淺析數(shù)控車床中接觸對刀儀相關(guān)技術(shù)問題

接觸對刀儀是利用普通車床外加的監(jiān)控檢測設(shè)備利用普通車床自身的位置測量系統(tǒng)來進(jìn)行工作的?？傮w來說，它雖然是附屬于普通車床，為提高車床加工的精度和效率而設(shè)計(jì)的，但作為一套獨(dú)立的儀器，對普通車床用接觸對刀儀的研究設(shè)計(jì)方案應(yīng)包括對刀原理的研究與實(shí)現(xiàn)、精密機(jī)械部分、電氣控制部分、接觸對刀儀的操作方法、誤差與精度分析等部分。機(jī)械部分是接觸對刀儀的主體部分，它主要包括傳感器的設(shè)計(jì)與連接臂的設(shè)計(jì)，其中傳感器的設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵，要求它能適應(yīng)內(nèi)孔車刀、端面車刀、螺紋刀、外圓車刀等不同刀具和不同刀偏角的刀具；另外，傳感器表面要有硬度要求，不能因?yàn)轭l繁地撞擊表面產(chǎn)生小的凹坑，影響對刀儀的精度，當(dāng)然，我們也可以對傳感器的測頭進(jìn)行修磨；傳感器應(yīng)保證應(yīng)有的精度要求；傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，重量不能太大且安裝方便，適合刀具的對準(zhǔn)與操作。電氣控制部分主要包括接口電路的設(shè)計(jì)，對刀儀在刀具接觸到傳感器后應(yīng)有聲光信號顯示，以便操作者進(jìn)行及時(shí)操作，傳感器的觸發(fā)信號要能準(zhǔn)確地反映到數(shù)控系統(tǒng)；要對刀補(bǔ)值算法的獲得進(jìn)行算法研究，根據(jù)算法對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化編程以獲取刀尖點(diǎn)的信息并分析計(jì)算刀補(bǔ)值。

操作方法要求給出具體的操作步驟，根據(jù)對刀儀的工作原理及實(shí)際特點(diǎn)，按照對刀的操作規(guī)程，用戶可以方便地對普通車床進(jìn)行對刀；應(yīng)給出對刀過程的注意事項(xiàng)，以免錯(cuò)誤操作，影響加工生產(chǎn)。接觸對刀儀的開發(fā)設(shè)計(jì)工作完成之后，要對其進(jìn)行多方位的誤差與精度分析，分析產(chǎn)生誤差所有可能的來源并對精度作出分析，校驗(yàn)其可行性。

一、刀具位置偏差原因分析

因?yàn)閷Φ秲x是建立在車床自身系統(tǒng)測量的基礎(chǔ)之上的，普通車床的加工是由程序控制完成的，所以坐標(biāo)系的確定與使用非常重要。根據(jù)IS0841標(biāo)準(zhǔn)，普通車床坐標(biāo)系用右手笛卡兒坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)確定。普通車床平行于主軸方向即縱向?yàn)閆軸，垂直于主軸方向即橫向?yàn)閄軸，刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎颉?/p>

1.普通車床坐標(biāo)系與普通車床參考點(diǎn)

普通車床坐標(biāo)系是指以機(jī)床原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系，普通車床的機(jī)床原點(diǎn)通常取在卡盤前端面與主軸中心線交點(diǎn)處，一般機(jī)床原點(diǎn)在普通車床出廠前由生產(chǎn)廠家已經(jīng)調(diào)整好，不允許用戶隨意變動。普通車床參考點(diǎn)是指刀架上某一固定點(diǎn)，即對刀參考點(diǎn)退離距機(jī)床原點(diǎn)O最遠(yuǎn)的一個(gè)固定點(diǎn)R點(diǎn)，該R點(diǎn)在機(jī)床出廠時(shí)也由生產(chǎn)廠家調(diào)試好，并將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。因此機(jī)床參考點(diǎn)R對機(jī)床原點(diǎn)O的坐標(biāo)是一個(gè)已知數(shù)，一個(gè)固定值。一般對刀之前，必先使普通車床進(jìn)行“回零”操作(即使刀架返回參考點(diǎn)操作)，就是使刀架上對刀參考點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)R重合。此時(shí)CRT屏幕上顯示值x，z即為機(jī)床參考點(diǎn)R相對于機(jī)床原點(diǎn)O點(diǎn)在X方向和Z方向的值。

2.工件坐標(biāo)系與起刀點(diǎn)

工件坐標(biāo)系(又稱為編程坐標(biāo)系)是指以工件原點(diǎn)(或稱編程原點(diǎn))為坐標(biāo)原點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系。編程坐標(biāo)系供編程用，是人為設(shè)置的。工件原點(diǎn)可以是工件上任意點(diǎn)，但為了編程，方便數(shù)值計(jì)算，一般普通車床編程原點(diǎn)選工件右端面或左端面與中心線交點(diǎn)作為工件原點(diǎn)，數(shù)控編程時(shí)應(yīng)首先確定工件坐標(biāo)系。起刀點(diǎn)(又稱程序起點(diǎn))即刀具刀位點(diǎn)相對工件原點(diǎn)OP的位置，即刀具相對于工件運(yùn)動的起始點(diǎn)，工件坐標(biāo)系的建立實(shí)際上是確定刀具起刀點(diǎn)相對于工件原點(diǎn)的坐標(biāo)值的過程。目前普通車床上建立工件坐標(biāo)系的方法一般用相應(yīng)的G指令來設(shè)定。當(dāng)工件坐標(biāo)系建立以后，并未與機(jī)床坐標(biāo)系發(fā)生任何聯(lián)系，此時(shí)，兩者仍然相互獨(dú)立，數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具刀位點(diǎn)在機(jī)床中的位置，即無法按所編程序正確加工，因此加工之前，還必須確定刀具刀位點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)O之間的關(guān)系，即一般加工之前通過對刀方法來實(shí)現(xiàn)。

本對刀儀的設(shè)計(jì)使用的是NUM數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)將NUM數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)變換簡單介紹如下：當(dāng)CNC上電時(shí)，沒有測量起點(diǎn)可用于計(jì)算軸的運(yùn)動。在執(zhí)行任何程序編制的運(yùn)動前必須對系統(tǒng)進(jìn)行初始化(各軸回原位)，回原位過程將給CNC系統(tǒng)提供用于編程運(yùn)動的坐標(biāo)系統(tǒng)。如果回原位過程沒有完成，則只能進(jìn)行點(diǎn)動操作。系統(tǒng)通過一個(gè)回原位過程建立一個(gè)測量起點(diǎn)OM(原位開關(guān)被安置在一個(gè)特定的物理位置上)。每個(gè)軸的回原位過程是這樣完成的：在由車床或數(shù)控系統(tǒng)制造廠商定義的運(yùn)動方向上(測量起點(diǎn)設(shè)置方向)激活起始限位開關(guān)，數(shù)控系統(tǒng)的處理器能計(jì)算所有相對于機(jī)床起點(diǎn)或零點(diǎn)的位移量，在回原位(測量起點(diǎn)設(shè)備)過程完成后，系統(tǒng)將由制造廠商定義的每個(gè)軸的坐標(biāo)變換值應(yīng)用到每個(gè)軸上以建立測量起點(diǎn)。為了寫一個(gè)零件程序，編程者必須定義一個(gè)程序起點(diǎn)，該點(diǎn)通常也是零件圖上的尺寸測量起點(diǎn)。

3.刀具位置補(bǔ)償

對于刀具位置補(bǔ)償來講，下列3種情況下，均須進(jìn)行刀具位置的偏置補(bǔ)償：

(1)在實(shí)際加工中，通常是各把不同位置的若干把刀具(即各把刀具的刀尖在刀架上相對于某固定點(diǎn)的位置各不相同)加工同一輪廓尺寸的工件，而編程時(shí)往往都建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系，要求使所有的刀尖都移到坐標(biāo)系中的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，或者以一把刀為基準(zhǔn)設(shè)定工件坐標(biāo)系，因此須將其余刀具的刀尖都偏移到此基準(zhǔn)刀尖位置上。利用刀具位置補(bǔ)償即可完成。

(2)對同一把刀具而言，當(dāng)?shù)毒咧啬セ蚋鼡Q新刀后，再把它準(zhǔn)確地安裝到程序所設(shè)定的原位置，是非常困難的，總是存在位置誤差，這個(gè)位置誤差在實(shí)際加工后即成為加工誤差，此時(shí)，需通過刀具位置補(bǔ)償功能來修正刀具安裝位置誤差。

(3)每把刀具在使用過程中都有不同程度的磨損，而磨損后的刀尖位置與編程位置存在差值，同樣會造成加工誤差，這種誤差也可通過刀具位置補(bǔ)償功能來糾正。

二、刀補(bǔ)值的確定

1.試切法

通過以上分析可知：雖然我們可以通過回參考點(diǎn)確定對刀參考點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以通過測量確定工件與機(jī)床坐標(biāo)的位置，但工件坐標(biāo)系建立以后并未與機(jī)床坐標(biāo)系發(fā)生任何聯(lián)系，兩者仍然相互獨(dú)立，數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具刀位點(diǎn)在機(jī)床中的位置，還是不能確定它們的相互位置。這樣就需要用到試切法對刀，試切法對刀應(yīng)先進(jìn)行手動機(jī)床回參考點(diǎn)操作，將1工件毛坯夾持于卡盤上，測出D(工件直徑)、L(工件伸出3爪夾盤距離)，啟動機(jī)床，以手動方式進(jìn)行對刀(以90°外圓車刀為例)。第一步：將車刀刀尖與棒料端面輕輕接觸對刀，然后Z向不動，X向退出車刀，記下CRT動態(tài)坐標(biāo)值Z；第二步：將車刀刀尖與棒料外圓輕輕接觸對刀，然后X向不動，Z向退出車刀，記下CRT動態(tài)坐標(biāo)值X；第三步：計(jì)算刀補(bǔ)值(Ll，L2)。代入公式計(jì)算即可計(jì)算出L2，L1的值。

最后，將刀補(bǔ)值(Ll，L2)輸入CNC系統(tǒng)中。刀具補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)后，刀具的運(yùn)動軌跡便會自動校正。試切法也可用于多刀加工，其它各刀的對刀過程一樣，將各刀的刀補(bǔ)值分別輸入相應(yīng)刀偏寄存器中供數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償使用。也可以以第一把刀的刀位點(diǎn)作為基點(diǎn)，將其余各刀的刀位點(diǎn)相對第一把刀的偏差值作為補(bǔ)償值。用上述方法對刀，實(shí)質(zhì)上是使每把刀的刀尖與工件外圓母線與端面的交點(diǎn)接觸，利用這一交點(diǎn)為基準(zhǔn)，算出各把刀的刀偏量。采用試切法對刀時(shí)，精確對刀的方法是：手動對刀時(shí)，將工件試件端面、外圓車1刀，并仔細(xì)測量試件伸出卡盤長度L、試切外圓直徑D。降低進(jìn)給速度，并使每把刀對刀接觸工件的程度盡可能統(tǒng)一，可有效提高試切對刀的精度。采用試切法對刀優(yōu)點(diǎn)是無需特殊對刀工具，操作者只需按常規(guī)操作，簡便快速，而且較為正確有效。

2.其它刀具的對刀方法

對于裝有多把刀具的普通車床而言，每把刀之間也存在著位置偏差，如果逐個(gè)去用試切法確定刀補(bǔ)值，勢必會造成精度下降，而且效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。接觸對刀儀對刀時(shí)先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)刀，用試切法對標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行對刀，其它刀具相對于標(biāo)準(zhǔn)刀的刀補(bǔ)值是通過對刀儀的傳感器來獲取，由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算而得，這樣各把刀相對于工件的刀補(bǔ)值也就確定了。接觸對刀儀刀補(bǔ)值的設(shè)定與手動對刀法所不同的是它能自動將信息捕捉并運(yùn)算得到刀補(bǔ)值，將其存儲起來。簡單地說，接觸對刀儀的對刀原理就是通過對刀裝置不同刀具相互之間的位置予以確定，由CNC系統(tǒng)計(jì)算出位置補(bǔ)償值(刀補(bǔ)值)，并將刀補(bǔ)值儲存起來的過程。

三、結(jié)束語

沒有安裝自動對刀裝置的普通車床在加工零件時(shí)，一般采用實(shí)切法對切削的零件進(jìn)行對刀。刀尖加工零件時(shí)，輸入所用刀具的幾何尺寸(刀具長度補(bǔ)償)再測量加工零件的實(shí)際尺寸，來修改刀具幾何補(bǔ)償值及加工零件的程序，這樣造成很多占機(jī)試刀工時(shí)，試件廢品增加、效率低，不利于實(shí)現(xiàn)自動化加工。帶對刀裝置的普通車床的操作者可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行刀具準(zhǔn)備，在加工零件時(shí)，當(dāng)對刀裝置接收到信號后，機(jī)床立即停止移動，信號反饋給CNC系統(tǒng)，系統(tǒng)自動把測量的值送入幾何補(bǔ)償里，這時(shí)操作者可以根據(jù)測量值修改相關(guān)的零件加工程序。本文對于普通車床中接觸對刀儀相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行分析，進(jìn)行概念介紹與刀具位置偏差原因分析，并且對于刀補(bǔ)值的確定方法進(jìn)行介紹。作者希望它們能夠在提高普通車床加工精度的效率中發(fā)揮更大的作用。