淺析數(shù)控車床中接觸對(duì)刀儀相關(guān)技術(shù)問題

接觸對(duì)刀儀是利用普通車床外加的監(jiān)控檢測(cè)設(shè)備利用普通車床自身的位置測(cè)量系統(tǒng)來進(jìn)行工作的。總體來說，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(duì)普通車床用接觸對(duì)刀儀的研究設(shè)計(jì)方案應(yīng)包括對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)刀儀的精度，當(dāng)然，我們也可以對(duì)傳感器的測(cè)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(duì)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(duì)刀儀在刀具接觸到傳感器后應(yīng)有聲光信號(hào)顯示，以便操作者進(jìn)行及時(shí)操作，傳感器的觸發(fā)信號(hào)要能準(zhǔn)確地反映到數(shù)控系統(tǒng)；要對(duì)刀補(bǔ)值算法的獲得進(jìn)行算法研究，根據(jù)算法對(duì)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(duì)刀儀的工作原理及實(shí)際特點(diǎn)，按照對(duì)刀的操作規(guī)程，用戶可以方便地對(duì)普通車床進(jìn)行對(duì)刀；應(yīng)給出對(duì)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(duì)刀儀的開發(fā)設(shè)計(jì)工作完成之后，要對(duì)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(duì)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?duì)刀儀是建立在車床自身系統(tǒng)測(cè)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(dòng)。普通車床參考點(diǎn)是指刀架上某一固定點(diǎn)，即對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)工件原點(diǎn)OP的位置，即刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)刀方法來實(shí)現(xiàn)。

本對(duì)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(jiǎn)單介紹如下：當(dāng)CNC上電時(shí)，沒有測(cè)量起點(diǎn)可用于計(jì)算軸的運(yùn)動(dòng)。在執(zhí)行任何程序編制的運(yùn)動(dòng)前必須對(duì)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(dòng)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(dòng)操作。系統(tǒng)通過一個(gè)回原位過程建立一個(gè)測(cè)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(dòng)方向上(測(cè)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(duì)于機(jī)床起點(diǎn)或零點(diǎn)的位移量，在回原位(測(cè)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(cè)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(cè)量起點(diǎn)。

3.刀具位置補(bǔ)償

對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)刀參考點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以通過測(cè)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(duì)刀，試切法對(duì)刀應(yīng)先進(jìn)行手動(dòng)機(jī)床回參考點(diǎn)操作，將1工件毛坯夾持于卡盤上，測(cè)出D(工件直徑)、L(工件伸出3爪夾盤距離)，啟動(dòng)機(jī)床，以手動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)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(duì)刀，然后Z向不動(dòng)，X向退出車刀，記下CRT動(dòng)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(duì)刀，然后X向不動(dòng)，Z向退出車刀，記下CRT動(dòng)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(dòng)軌跡便會(huì)自動(dòng)校正。試切法也可用于多刀加工，其它各刀的對(duì)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(duì)第一把刀的偏差值作為補(bǔ)償值。用上述方法對(duì)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(duì)刀時(shí)，精確對(duì)刀的方法是：手動(dòng)對(duì)刀時(shí)，將工件試件端面、外圓車1刀，并仔細(xì)測(cè)量試件伸出卡盤長(zhǎng)度L、試切外圓直徑D。降低進(jìn)給速度，并使每把刀對(duì)刀接觸工件的程度盡可能統(tǒng)一，可有效提高試切對(duì)刀的精度。采用試切法對(duì)刀優(yōu)點(diǎn)是無需特殊對(duì)刀工具，操作者只需按常規(guī)操作，簡(jiǎn)便快速，而且較為正確有效。

2.其它刀具的對(duì)刀方法

對(duì)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(shì)必會(huì)造成精度下降，而且效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。接觸對(duì)刀儀對(duì)刀時(shí)先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)刀，用試切法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行對(duì)刀，其它刀具相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀的刀補(bǔ)值是通過對(duì)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(duì)于工件的刀補(bǔ)值也就確定了。接觸對(duì)刀儀刀補(bǔ)值的設(shè)定與手動(dòng)對(duì)刀法所不同的是它能自動(dòng)將信息捕捉并運(yùn)算得到刀補(bǔ)值，將其存儲(chǔ)起來。簡(jiǎn)單地說，接觸對(duì)刀儀的對(duì)刀原理就是通過對(duì)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(chǔ)存起來的過程。

三、結(jié)束語

沒有安裝自動(dòng)對(duì)刀裝置的普通車床在加工零件時(shí)，一般采用實(shí)切法對(duì)切削的零件進(jìn)行對(duì)刀。刀尖加工零件時(shí)，輸入所用刀具的幾何尺寸(刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償)再測(cè)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(dòng)化加工。帶對(duì)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(duì)刀裝置接收到信號(hào)后，機(jī)床立即停止移動(dòng)，信號(hào)反饋給CNC系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)把測(cè)量的值送入幾何補(bǔ)償里，這時(shí)操作者可以根據(jù)測(cè)量值修改相關(guān)的零件加工程序。本文對(duì)于普通車床中接觸對(duì)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(duì)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。