1、 谈谈我对数控铣床的兴趣所在谈到我与铣床的第一次接触，记得是在大二上学期的精工实习。那时我们一共学了钳工、车工、铣工三个工种，感觉钳工很无聊、车工很方便，铣工倒真的成了洗工。当时的感觉太肤浅了，以为车工太方便了，完全可以兼并那坑了我们磨了三天铁的钳工和擦了半天、天知道是怎么动的铣机器。（本段大部分摘抄自学生 2010.12.10 的日记）此后我们似乎一直和铣床没有交集。直到了大三下学期的机械创新设计大赛，那还得从一个貌似钻头的东西说起。加工中心里的那台钻孔机实在是我们各支参赛队伍的抢手货，每天钻头都要换上换下上百次。就在一次我们找不到所需口径的钻头焦头烂额时，我们来到彭总工的办公室左顾右盼，突
2、然发现一个很像钻头却是银白色的东西（因为加工中心的钻头几乎都是黑色的） ，一看口径，正好。也不管那么多了，赶紧伸手拿了就跑，结果被等在钻头旁的杨学长和旁面没有当过洗工的一专业的同学们狠狠地冷嘲热讽了一顿。那时对铣床的印象稍微有了点改观，觉得它可能就是加工精度高一点的钻孔机吧。（本段大部分摘抄自学生 2012.3.28 的日记）当然机械创新设计大赛不会让我们错过真正见识铣床威力的机会。那也是在我们制作洗衣机的后半程了。我们最关键的技术：换挡，需要一个双位置固定的槽，相当需要精度。就在我们以为很简单，摩拳擦掌准备拿着尺子找钻头上时（幸亏我们那时候挨骂都挨聪明了，尽管手里拿着尺子，谁也没主动请缨）
3、，杨学长却找来了彭总工等好几个精通加工的老师研讨商议，制定了一个用铣床加工它的方案。正如学生在第一次作业所说的，技如人，器也要如人啊！即使是高手出马，铣床加工当然也不可能一帆风顺。原因很简单：刀不如人。铣床用刀的锋利程度往往决定了作品的加工精度。作为一名测控仪器专业的学生，真的对那把老刀无语了，厂家质检员是怎么让它出厂的？（当时纯属知识面狭隘）真感觉还不如钻孔加锉刀呢。几个老师一咬牙，终于决定动用那把缩在铁皮柜里最好的铣床用刀了，可恶的是钥匙他们还没有。最后几个老师左转右传的打电话联系，学生请了一下午的假才好不容易把钥匙借了回来。可惜的是我们没能亲眼看见铣床加工过程，但一看加工的老师都“替我们
4、”挂彩了，就知道那绝对是够艰辛的了。（上面两段大部分摘抄自学生 2012.4.16 的日记）现在便谈到了本文的主题了。依然是围绕检测与仪器而谈的。先从仪器角度，从那时起学生便养成了个坏习惯：一想起铣床第一关心的仪器便是刀了。便查阅了以下资料。资料来源是 2012.4.24 的日记，上面写了学生无意间看见了的那把好不容易借来的“宝刀”生产厂家，当天便登陆了它的网站，当时就把它网站上贴的一个有关刀具的 word 下载了下来作为日记的附件。一 刀具磨损的形态及其原因切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损；后者包括脆性破损
5、(如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等) 和塑性破损两种。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具磨损的形式有以下几种：1.前刀面磨损2.后刀面磨损3.边界磨损从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结(刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象)、扩散( 刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方、腐蚀等)引起的。二 刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命随着切削时间的延长，刀具磨损增加。
6、根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量 VB(或前刀面月牙洼磨损深度 KT)为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段2.正常磨损阶段3.急剧磨损阶段刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。一把新刀(或重新刃磨过的刀具)从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间，称为刀具寿命。三 刀具的破损刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力(切削力或热应力)，就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨
7、损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。刀具的破损有早期和后期(加工到一定的时间后的破损) 两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和陶瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：1.崩刀2.碎断3.剥落裂纹破损。四 刀具的状态监控如前所述，刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统(如 FMS、CIMS 等)中，当刀具发生非正常的磨损或破损时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进行监控非常重要。刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测，即直接观察刀具状态，确认
8、刀具是否破损。其中最典型的方法是 ITV(Industrial Television， 工业电视) 摄像法。间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象，间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法等。（以上小字引自学生的日记的附件文件夹）大家可能觉得我撇开那么多重要的铣床大部件不提，专门讨论刀具是舍本逐末。正如学生在上一篇作业中写过的：“记得我们的杨学长和彭总工曾大发感慨，一部机床真正动刀可能只要十分钟，但准备工作往往就要几个小时。如何能让一台高级车床在特定的环境、特定的要求下发挥出它应有的作用，对人高要求的情况下也应
9、以物的充分适应力作为前提保障。这都是我们需要预估、评定相关参数，进行进口技术要求和检测的。 ”当时没有写得太详细，其实，当时我们耗在那里，将近十个小时的准备时间，可以说绝大部分都放在了“附件”上面 。先是符合条件的接线板，再是机油，再是刀具、然后是夹具、再然后是辅助固定的铁块标准间、再再然后是合适的扳手.【故事】古时，有一个人要筑一座九仞（八尺=一仞）高的山。他堆了一年又一年，不论严寒酷暑，废寝忘食地从远处挖土，再挑土，再堆到山包上，终于有一天，他就要完工了。这一天也如往常一样，鸡刚叫就起床开工，一筐又一筐，眼看着山就要 9 仞高了，只差一筐土的工夫。但他一摸肚子咕咕叫，天又下起雪来，认为只有
10、一筐土，就回家去了。此后，他总认为只有一筐土而偷懒，所以这一筐土至死他也没堆上，终究这座只差一筐土的九仞高的山还是没有堆成（为山九仞，功亏一篑） 。 “功亏一篑” 一成语便出于此。大家越来越感受到服务行业的便利时，一件产品的后续维修、服务越来越引人注意。从高级数控机床的进口方面，动辄成百上千万美金，可能就是因为一把配套的小刀不合格就把整个重要工程停滞了下来。对于时间就是金钱的商场，犹如身体的心脏突然停止跳动。更可怕的是原生产厂家，往往趁此坐地要价，进行维修、更换重要“小”配件。接下来便是学生查阅相关文献，针对数控机床的比较成熟的检测技术简介。数字化精密量具量仪器的发展数字化测量技术是数字化制造
11、技术中的关键技术。高速高效、高精度、高可靠性、多功能先进数字化测量技术和仪器，装备、服务、推动着数字化制造技术和数控机床、装备的发展。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备从计量室进入生产现场，集成、融入于加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。数字化量具/传感器技术新发展适应加工环境，实现纳米高精度测量1）IP67 防水电子数显卡尺，能在冷却液直接喷淋工况下实施检测数显量具量大面广，尤其以数显卡尺应用普及。传统电子数显卡尺采用容栅位移传感器来实现测量，具有分辨力高、重复性好、耗电低等优点，但是介质状况对测量可靠性
12、影响很大，在有切削液及油污的工况下难以正常工作，生产现场的使用受到了限制。日本三丰公司在世界上首先成功开发出防水型数显卡尺，它采用的原理基于电感位移传感器。瑞士TESA 公司的防水数显卡尺基于磁阻式位移传感器，瑞士 SYLVAC 和德国 MAHR 公司则采用了感应同步器工作原理。上述防水型数显卡尺的防护等级都达到 IP67 规定，为当今最高水平。国内最大的数显卡尺生产出口企业桂林广陆数字测控公司和上海交通大学联合，于 2004 年底成功开发出一种基于电涡流栅位移传感器的新型防水数显卡尺，防护等级也达到 IP67 国际先进水平（图） 。其核心技术具有自主知识产权和专利。卡尺尺框内安装的电涡流传感
13、器线圈既是发射线圈同时也是接受线圈，卡尺尺身上带有规则排列的双码道金属反射体。传感器通过电涡流效应实现数显卡尺绝对位移和相对位移的测量。 （图）据称该厂今年已经建成生产线，开始批量化生产。青海量具刃具厂开发出新颖的双面数显外径千分尺（图） ，适用于不同操作形式，便于测量，体现了人性化的设计理念，受到国内外同行的关注和市场的兴趣。为提高光栅传感器的抗污染、抗干扰能力，著名的长度/角度位移传感器制造厂商德国Heindenhain 公司介绍了不同于传统四场成像式扫描方法的单场扫描技术（图） 。在新型的单场扫描技术中，扫描光栅（掩膜）与标尺光栅的栅距略有不同，由此在扫描光栅长度范围内会产生明暗交替条纹
14、，在相对移动时产生均匀的位移正弦信号。特制的栅状感光元件取代了传统的四个独立感光元件，用来生成四个相位差为 90 的扫描信号。由于扫描面积大又具有特殊光学过滤功能，故新的单场扫描技术对污染干扰不敏感，可以提供质量更好的测量信号，提供更高的测量精度。该公司近年来推出的、能提供绝对位置信息的绝对式光栅测量系统，可以提高数控机床的加工效率。2）新型纳米分辨力传感器和量具展现良好前景位移传感器的测量精度从微米量级向纳米量级提升是另一个发展趋势。Heindenhain、三丰及 SONY 等国外公司近年来都相继推出精度达到纳米级的光栅式长度计（图） 。北京标普公司采用了有自主知识产权的纳米计量光栅制造成套
15、技术，向市场推出百种规格品种轴向、侧向的微/纳米传感器和量具，包括量块检测仪、半导体晶片检测仪等。近期开发的 SGG-01 型 0.1 纳米测长仪, （图）分辨力达 0.1nm，示值误差（3+0.03L）nm。Talay Hobson公司的接触式轮廓粗糙度检查仪 PGI 采用的传感器测量范围 12.5mm，分辨力 0.8nm。其非接触式表面粗糙度测量仪，采用激光相位干涉测量传感器，可检测高度从 1nm 至 100m，分辨力达到 0.01nm。 （图）3）坐标测量机和数控机床用测头使用性能更上一层楼著名的触发式测头制造商 RENISHAW 公司最新推出的 OMP60 光学测头， （图）采用了最先
16、进的调制光学传输方法，具有很强的抗光干扰能力，推出的 RMP60 无线电测头系统，采用了跳频技术（FHSS） 。信号跳频传输系统能自动分配信号通道，无线发射和接收器通过匹配码识别进行信号传输，抗干扰能力大大提高，更好满足工业环境中使用的要求。德国 WERTH公司开发的光纤探头 WFP，称为世界上最细且准的探针，其半径为 12.5m。工作原理如图示， （图）测量时光纤探头球端和工件接触，球的位置则由坐标测量机的 CCD 光学视觉传感器检测出来。它适合测量超微小或超精密工件，如半导体、钟表齿轴及柴油喷嘴等。德国BLUM 公司 的 LaserControl NT 激光刀具测量仪（图）可用于刀具的在机
17、精密、自动检测和设置。当刀具装夹在机床上回转时，仪器可测量刀具的长度、半径和径向跳动，也可快速检测、监控刀具刃口的形状误差、刀具的破损等。此外还能测量并补偿因温度变化造成的刀具相对位置误差，提高了机床的加工精度。其密封可靠并采用喷气机构，该激光刀具测量装置可以在数控机床加工过程中正常使用。本来文章应该到此为止，但是就在写完上面的第二天，我们上精密测量技术这门课，突然听老师反复地、自豪地提到我们学院的又一镇院之宝：三坐标测量仪。于是便联想三坐标会不会与数控机床甚至这几天的作业数控铣床产生交集。于是便又画蛇添足的引入了以下内容。三坐标测量机作为精密测量仪器的基本型主导产品，继续在机械制造业中得到重
18、视和发展。以三坐标测量几位代表的精密测量仪器进入车间、服务于生产现场是发展的一个重要趋势。与光学/激光非接触式扫描测量技术的结合，实现多功能、多种传感器的集成和融合，使坐标测量技术的应用更加丰富和实用。1） 汽车大型覆盖件的非接触扫描测量精确快速配备有光学/激光式非接触扫描传感器的水平臂三坐标测量机实现了对大型覆盖件的快速精密检测。德国 ZEISS 公司和瑞典 HEXAGON 集团等世界著名三坐标制造厂在该领域进行了开发。HEXAGON 公司所属 DEA 的 PRIMA C1 系列水平臂测量机（图） ，在其 CW43L 型连续伺服关节测座上，可配备触发式测头、连续扫描测头、光学或激光扫描测头等
19、多种测头，以适应不同测量环境和任务的要求。图示为采用激光测头对车门进行快速非接触测量。德国 ZEISS 公司的 PROR Premium 坐标机， （图）配备有EagleEye 导航系统和可控测座，能够在汽车车身大型覆盖件、尤其是车身分总成质量的过程控制中，对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速精密测量。国内最大的三坐标水平臂测量划线机制造企业，四川中测量仪公司近年也成功开发出可对大型覆盖件非接触测量的测量机， （图）采用的是北京博维恒信科技公司出产的 CF 系列的光学三维扫描系统。北京南航立科公也有类似产品。2）带激光扫描测量系统的便携式柔性关节臂测量机测量功能增强HE
20、XAGON 计量集团成员之一的 CIMCORE 公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。 （图）仪器采用碳纤维材料，轻而刚性好，INFINITE 系列的还具有无线通讯系统。采用 PC-DMIS 软件，测量功能强。配上管件测量系统附件，还可实现管件的长度、弯曲度、管件回弹等多种数据的测量和比较。测量范围 1.2m 仪器的点测重复精度 0.010mm，空间精度 0.015mm。用于反求工程，测量速度快，尤其是测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接，使用友好。仪器可完成三坐标测量、三维造型、产品测绘、逆向工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终
21、检测等测量工作。美国 FARO 技术公司的仪器-FAROARM 系列便携式三坐标测量臂，具备有类似的技术指标和性能。我国西安爱德华公司今年也公开展示了自主开发的柔性关节臂测量机样机。3） 轴类零件光电非接触测量仪器发展迅速汽车制造工业的需求，也大大推进了轴类精密零件非接触测量技术的发展。瑞士 TESA 公司的 TESA Scan 系列轴类零件快速扫描测量仪（图） ，采用 2 个线阵 CCD 组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，实现轴类零件位置误差和形状误差的精确检测，对截面形状和轮廓度进行评估比较，以及统计质量分析。还能对零件的局部（如过渡曲线、微小沟槽等）进行放大测量。由于工件
22、立柱可以倾斜，因而能对螺纹、蜗杆、丝杆等进行全参数精度的精确测量，是该仪器 PLUS 系列的一大特色。仪器在直径方向上的分辨力为0.0003mm，精度 2+（0.01D）m，重复性 0.001mm。德国 SCHNEIDER 的 WMM 系列的轴类及工具测量仪（图） ，操作简单、测量速度高，特别是用于车间检查站适用。仪器采用高分辨力的 Matrix 摄像头，可以快速获得测量数据。仪器数显分辨力为 0.0001mm，长度测量不确定度为 E2=（2.0+L/200）m；L 为 mm。4）中小尺寸平面类精密零件的二维、三维非接触测量仪器应用广泛带 CCD 数字摄像头、激光测头及触发测头的多传感测头的光
23、学坐标测量仪器得到快速的发展。德国 MAHR 公司的 MARVISION 系列三维光学坐标测量机（图） 、瑞士 TESA 公司的三坐标成像测量系统 TESA VISIO（图） 、德国 SCHNEIDER 公司的 SKM 系列 3D 多测头坐标测量机、美国的 OGP 公司等国外著名厂商都有相应产品展示。日本三丰公司 CNC 视像测量系统系列产品中的 SV350-pro 型测量机（图） ，采用了公司自制的超高精度、高分辨力、低膨胀玻璃光栅基准尺，仪器分辨力 0.01m，测量精度 XY 轴（0.3+L/1000）m，Z 轴（1+2L/1000）m。它的 Hyper MF 型测量显微镜，其 XY 轴的
24、测量精度超过日本标准规定的 0 级。仪器在XY 轴上的测量精度为(0.9+3L/1000) m，仪器分辨力 0.01m，是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件如芯片和集成电路等检测的最好选择。国内西安爱德华、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也有类似产品。贵阳新天光电公司近年注重新品开发，去年(04 年)成功推出了 JX13C 图像处理万能工具显微镜（图） ，采用金属光栅和高分辨力的 CCD 摄像头，仪器测量精度达到（1.0+L/100）m。半导体激光导向快速确定测量位置。JX15A/B 型视频测量显微镜，同样采用了 CCD 数字成像技术，将采集到的被测件图像送入计算机进行处理，进行相应几何精度检测，产品技术指标和水平上了一个档次。深圳智泰公司 VMT 系列的 3D 影像量测仪， （图）在 CCD 视觉测量系统上，也配备上了高精度触发式测头，实现测量多功能。
