的需要蝙泼。

　　數(shù)據(jù)擬合

　　通過(guò)自動(dòng)聚焦得到一系列的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)程剥，要想做這一步的計(jì)算，需要找到逼近曲線的方程汤踏，這是測(cè)量軟件的核心部分织鲸，也是決定軟件計(jì)算精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　在測(cè)量中心中常用的方法就是利用多項(xiàng)式插值算法找到曲線的方程溪胶，該方法應(yīng)用簡(jiǎn)便搂擦，但是精度十分有限稳诚。利用該原理可以測(cè)量出成形刀具的制造誤差，這在以往的刀具制造行業(yè)是無(wú)法想象的瀑踢，使得我廠在成形刀具的制造工藝和精度有了新的突破扳还。

　　多項(xiàng)式擬合精度分析：多項(xiàng)式擬合的方法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用咱茂，但計(jì)算精度較低掰废，僅適用于數(shù)據(jù)點(diǎn)變化平緩的情況，一旦被擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)變化劇烈缴碉，則多項(xiàng)式曲線易發(fā)生大幅度的震蕩而無(wú)法使用敢添。

　　B樣條插值方法精度分析；我們用三次B樣條對(duì)螺旋槽橫截線擬合計(jì)算帽惠，得到最大誤差為0.0095mm挎茂，最小誤差為0.0015mm，與多項(xiàng)式方法相比計(jì)算精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)剧鹏∪裙欤可能成為測(cè)量中心在軟件算法上改進(jìn)的一個(gè)方向。藍(lán)色為測(cè)量得到螺旋槽橫截線數(shù)據(jù)盔惑，紅色為B樣條插值得到的螺旋槽橫截線數(shù)據(jù)梨耽，二者幾乎重合。

　　四律坎、激光刀具幾何測(cè)量?jī)x應(yīng)用前景

　　目前測(cè)量中心由于受到傳感器工作原理的限制统岭，提升的空間已經(jīng)非常有限，制造廠家多在硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能上下功夫粉臊，但對(duì)于儀器本身根本性能的改善效果不是很明顯草添。

　　1、激光測(cè)量?jī)x工作原理

　　激光測(cè)量?jī)x本身是利用激光三角測(cè)量原理扼仲，獲得刀具表面任意點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)集远寸，將其代入專(zhuān)用計(jì)算軟件中，可以求解出與該刀具對(duì)應(yīng)的教學(xué)模型屠凶，后面的計(jì)算過(guò)程可完全在軟件中完成驰后，可用于離線或在線測(cè)量，并且改變某一參數(shù)(例如：周齒前角增大)矗愧，可以得到相關(guān)參數(shù)(如螺旋槽截形的變化)的變化數(shù)量關(guān)系灶芝，因此更容易從原理上掌握對(duì)具的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)變化規(guī)律，便于建立刀具詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)唉韭，對(duì)刀具的研發(fā)夜涕、設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的保證。不同軸向位置處螺旋槽橫截線的測(cè)量點(diǎn)，鉆頭后刀面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)女器。

　　2衙猾、激光測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)

　　該測(cè)量系統(tǒng)由激光點(diǎn)光源測(cè)頭、精密機(jī)械系統(tǒng)诽祠、精密步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件組成的光、機(jī)行忘、電一體化的檢測(cè)系統(tǒng)秧诊。

　　但是由于儀器硬件和傳感器依賴(lài)進(jìn)口，計(jì)算軟件操作繁瑣牡徘，對(duì)于操作人員要求較高喧撕，限制了該儀器的推廣。但是隨著技術(shù)的不斷完善式伶，可能成為結(jié)束國(guó)外廠家對(duì)我國(guó)刀具測(cè)量設(shè)備制造技術(shù)壟斷的一個(gè)突破口呀琢。

　　一旦有成品問(wèn)世，我們將考慮引進(jìn)該儀器贡金，將其融入到我們廠的刀具研發(fā)壕归、設(shè)計(jì)理念當(dāng)中，必會(huì)相得益彰衅侥。

　　五癞季、結(jié)論

　　本文著重闡述了工廠目前普遍使用的對(duì)刀儀和刀具測(cè)量中心的工作原理、軟件的計(jì)算方法及其優(yōu)缺點(diǎn)倘潜。使我們?cè)谶x擇和使用測(cè)量?jī)x時(shí)绷柒，能夠有所依據(jù)，能夠找到最適合自身生產(chǎn)現(xiàn)狀的設(shè)備涮因，并能靈活使用废睦，將其功能最大化。通過(guò)比較我們可以看出國(guó)產(chǎn)測(cè)量?jī)x在軟件的功能养泡、機(jī)械系統(tǒng)的控制和精度方面有明顯的差距嗜湃，因此自主創(chuàng)新是我們唯一的出路。另外瓤荔，分析了激光測(cè)量?jī)x與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的在設(shè)計(jì)思路上的木質(zhì)不同净蚤，相信憑借其自身優(yōu)勢(shì)，在刀具行業(yè)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景输硝。

　　儀器畢竟是一種工具今瀑，如何擴(kuò)展其功能、為我所用点把，才是我們真正需要思考的永恒的主題橘荠。

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