一種簡易加工中心對刀儀的設計

韓加好，陳 穎，王曉虹

(連云港職業(yè)技術學院，江蘇連云港 222006)

0 引言

目前加工中心上常用的Z向對刀裝置主要分為兩類。一類是光學刀具輪廓對刀儀［1］，其對刀的精度和自動化程度都比較高，但價格昂貴，須請專人安裝調試，且維護成本較高。第二類是機械對刀器，其結構簡單，但自動化程度低，對刀器在對刀中主要起基準平臺的作用，在對刀過程的最后需要手工將Z向刀偏計算輸入系統(tǒng)。目前大型加工企業(yè)多使用第一類對刀儀，第二類的機械對刀器由于對刀效率與直接對刀相比并沒有太大提高，基本處于可用可不用的“雞肋”狀況。本文考慮設計一種適合于中小型企業(yè)、性價比高的簡易對刀儀。該對刀儀能實現(xiàn)快速對刀(刀具能以較快速度與對刀儀接觸)，具有比較高的對刀精度(采用高靈敏光電傳感器)，并能利用PLC和對刀宏程序［2］自動實現(xiàn)刀具補償和對刀保護(不用人工輸入)，可大大提高加工中心刀具調整的效率。對刀儀避免采用昂貴的光學元器件，不足千元的制造成本與光學對刀儀動輒萬元以上的價格相比，很是經(jīng)濟實用。

1 對刀儀的設計要點

1.1 簡易光電對刀儀工作原理

對刀儀Z向對刀的實質是先輸入一把標準刀的刀偏值，并將其長度補償值置0，其余刀具通過對刀就是得到不同的長度補償值。其中標準刀的Z向對刀由人工操作方式完成，其后各把刀的對刀過程由對刀宏程序［2］控制。

1.2 對刀儀硬件結構設計

本對刀儀的結構主要包含底坐、外殼、對刀機構、傳感器與信號線路等部分。見圖1。

圖1 對刀儀基本硬件結構

(1)對刀儀底座設計

對刀儀底座設計如圖2a，為保證對刀儀精度，底面須具備高的平面度。中間的滑桿用來安裝彈簧并與對刀機構的滑孔進行裝配。底面的四個孔是用來將對刀儀固定在機床上。兩側的小螺紋孔用于固定外殼。

圖2 對刀儀底座、外殼與對對刀凸臺

(2)對刀儀外殼設計

外殼設計時要考慮到與對刀儀底座的配合問題，要留內部階梯孔用于與底座裝配，還要有用于固定外殼和底座的螺紋孔。對刀儀頂部還要裝密封圈。要預留階梯孔。對刀儀外殼右端要加工出內螺紋孔。用于安裝光電傳感器的接收端。

(3)對刀儀對刀機構設計(對刀凸臺)

對刀儀對刀機構采用硬質合金增強其耐磨性，對刀機構下端要有滑孔用來與底座滑桿裝配(套在滑桿上)。中間加工一螺紋孔，以安裝對刀儀光電傳感器的發(fā)射端。

(4)傳感器

由于對刀儀用于對精度要求很高的數(shù)控加工，對刀儀傳感器必須具備高加工精度?？紤]到數(shù)控車間經(jīng)常會有切削振動及切削液澆淋的加工環(huán)境，因此選擇對刀儀傳感器時必須考慮抗振性、抗干擾能力和抗腐蝕性要求。綜合考慮以上各方面因素，本設計選用一個高靈敏度的光電開關［5］作為對刀儀感應元件，以滿足對刀儀使用要求。

1.3 信號輸入及連接設計

(1)信號控制思路

對刀儀須利用刀具位置傳感信號實現(xiàn)控制。本設計的光電傳感器信號接入FANUC系統(tǒng)PMC的SKIP信號［3］接點，SKIP信號能控制系統(tǒng)的G31程序指令的運行，SKIP信號在轉入PMC的同時，高速跳轉進入系統(tǒng)，指使G31指令停止移動并將刀具剩余移動量清除。［4］正確運用SKIP信號的接點地址及連接，是對刀儀設計成敗的關鍵，也是本設計最關鍵的技術難點。

(2)對刀儀光電開關接線

傳感器在對刀時的作用就相當于一個光電開關，對刀儀工作時利用些光電開關信號控制對應的繼電器觸頭分合，以實現(xiàn)SKIP信號的通斷。本設計考慮選用SSR固態(tài)繼電器，SSR固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關過程中無機械接觸部件，其除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小等特點，可以減小對刀儀體積和提高對刀靈敏度。

如圖3所示，將SSR的DC端接光電傳感器信號。輸出端用于控制SKIP信號X4.7(以FANUC0i系列數(shù)控系統(tǒng)為例)。

圖3 SSR固態(tài)繼電器接線

(3)SKIP接點連接

傳感器信號通過接通SSR觸發(fā)X4.7。圖4為X4.7在配FANUC 0I PMC系統(tǒng)的PMC I/O端分布位置［6］，找到 X4.7 的輸入端位置 CB106(B05)，與SSR相連接。

圖4 CB104/CB105/CB106/CB107插頭管腳分配

2 對刀宏程序設計

2.1 宏程序設計思路

刀具對刀過程的要自動完成，須有一配套的對刀宏程序：控制刀具向對刀儀靠近并接觸的運動過程;記錄刀具與對刀儀接觸后停止(SKIP信號起作用)時的機械坐標值記錄;計算對刀坐標與標準刀坐標差值并輸入刀補。宏程序設計思路如圖5所示。

圖5 宏程序設計思路

2.2 G31跳步指令

在FANUC0i系統(tǒng)中，G31跳步指令通常用于測量功能。在G31執(zhí)行過程中，如果沒有SKIP信號，G31就相當于 G01指令;如果在執(zhí)行 G31過程中SKIP信號置“1”，則在當前位置清除剩余運動量(停止運動)，直接執(zhí)行下一個程序段，并同時將進給軸的坐標儲存到#5061—#5064［7］中。

2.3 宏程序編寫

(1)宏程序變量使用

根據(jù)程序需要，主要使用了以下各種變量，見表1。

表1 對刀宏程序中變量的用途

(2)對刀宏程序

宏程序主體如下(限于篇幅，省略粗碰程序設計及安全防護等部分)：

3 簡易光電對刀儀的性能測試

本對刀儀最大的特點是性價比高，本對刀儀在雕銑機及加工中心上進行了Z向對刀應用測試，其對刀的快捷性、使用的便利性明顯強于光學對刀儀，雖然其對刀精度參數(shù)與光學對刀儀相比較低，但完全足夠滿足一般數(shù)控加工要求，其主要性能狀況如下表2所列。

表2 簡易加工中心對刀儀性能狀況

4 結束語

使用本文所設計的加工中心Z軸對刀儀，相對于傳統(tǒng)對刀方法節(jié)省了大量工作時間，減輕了工人的勞動強度，用高精度的光電開關作為對刀儀傳感器，對刀精度較高，在對刀儀中采取了過行程保護開和增加吹氣裝置等局部改進，提高了對刀儀的安全性和可靠性，對刀儀成本較低，本設計產(chǎn)品有較為廣闊的應用前景。

［1］劉力雙，孫雙花.電子攝像式對刀儀的研究［J］.先進檢測技術與裝置，2007(11)：12－15.

［2］黃詩梅，產(chǎn)文良.基于宏程序的電子對刀儀在加工中心的應用［J］.機床與液壓，2011(10)：39－40.

［3］朱宏偉.基于FANUC用戶宏程序的刀長測量程序設計［J］.機床與液壓，2012(2)：40－41.

［4］BEIJING-FANUC機電有限公司.FANUC 0i-C系統(tǒng)功能說明書(軟件)［Z］2004.

［5］王慶有.光電傳感器應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［6］BEIJING-FANUC機電有限公司.FANUC-0I-M連接說明書(硬件)［Z］2004.

［7］BEIJING-FANUC機電有限公司.FANUC 0i-C系統(tǒng)參數(shù)說明書［Z］2004.