NMC—32VS型數(shù)控加工中心自制對(duì)刀儀的研究與設(shè)計(jì)

摘 要：為了達(dá)到加工精度和效率的提高，機(jī)床生產(chǎn)廠家、用戶都希望在數(shù)控機(jī)床上安裝各種加工精度監(jiān)測(cè)儀器，也就是安裝測(cè)量裝置進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，對(duì)刀具的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量得到的結(jié)果自動(dòng)修正刀具的偏置值，使設(shè)備能加工出更高精度的零件。因此結(jié)合NMC—32VS型數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)一個(gè)能在機(jī)床上使用的自動(dòng)對(duì)刀儀.用自制的對(duì)刀儀進(jìn)行對(duì)刀即簡(jiǎn)單又便捷，而且時(shí)間又短，對(duì)刀準(zhǔn)確，使用又非常方便，提高了數(shù)控加工中心的產(chǎn)品加工效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；對(duì)刀儀；刀補(bǔ)設(shè)定

基金項(xiàng)目：福建省石獅市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014SK05）

近些年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密和復(fù)雜，需要機(jī)床具有較強(qiáng)的適應(yīng)產(chǎn)品變化的能力，因此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床在市場(chǎng)上的應(yīng)用也隨之廣泛。其次要在簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床上安裝多把刀具，由于刀具類型不同，刀尖位置和長(zhǎng)度都不一致，需要各把刀具測(cè)量計(jì)算出刀補(bǔ)值，才能使程序繼續(xù)運(yùn)行加工出合格的零件。而手動(dòng)對(duì)刀相對(duì)比較麻煩且誤差大些，對(duì)需頻繁換刀的小批量生產(chǎn)的工件，更會(huì)增加對(duì)刀工時(shí)，使加工效率偏低，不利于自動(dòng)化加工的實(shí)現(xiàn)，使加工中心的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。若使用自動(dòng)對(duì)刀儀，對(duì)出標(biāo)準(zhǔn)刀具后，其它的刀具相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀的位置偏差就會(huì)自動(dòng)修正，得到各把刀的刀補(bǔ)值，既準(zhǔn)確又很方便。對(duì)于產(chǎn)品更新頻繁多的，生產(chǎn)周期短的產(chǎn)品加工，提供了很大的方便。

NMC-32VS型的銑床數(shù)控加工中心自制對(duì)刀儀是采用機(jī)械觸發(fā)式傳感器，通過(guò)控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)觸發(fā)傳感器的，PLC把傳感器接收到的信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，再由系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后得出準(zhǔn)確的數(shù)值。這種對(duì)刀儀連接線簡(jiǎn)單，且易于維護(hù)，并可以提高生產(chǎn)率，降低加工成本。對(duì)刀儀總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1 NMC-32VS型的銑床數(shù)控加工中心介紹

數(shù)控加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的加工比較復(fù)雜零件的高效率自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)控加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。它的綜合加工能力較強(qiáng)，一次裝夾能完成較多的加工工序，且加工精度較高，適合加工中等難度的批量工件，其效率比普通設(shè)備高出5～10倍，因?yàn)樗芡瓿稍S多普通設(shè)備所不能完成的加工工藝。因此對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量生產(chǎn)更為適用。并且NMC-32VS型立式加工中心具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、快速定位、坐標(biāo)系設(shè)定、刀具偏置、進(jìn)給保持、循環(huán)啟動(dòng)、固定循環(huán)、自診斷、誤差補(bǔ)償、程序存儲(chǔ)等功能。機(jī)床動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度控制準(zhǔn)確、加工精度穩(wěn)定且一致性好，能在一次裝夾下完成零件鉆、擴(kuò)、鏜、鉸等孔類加工和銑削平面、溝槽、曲面等多種工序的加工。

2 “對(duì)刀儀”的結(jié)構(gòu)及原理

對(duì)刀的目的是為了建立工件坐標(biāo)系，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是確立工件在加工中心工作臺(tái)中的位置，實(shí)際上就是求對(duì)刀點(diǎn)在工作臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。用立式加工中心在加工前首先要選擇對(duì)刀點(diǎn)，對(duì)刀點(diǎn)是指刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，而對(duì)刀點(diǎn)既可以設(shè)在工件上（如工件上的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或定位基準(zhǔn)），也可以設(shè)在夾具或工作臺(tái)上的某一點(diǎn)，但前提是該點(diǎn)必須與工件的定位基準(zhǔn)保持一定精度的尺寸關(guān)系。

當(dāng)對(duì)刀時(shí)，應(yīng)使刀位點(diǎn)與對(duì)刀點(diǎn)重合。所謂刀位點(diǎn)是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)于立銑刀來(lái)說(shuō)，其刀位點(diǎn)是刀尖。對(duì)刀的目的是確定對(duì)刀點(diǎn)（或工件原點(diǎn)）在工作臺(tái)上坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)值，測(cè)出刀具的刀位偏差值，而對(duì)刀點(diǎn)找正的準(zhǔn)確度直接影響加工精度。在實(shí)際加工時(shí)，使用單把刀具很難滿足工件的加工要求，通常要使用多把刀具進(jìn)行加工。在使用多把刀加工時(shí)，其在換刀位置不變的情況下，換刀后刀尖點(diǎn)的幾何位置將出現(xiàn)偏差，因此不同刀具在不同的起始位置開(kāi)始加工時(shí)，都應(yīng)能保證程序正常運(yùn)行。所以結(jié)合銑床數(shù)控加工中心的特性自制了一個(gè)“對(duì)刀儀”，而該項(xiàng)目的主要技術(shù)創(chuàng)新旨在設(shè)計(jì)一種機(jī)內(nèi)接觸式自動(dòng)對(duì)刀儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工前的對(duì)刀，提高生產(chǎn)率，降低加工成本。

基于自動(dòng)對(duì)刀儀線性工件原理，這款自制的對(duì)刀儀可提供最小且沒(méi)有側(cè)向扭轉(zhuǎn)的測(cè)量力。即使是最敏感易且直徑最小的刀具，也可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。內(nèi)部使用微型光柵：（1）無(wú)機(jī)械磨損（2）長(zhǎng)期使用中保持極高精度；其他產(chǎn)品機(jī)械式開(kāi)關(guān)：1.測(cè)量時(shí)有機(jī)械磨損2.使用一段時(shí)間后精度下降。如圖2所示、圖3所示。

3 對(duì)刀儀的作用

（1）對(duì)刀儀在±X、±Y、±Z六個(gè)方向上進(jìn)行刀偏值的測(cè)量和補(bǔ)償，可以有效地解決人工對(duì)刀產(chǎn)生的誤差和效率低下的問(wèn)題。不管是使用何種切削刀具，進(jìn)行輪廓銑削時(shí)，所有參與切削的刀尖點(diǎn)或刀具軸心線都必須通過(guò)調(diào)整或補(bǔ)償，使其精確地位于工件坐標(biāo)系的同一理論點(diǎn)或軸心線上。對(duì)于動(dòng)力型回轉(zhuǎn)刀具，除了要測(cè)量并補(bǔ)償?shù)毒唛L(zhǎng)度方向上的偏置值外，同時(shí)還須測(cè)量和補(bǔ)償?shù)毒咧睆椒较蛏系钠弥担ǖ毒咭暂S心線分界的兩個(gè)半徑的偏置值）。不然加工中心是無(wú)法保證加精度的。如果使用了對(duì)刀儀，則結(jié)果就不一樣了，因?yàn)橛米詣?dòng)對(duì)刀儀對(duì)刀后能夠自動(dòng)設(shè)置好刀具對(duì)工件坐標(biāo)系的偏置值，從而自動(dòng)建立起工件坐標(biāo)系。在這種情況下，加工程序中就無(wú)需再用手動(dòng)輸入來(lái)建立工件坐標(biāo)系了。

（2）加工過(guò)程中刀具磨損或破損的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警和補(bǔ)償

在沒(méi)有安裝對(duì)刀儀的機(jī)床上完成磨損值的補(bǔ)償是很麻煩的，需要多次停機(jī)對(duì)工件的尺寸進(jìn)行手工測(cè)量，還要將得到的磨損值手動(dòng)修改刀補(bǔ)參數(shù)。如果安裝對(duì)刀儀后，這個(gè)問(wèn)題就簡(jiǎn)單多了，特別是安裝HPPA型或HPMA型的機(jī)床更為方便。前者只要根據(jù)刀具的磨損規(guī)律，干完一定數(shù)量的工件后停下機(jī)床，用對(duì)刀儀再進(jìn)行一遍對(duì)刀即可；后者只要在程序中設(shè)定完成多少個(gè)加工循環(huán)，然后執(zhí)行一次自動(dòng)對(duì)刀，即可完成刀補(bǔ)工作。

對(duì)于刀具破損報(bào)警或刀具磨損到一定程度后，是根據(jù)刀具允許的磨損量，設(shè)定一個(gè)“限位值”，一旦對(duì)刀儀監(jiān)測(cè)到的誤差超過(guò)限位值，即認(rèn)為刀具已破損或超過(guò)了允許的限位值，則機(jī)床自動(dòng)報(bào)警停機(jī)，只要進(jìn)行刀具的更換即可。

4 對(duì)刀儀的使用方法

“對(duì)刀儀”進(jìn)行對(duì)刀的具體操作過(guò)程如下：

（1）使用自動(dòng)對(duì)刀儀需有高精度的電子測(cè)頭（傳感器）才能夠準(zhǔn)確觸發(fā)測(cè)頭，對(duì)刀儀的反映時(shí)間短，系統(tǒng)能利用機(jī)床測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)不同刀尖觸發(fā)坐標(biāo)（x、y、z）的記錄，然后將“對(duì)刀儀”平穩(wěn)地置于數(shù)控加工中心主軸的正下方，在數(shù)控系統(tǒng)面板輸入換刀指令（M6T1），將刀庫(kù)中的1號(hào)刀裝入主軸（Z軸），不必讓主軸旋轉(zhuǎn)，用脈沖手輪使Z軸慢慢下降，當(dāng)?shù)都饪旖佑|到“對(duì)刀儀”的測(cè)量砧板中心時(shí)，將手輪的Z軸脈沖調(diào)至1檔，此時(shí)，脈沖手輪每轉(zhuǎn)一格，Z軸下降0.001毫米。

（2）當(dāng)?shù)都恻c(diǎn)接觸到對(duì)刀儀的壓板時(shí)，將Z軸此時(shí)的相對(duì)坐標(biāo)值設(shè)定為0，此時(shí)1號(hào)刀就是基準(zhǔn)刀，不用補(bǔ)償長(zhǎng)度，它的長(zhǎng)度補(bǔ)償值為0，因此，在數(shù)控加工中心刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償參數(shù)列表中輸入1號(hào)刀的長(zhǎng)度補(bǔ)償值“0”?；鶞?zhǔn)刀1號(hào)刀目前刀尖點(diǎn)是測(cè)量所有刀具的基準(zhǔn)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)由表針清楚地顯示出來(lái)并設(shè)定好。其它刀具只要將這個(gè)對(duì)刀儀的測(cè)量砧板壓住，使數(shù)值向0刻度，就說(shuō)明它的刀尖準(zhǔn)確停到了1號(hào)基準(zhǔn)刀刀尖的基準(zhǔn)點(diǎn)位置了。

（3）用手輪快速（脈沖調(diào)至100檔）升起Z軸，讓表針自動(dòng)復(fù)位，然后將1號(hào)刀放回刀具庫(kù)中，換2號(hào)刀到加工中心的主軸上。并讓主軸慢慢下降，使它接近“對(duì)刀儀”的測(cè)量砧板，并改變手輪的Z軸脈沖至1檔；慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖手輪，使2號(hào)刀刀尖壓住“對(duì)刀儀”測(cè)量砧板，直到數(shù)值在零刻度上，這時(shí)，2號(hào)刀的刀尖位置就與1號(hào)刀的基準(zhǔn)0位重合了。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)中顯示的Z軸相對(duì)坐標(biāo)值就是2號(hào)刀的長(zhǎng)度補(bǔ)償值，將此值輸入到數(shù)控系統(tǒng)的2號(hào)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償參數(shù)列表中。其它刀具也是用同樣的方法進(jìn)行對(duì)刀。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)對(duì)刀儀在數(shù)控加工中心上的應(yīng)用，極大的減少了機(jī)床加工的輔助時(shí)間，其經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。同時(shí)帶自動(dòng)對(duì)刀裝置的數(shù)控機(jī)床可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行刀具準(zhǔn)備，加工零件時(shí)，當(dāng)對(duì)刀裝置接收到信號(hào)后，機(jī)床停止移動(dòng)，信號(hào)反饋給CNC系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)把測(cè)量值輸入到刀具補(bǔ)償里，這時(shí)只要根據(jù)測(cè)量值修改相關(guān)的零件加工程序就可以。使用自動(dòng)對(duì)刀即縮短了試刀工時(shí)，也減少了人為因素，極大提高了自動(dòng)化水平，使用非常方便，有很大的實(shí)用性和可推廣性。

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作者簡(jiǎn)介

葉坤煌（1984-），男，實(shí)驗(yàn)師、數(shù)控高級(jí)技師，主要研究方向：數(shù)控技術(shù)與應(yīng)用。