采用激光监测系统的刀具破损检测

    尽管基于激光的监测技术可以应用于机械加工的各个领域，但许多加工车间仅仅将其用于一个目的：检测刀具的破损。这些基于激光的非接触式刀具监测与测量系统还可以用于未知刀具的预调、测量刀具长度和直径、补偿刀具磨损、检验切削刃轮廓的完整性、补偿机床运动轴的热漂移、识别各种刀具、确定可转位刀具上的刀片数量是否正确，以及这些刀片是否被正确装夹。

    然而，据测量设备制造商雷尼绍公司（Renishaw Inc.）业务经理Dave Bozich介绍，这种“全能型”激光测量系统的很大一部分最终用户仍然希望只将其用于刀具破损检测，他说，“当各种激光应用日益流行时，来自用户的反馈却是‘我的全部用途就是进行刀具破损检测’。因此我们认为，应该生产一种专门用于检测刀具破损的系统。”

    于是，雷尼绍公司推出了一种可以检测直径小至0.2mm微型刀具的TRS2刀具破损激光测量系统。采用非接触测量方式对于微型刀具的破损检测极具优势，因为用实物测头对这些纤细脆弱的刀具进行接触测量时，可能会损坏或折断刀具。

    与传统的激光刀具测量系统不同，最新一代的TRS2型刀具破损检测仪是一种单一用途激光测量仪，它利用刀具的反射特性来确定刀具是否完好无损。Bozich解释说，“当刀具旋转时，检测仪会拍摄刀具的数字快照或检测其信号，然后我们就能确定刀具是否发生破损。”

    在进行刀具破损检测时，颜色深暗的刀具涂层往往会吸收而不是反射激光，从而影响检测结果。不过，新的测量软件和算法能够有效解决这一问题。Bozich指出，钻头、丝锥、立铣刀和铰刀是刀具破损检测的主要类型。检测过程非常快速，在一秒钟之内就能完成检测。根据不同的刀具涂层、刀具直径和刀具与检测仪之间的距离（最远可达2m），有时可能需要增加检测次数。

    为了能在冷却液飞溅的加工环境中正常使用，TRS2检测仪采用了全密封结构。不过，雷尼绍公司还提供一种只对粉尘具有防护功能的NCPCB型检测仪，它能检测专门在干加工环境使用的直径小至0.1mm的刀具，以及直径小至0.075mm印刷电路板钻头的破损。Bozich说，“这是一种完全不同的加工，遗憾的是，这种检测技术还不能应用于
加工中心。”

    平行激光束检测系统

    虽然雷尼绍公司的刀具破损检测仪采用了平行激光束（即非聚焦激光束），以便在整个光束长度范围内都具有相同的测量性能，但通过电子和光学调节，使检测仪在该公司确定的大部分刀具破损检测发生的距离内都能提供最佳测量光束性能。

    美国TPS国际公司也计划开发采用非聚焦激光束的刀具破损检测系统。该公司的接触式摆动型传感器并不适合刀具破损监测，因此，TPS公司将提供德国Nordmann公司生产LS-2型激光检测系统。TPS公司总裁Guido Brusa表示，“非聚焦激光束可以检测刀具破损，而不必担心冷却液水雾的影响，也不需要清洁镜头。”

    非聚焦激光束检测系统由一个发射器和一个接收器组成，二者之间的间距通常为25－75mm。当被测刀具经过发射器与接收器之间的空间时，系统可对刀具形成的影像进行评估，确定其是否破损。价格为2,000美元的LS-2检测系统只用于刀具破损检测，而不能用于刀具装调。该系统可以检测直径小至0.5mm的刀具（直径大于6.4mm的刀具通常不需要进行破损检测），它也不能检测任何类型的可转位刀片式刀具。

    虽然对刀具破损的检测可能是在它被换刀机械手取走或送来的中途进行，但检测过程仍然需要耗费大约一秒钟时间，从而会增加加工循环时间，因此，最终用户必须确定哪些刀具足够重要，需要进行破损检测。Brusa说，“你当然不希望对每把刀具都进行破损检测，除非它们都至关重要。”

    确定刀具的重要性取决于具体的加工应用。马坡斯公司（Marposs Corp.）Mida产品经理Sharad Mundra认为，“在航空制造业以及模具加工和微加工中，通常要求对每把刀具都进行破损检测。而在汽车制造业，则并非如此。”汽车零件制造商可能会每加工20件工件检测一次刀具，因为他们很清楚刀具的预期寿命，因此不希望在这种对生产率要求极高的生产环境中耗费太多加工循环时间。Mundra说，“通用汽车公司和福特汽车公司都在使用我们的产品，在此类企业中，刀具破损检测需要的时间是个大问题。汽车制造商只使用激光系统来检测刀具破损，并将检测装置安装在换刀机械手的运动路径上。这就意味着，当要更换刀具时，它会自动经过检测激光束，激光束在换刀之前会检测刀具是否存在。这一过程不会造成时间损失。”

    马坡斯公司生产可编程激光刀具检验和破损控制系统，其中包括平行激光束和聚焦激光束两种类型。最近，该公司推出了TBD刀具破损检测仪。该装置将发射器和接收器集于一体，它向一个方向发射激光束，通过接收来自刀具的反射光，来确定刀具是否存在。

    Mundra指出，在标准的激光测量中，聚焦激光束可测刀具的直径范围为60－125μm，与刀具的最大距离为2m；而平行激光束可测刀具直径达到1mm，与刀具的距离达到15m。聚焦激光束能够检测直径小至0.02mm的微型刀具；而平行激光束适合检测的最小刀具直径约为0.75mm。此外，聚焦激光束还可以减小刀具与刀具之间的测量重复性误差。

    当检测出刀具破损时——无论是整个刀具缺失，还是只有刀尖破损——都会出现两种可能的处理模式：①触发警报，同时机床停机；②设置一个变量，用备用刀具继续进行加工。

    Brusa说，“无人值守加工将会真正考验基于激光的刀具破损检测是否可行。”nextpage

    聚焦激光束检测系统

    与采用平行激光束的刀具监测系统不同，Blum LMT公司的检测系统采用了聚焦激光束。该公司销售经理John Sherrick表示，“这两种系统在刀具几何形状的检测精度上有很大差异。”

    Blum公司的LaserCo
ntrol EC测量仪是专为刀具破损检测开发的单一用途激光系统，LaserCo
ntrol NT测量仪则可用于刀具的装调、测量和破损检测。此外，该公司的NT-H测量仪是一种混合型测量系统，它在非接触激光系统的基础上又增加了一个接触式测头，用户可以利用该测头从径向、轴向和与激光束平行的方向对静态刀具进行检测。

    Sherrick还描述了NT-H 3D测量系统使用的shark360主轴测头，“该测头安装在激光系统旁边，并内置有一个齿轮联接装置，因此，测针的扭转偏差不会影响其绝对精度。”他说，“我们一直将这种特定类型的激光测量系统用于铣/车机床，你可以用非接触激光系统测量旋转的铣刀，然后用接触式测头测量安装在刀塔上的静态车刀。”

    不过，非接触式激光测量系统并非一定需要一个接触式测头来监测静态刀具。马坡斯公司的Mundra说，“我们开发了已获专利的测量软件，可以在X和Z方向对刀具进行扫描，因此，非旋转刀具也可以用激光束进行扫描测量。”

    Blum公司的Sherrick也指出，激光系统可以测量车刀，但需要比较长的循环时间，因为用户必须确定刀具的测量基准，并沿着刀具几何轮廓生成测量点云，以确定刀具的主切削刃。而使用安装在激光系统旁的接触式测头，测量一把正或负棱带车刀所需的时间可以缩短85%－90%，同时还能达到小于1μm的重复性精度。因此，测头和激光在刀具测量中可以起到相互补充的作用。

    虽然刀具的破损检测可以在一两秒钟内完成，但刀具的测量则要花费更长时间，具体时长取决于被测特征（如半径、直径和长度）的数量。

    雷尼绍公司的Bozich指出，该公司TRS2刀具破损检测仪的设计只要求检查刀具长度的变化，“它几乎就像一个判定工件是否合格的量规一样，这也是它检测速度如此之快的原因。”

    在加工车间的适用性

    非接触式刀具破损检测系统是否适合加工车间使用，取决于该车间的加工特点。从事某些大批量订单加工或生产少数几种零件的车间可能比较适合采用这种检测装置。与此相反，原型产品加工车间或主要加工单件小批量零件的车间则不太适合配备此类装置。

    对于可能具有合适加工任务的车间来说，一个关键的评判标准是：它是否要进行“熄灯”加工，或是否使用由一个人照管多台机床的自动化加工设备。

    雷尼绍公司的Bozich说，“大批量、自动化生产推动了刀具破损检测装置的应用。但这种生产模式不太适合采用NC4激光测量系统，它与TRS2不一样，是一种测量型激光系统。”将测量型激光系统应用于加工中心，就可以省去对刀具进行机外预调，然后再将预调数据输入机床数控系统的需要，“无论你是加工1个零件还是1,000个零件，你总是需要装调刀具。”

    Bozich认为，在某些加工车间，NC4测量系统可能是更合适的选择，而TRS2可能并不适合。TRS2的硬件售价约为2,500美元，而NC4的硬件售价约为4,500美元。

    在加工任务合适的情况下，投资于基于激光的非接触式刀具破损检测系统的回报可能很快。TPS公司的Brusa说，“通常在一个月内（最多两个月）就能获得回报。如果工件的成本足够高，例如在‘高风险加工’环境下，避免一次打刀可能就能收回购买检测装置的成本。”

    链接：激光测量系统的防污染技术

    如果激光器的镜头被冷却液、切屑和其他碎屑弄脏，就会使激光束发生折射，从而大大降低刀具破损检测和刀具测量系统的精度。这些设备的制造商提供了不同的方法来防止镜头被污染。

    马坡斯公司宣布，它开发了一种利用隧道效应气流屏蔽的三档机械快门，从而为激光器光学系统创建了一种双重保护系统。在加工时，该保护系统利用快门将光学系统封闭起来，并吹出弱风（以减少压缩空气消耗），使空气围绕镜头吹拂。由于采用了空气滤清器，即使输气管线中有油、水或其他脏物，也不会对镜头造成影响。快门系统的设计（已获专利）可保证空气围绕镜头吹拂（在老式测量系统中无此功能）。在测量开始时，快门打开到中间状态，并产生一股短暂的强气流，将镜头周围的脏物和切屑吹走。一旦快门完全打开，就会产生气流隧道效应，保护激光束不会受到污染。快门上开有许多孔，空气从这些孔中吹出，在激光束周围形成气流，使冷却液和切屑不会挡住光束，从而产生错误的触发信号。此外，由于该激光测量装置可以直接编程，因此不需要在安装测量仪的机床数控系统中输入M码。

    雷尼绍公司采用的方法则是将被动密封技术集成到其NC4激光测量系统中。当启动激光系统进行测量时，激光束周围的气流阀门打开，被动密封装置（保护机制）也同时开启。一旦气阀关闭，意味着密封装置不再需要一个M码来开启和关闭，被动密封装置也随之关闭。当气阀打开时，激光发射器和接收器的腔体受压，对光学系统起到保护作用，此时被动密封装置处于开启位置，激光随时都可以使用。

    Blum公司的激光装置采用了另一种类型的镜头保护系统。当机械式快门关闭时，快门后面的气压升高；当快门开启时，气压释放，形成一股气流吹走切屑和冷却液，以确保激光系统的测量精度。采用过高的气压会改变大气压力，从而影响从中通过的光线，使光线发生偏移，并影响系统的绝对测量精度。为了延长激光二极管的寿命（一支典型激光二极管的寿命约为56,000小时）和提高测量精度，激光器只在测量时才开启，同时快门被打开。为了消除气流可能对镜头造成的污染，Blum公司的每台激光测量系统都带有自己的供气装置，其中采用了三级空气滤清器，可以滤除小至0.001μm的杂质微粒。