采用激光对刀具进行无接触和高精密的测量.doc

刀具变得更小，加工转速变得更高，涂层变得更敏感。因此在微型加工设备上，针对刀具调节主要采用激光测量系统。激光测量系统可以收集各类影响因素数值并实现相应的补偿。 刀 具和刀片的小型化，加工转速的不断提高，涂层的接触敏感性越来越强，所有这些都是刀具调节所面临的日益增长的挑战。因此，在微型加工设备上几乎只使用无接 触式的激光测量系统。唯有采用这种激光测量系统，方可对所有影响因素进行收集和补偿。在正确选择测量系统时，重要的一点便是要在加工中心的粗劣的条件下实 现尽可能高的绝对精度。 绝对精度至关重要 激光测量系统的精度一方面可由开关点重复精度加以描述，另一方面也可以通过 绝对测量精度得到体现。对于用户来说，后者尤为重要，这是因为绝对测量精度可以表明刀具测量结果的精确程度。系统的功能原理可以说明究竟：简单地说，激光 测量系统就是一种高精度的光栅。当旋转着的刀具打断光束时，在一定百分比的阴影度下便会生成一个开关信号并传递到控制系统里，由此测得轴的位置。集成在设 备控制系统里的标准软件采用测量数据和参照数值对刀具长度和刀具半径进行计算并自动把数值输入到刀具储库里。 如果所测得的各个刀具的特 性非常不同（如直径、形状、切割半径），则会因系统阴影状况不同而出现精度偏差。在测量较小刀具时，刀片的几何外形首先会对测量结果造成影响。不同的刀片 外形会不同深度地进入光束，直至达到一定比例的阴影。由此各刀具将会出现一种系统阴影误差；光束直径与刀片半径的比例越大，则阴影误差就越小。根据这种关 系，光束直径大，则阴影误差也大。对于加工作业来说，这就意味着在使用各种不同的刀具时，工件上的尺寸偏差也就会产生。这是因为较小的刀具与较大的刀具相 比，会被测出长度过大。 对于用户来说，绝对精度是一个决定性的标志。Laser-Control Nano NT型测量系统在测量相近特征的刀具时，可以达到0.5m的精度聚焦光束有助于精度提高 为 了实现此目标，Blum-Novotest公司的激光测量系统就采用了高精度光学装置（以对激光光束进行聚焦）和高档激光二极管。由此可以生成极薄和强度 极匀质的光束，从而达到最好的精度。此外，这种系统还拥有已获得专利的NT技术，当最长刀片离开光束之后，微型处理器才会生成开关信号。针对特殊场合，仪 器可以配备高端元件。 切削作业中最终具有说服力的因素便是所达到的工件精度。对此会有很多影响因素。设备和环境温度的变化，刀具的磨损 情况和因转速所限的主轴长度变化等，这些因素都会在0.01mm范围内对加工结果造成影响。在采用诸如Blum-Novotest公司的激光测量系统和在 正常工作转速以及通过定时校准的情况下，所有这些因素都可以比较容易得到把握。如果加工设备无法提供相应的定位精度，则最精确的激光测量系统也会遭遇其测 量极限。因此，Blum公司提供自行研发的工艺和技术方案。这种技术可以测定加工设备在工件上的精度并对激光测量系统的很高的绝对精度作出验证。 图1 沿着X轴线轨迹先作阶梯外形曲线的铣削。每个阶梯的高度差为1m为 了检验设备的定位精度，在工件上进行如图1所示的水平（沿X轴）方向和在Y向上的下行阶梯外形的铣削。各个阶梯之间的高度差异（在Z轴上）为1m。对定 位精度的检验则通过在m阶梯上从Y轴向向-Y轴向作横向切削进行。每次进刀量为1m。在极高档的设备上，对刀具的最初合格的表面接触可以在所期待的微 米级上被识别，当然是在显微镜下。如图2所示，在优良的设备上产生均匀的对角切割外形。用户可以获得有关设备的微米级定位精度质量的表述。 图2 通过从+Y向-Y方向上的横向铣削，可对设备的定位精度进行检验。在高端设备上，刀具可精确地在用户所指定的阶梯上实现第一个合格的表面接触通 过一种变异的试验，可以证实激光测量系统的绝对精度。其基本条件是此前对设备精度的检验。对此直接在切削作业之前，采用激光测量系统对不同特征的刀具（例 如刀具直径、形状等）进行无接触测量。在测量之后，以特定的Z尺寸在阶梯结构中间进行铣削（从+Y向-Y方向）。最后，在显微镜下再次为各刀具测得第一道 合格的切削是在何种m阶梯上获得的。所测得的第一道切削位置可以精确地显示出刀具此前接受到何种精确的测量。如果偏差为正，则表明刀具测量过长，反之亦 反。左侧轨迹证明了铣削阶梯结构的刀具的零线。 在试验过程中，对四种直径分别为0.1mm、0.3mm、1.0mm和6mm的立铣刀和 四种球铣刀进行测量。所得到的测量结果令人印象深刻。若采用Laser-Control Nano NT标准系统，则测量值的离散范围为1.5m（图3）。如果在选择激光测量系统时已经得知在设备上所采用的刀具的特征都基本类似，则绝对精度 在0.5m范围内。 图3 所测得的长度数值被用作为在零线上作横向铣削的基础。在试验过程中，针对使用Laser-Control Nano NT标准系统和各种不同刀具的测量场合，所测得的最大误差为1.5m针对微型加工采用合适仪器 可 测量的最小刀具直径原则上要取决于测量仪器使用的前提和条件。例如Blum公司的标准型测量系统即可在极端条件和各种不同型号的设备上实现安全可靠的精确 的测量。但是，微型加工设备上的状况和条件会与标准型设备的情况有所不同。因此，针对这种测量任务和环境，需要采用相匹配的测量仪器。如果在特殊情况下采 用极小型刀具的话，则厂家在供货之前可以依据用户的实际需求对测量系统进行配置。通过采用符合用户需求的测量系统，可以对5m以上直径的刀具进行测量。 图4 各种试验在高端加工中心上和在可控的工况条件下进行归根结底，这是