自動(dòng)對(duì)刀儀的工作原理是利用數(shù)控車床自帶的監(jiān)控和檢測(cè)設(shè)備以及自身的位置測(cè)量系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然是附屬于數(shù)控車床，是為了提高數(shù)控車床的加工精度和效率而設(shè)計(jì)的，但作為一個(gè)獨(dú)立的儀器，數(shù)控車床自動(dòng)對(duì)刀儀的研究和設(shè)計(jì)方案應(yīng)該包括對(duì)刀原理、精密機(jī)械部分、電氣控制部分、自動(dòng)對(duì)刀儀的操作方法、誤差和精度分析等方面的研究和實(shí)現(xiàn)。機(jī)械部分是自動(dòng)對(duì)刀儀的主要部分，主要包括傳感器的設(shè)計(jì)和連接臂的設(shè)計(jì)。傳感器的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，要求適應(yīng)不同的刀具如內(nèi)孔車刀、端面車刀、螺紋車刀、外圓車刀等不同刀具偏轉(zhuǎn)角的刀具。另外，傳感器的表面要有硬度要求，不能因?yàn)轭l繁撞擊表面而產(chǎn)生小凹坑，影響對(duì)刀儀的精度。當(dāng)然我們也可以磨傳感器的探頭。傳感器應(yīng)保證應(yīng)有的精度要求；該傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，重量輕，安裝方便，適用于對(duì)刀和操作。電氣控制部分主要包括接口電路的設(shè)計(jì)。刀具接觸傳感器后，對(duì)刀儀應(yīng)有聲光信號(hào)顯示，以便操作者及時(shí)操作。傳感器的觸發(fā)信號(hào)應(yīng)準(zhǔn)確反映到數(shù)控系統(tǒng)中。需要研究獲取刀具補(bǔ)償值的算法，根據(jù)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化編程，獲取刀尖信息，分析計(jì)算刀具補(bǔ)償值。

操作方法需要具體的操作步驟。根據(jù)對(duì)刀儀的工作原理和實(shí)際特點(diǎn)以及對(duì)刀操作規(guī)程，用戶可以方便地對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行對(duì)刀。應(yīng)給出切刀過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以免誤操作，影響加工生產(chǎn)。自動(dòng)對(duì)刀儀的開發(fā)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)其各個(gè)方向的誤差和精度進(jìn)行分析，分析所有可能的誤差來(lái)源并進(jìn)行精度分析，以驗(yàn)證其可行性。

一、刀具位置偏差原因分析

因?yàn)閷?duì)刀儀是基于車床本身的系統(tǒng)測(cè)量，而數(shù)控車床的加工是通過(guò)程序控制來(lái)完成的，所以坐標(biāo)系的確定和使用非常重要。數(shù)控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，遠(yuǎn)離工件的刀具方向?yàn)檎较颉?/p>

1.數(shù)控車床坐標(biāo)系和數(shù)控車床參考點(diǎn)

數(shù)控車床坐標(biāo)系是指以機(jī)床原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系。數(shù)控車床的機(jī)床原點(diǎn)通常取在卡盤正面與主軸中心線的交點(diǎn)上。數(shù)控車床的原點(diǎn)在出廠前已由廠家調(diào)整好，用戶不得隨意更改。數(shù)控車床參考點(diǎn)是指刀架上的一個(gè)固定點(diǎn)，即固定點(diǎn)R點(diǎn)，該點(diǎn)遠(yuǎn)離機(jī)床原點(diǎn)O※。這個(gè)R點(diǎn)也是機(jī)床出廠時(shí)廠家調(diào)試好的，數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)。所以機(jī)床參考點(diǎn)R到機(jī)床原點(diǎn)O的坐標(biāo)是一個(gè)已知數(shù)，是一個(gè)固定值。一般在對(duì)刀前，數(shù)控車床必須進(jìn)行“回零”操作(即使刀架回到參考點(diǎn))，即刀架上的對(duì)刀參考點(diǎn)與機(jī)床的參考點(diǎn)R重合。此時(shí)，顯示在CRT屏幕上的值x和z是機(jī)床參考點(diǎn)r在x和z方向上相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)o的值。

2.工件坐標(biāo)系和切削點(diǎn)

工件坐標(biāo)系(又稱編程坐標(biāo)系)是指以工件原點(diǎn)(或編程原點(diǎn))為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系。編程坐標(biāo)系是用來(lái)編程的，是人為設(shè)定的。工件原點(diǎn)可以是工件上的任意一點(diǎn)，但為了編程和便于數(shù)值計(jì)算，一般在數(shù)控車床編程中選擇右端面或左端面與工件中心線的交點(diǎn)作為工件原點(diǎn)，在數(shù)控編程中要先確定工件坐標(biāo)系。起點(diǎn)(也叫程序起點(diǎn))是刀具點(diǎn)相對(duì)于工件原點(diǎn)OP的位置，即刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)。工件坐標(biāo)系的建立，其實(shí)就是確定刀具起點(diǎn)相對(duì)于工件原點(diǎn)的坐標(biāo)值的過(guò)程。目前在數(shù)控車床上建立工件坐標(biāo)系的方法一般是通過(guò)相應(yīng)的G指令來(lái)設(shè)定。工件坐標(biāo)系建立后，與機(jī)床坐標(biāo)系沒有任何聯(lián)系。此時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)仍然是相互獨(dú)立的。數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具位置在機(jī)床中的位置，即不能按照編制的程序正確加工。因此，在加工前，必須確定刀具位置與機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)O的關(guān)系，即通過(guò)一般加工前的對(duì)刀方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本對(duì)刀儀的設(shè)計(jì)采用了NUM數(shù)控系統(tǒng)。現(xiàn)在對(duì)NUM數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)變換簡(jiǎn)單介紹如下:CNC上電時(shí)，沒有可以用來(lái)計(jì)算軸的運(yùn)動(dòng)的測(cè)量起點(diǎn)。在執(zhí)行任何編程的移動(dòng)之前，系統(tǒng)必須初始化(每個(gè)軸返回到其原始位置)。返回原始位置的過(guò)程將為CNC系統(tǒng)提供編程運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。如果返回到原始位置的過(guò)程沒有完成，只能執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)操作。系統(tǒng)通過(guò)返回到原始位置(原始位置開關(guān)被置于特定的物理位置)的過(guò)程來(lái)建立測(cè)量起點(diǎn)OM。各軸返回原位的過(guò)程是這樣完成的:在車床或CNC系統(tǒng)制造廠定義的移動(dòng)方向(測(cè)量起點(diǎn)設(shè)定方向)上啟動(dòng)啟動(dòng)限位開關(guān)，CNC系統(tǒng)的處理器可以計(jì)算出相對(duì)于機(jī)床起點(diǎn)或零點(diǎn)的所有位移?；卦?測(cè)量起點(diǎn)設(shè)備)過(guò)程完成后，系統(tǒng)將廠家定義的各軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值應(yīng)用于各軸，建立測(cè)量起點(diǎn)。為了編寫零件程序，程序員必須定義一個(gè)程序起點(diǎn)，該起點(diǎn)通常是零件圖上尺寸測(cè)量的起點(diǎn)。

3.刀具位置補(bǔ)償

對(duì)于刀具位置補(bǔ)償，刀具位置的偏移補(bǔ)償必須在以下三種情況下進(jìn)行:

(1)在實(shí)際加工中，通常是若干把不同位置的刀(即每把刀的刀尖相對(duì)于刀架上的一個(gè)固定點(diǎn)處于不同的位置)來(lái)加工外形尺寸相同的工件。但在編程時(shí)，往往會(huì)建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系，需要將所有刀尖都移動(dòng)到坐標(biāo)系中的一個(gè)參考點(diǎn)，或者以一把刀為基準(zhǔn)設(shè)定工件坐標(biāo)系。因此，其他刀具的刀尖必須移動(dòng)到該參考點(diǎn)位置?？梢酝ㄟ^(guò)刀具位置補(bǔ)償來(lái)完成。

(2)對(duì)于同一個(gè)刀具，重新研磨刀具或更換新刀具后，很難準(zhǔn)確安裝到程序設(shè)定的原始位置，總是存在位置誤差，實(shí)際加工后就變成了加工誤差。此時(shí)，需要通過(guò)刀具位置補(bǔ)償功能來(lái)修正刀具的安裝位置誤差。

(3)每種刀具在使用過(guò)程中都有不同程度的磨損，磨損后的刀尖位置與編程位置的差異也會(huì)造成加工誤差，這也可以通過(guò)刀具位置補(bǔ)償功能進(jìn)行修正。

二、刀補(bǔ)值的確定

1.試切法

從上面的分析可以看出，雖然我們可以通過(guò)返回參考點(diǎn)來(lái)確定對(duì)刀參考點(diǎn)的坐標(biāo)，或者通過(guò)測(cè)量來(lái)確定工件和機(jī)床的坐標(biāo)，但是工件坐標(biāo)系在建立之后和機(jī)床坐標(biāo)系是沒有關(guān)系的，兩者仍然是相互獨(dú)立的。數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具刀尖在機(jī)床中的位置，也不能確定它們的相互位置。因此，有必要使用試切法對(duì)刀。試切法要操作手動(dòng)機(jī)床回到參考點(diǎn)，將工件毛坯1夾在卡盤上，測(cè)量D(工件直徑)和L(工件伸出三爪卡盤的距離)。啟動(dòng)機(jī)床，手動(dòng)對(duì)刀(以90°外圓車刀為例)。第一步:刀尖輕輕接觸棒料端面對(duì)刀，然后Z方向移動(dòng)，X方向退出刀具，記錄CRT動(dòng)態(tài)坐標(biāo)值Z；第二步:刀尖輕輕接觸棒料的外圓，對(duì)刀，然后X方向移動(dòng)，Z方向退出刀具，記錄CRT動(dòng)態(tài)坐標(biāo)值X；第三步:計(jì)算刀具補(bǔ)償值(Ll，L2)。L1 L2·L2的值可以代入公式計(jì)算。

最后，刀具補(bǔ)償值(Ll，L2)被輸入CNC系統(tǒng)。刀具補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)后，會(huì)自動(dòng)修正刀具軌跡。試切法也可用于多刀具加工。其他刀具的對(duì)刀過(guò)程相同。每個(gè)刀具的刀具補(bǔ)償值被輸入到相應(yīng)的刀具補(bǔ)償寄存器中，用于CNC系統(tǒng)的補(bǔ)償。也可以以第一刀的刀位為基點(diǎn)，以其他刀相對(duì)于第一刀的刀位偏差值為補(bǔ)償值。上述對(duì)刀方法實(shí)質(zhì)上是使每把刀具的刀尖與工件外圓母線和端面的交點(diǎn)接觸，并以此交點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算每把刀具的刀具偏差。使用試切法對(duì)刀時(shí)，準(zhǔn)確的對(duì)刀方法是:手動(dòng)對(duì)刀時(shí)，將工件試樣端面和外圓轉(zhuǎn)動(dòng)一次，仔細(xì)測(cè)量試樣伸出卡盤的長(zhǎng)度L和試切外圓的直徑D。降低進(jìn)給速度，使每個(gè)刀具與工件的接觸程度盡可能均勻，可以有效提高切削和設(shè)定的精度。使用試切法對(duì)刀的優(yōu)點(diǎn)是不需要專用的對(duì)刀工具，操作者只需按照常規(guī)操作即可，簡(jiǎn)單、快捷、正確、有效。

2.其他刀具的對(duì)刀方法

對(duì)于配備多把刀具的數(shù)控車床，每把刀具之間也存在位置偏差。如果用試切法逐個(gè)確定刀具補(bǔ)償值，精度必然下降，效率較低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。自動(dòng)對(duì)刀儀對(duì)刀時(shí)，通過(guò)試切法設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)刀具。其他刀具相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀具的刀具補(bǔ)償值由對(duì)刀儀的傳感器獲得，并由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算，從而確定每一刀具相對(duì)于工件的刀具補(bǔ)償值。自動(dòng)對(duì)刀儀的刀具補(bǔ)償值的設(shè)定與手動(dòng)對(duì)刀方式的區(qū)別在于，它可以自動(dòng)捕捉信息，計(jì)算得到刀具補(bǔ)償值，并存儲(chǔ)起來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，自動(dòng)對(duì)刀儀的對(duì)刀原理就是確定不同刀具在對(duì)刀裝置中的位置，由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算出位置補(bǔ)償值(刀具補(bǔ)償值)，并存儲(chǔ)刀具補(bǔ)償值的過(guò)程。

三、結(jié)束語(yǔ)

沒有自動(dòng)對(duì)刀裝置的數(shù)控車床在加工零件時(shí)，一般采用實(shí)際切削的方法對(duì)切削的零件進(jìn)行對(duì)刀。加工刀尖零件時(shí)，輸入所用刀具的幾何尺寸(刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償)，然后測(cè)量加工零件的實(shí)際尺寸，以修改刀具的幾何補(bǔ)償值和加工零件的程序。這會(huì)造成機(jī)器試刀的大量工時(shí)，增加試件廢品，降低效率，不利于自動(dòng)化加工。具有對(duì)刀裝置的數(shù)控車床的操作者可以根據(jù)工藝要求準(zhǔn)備刀具。加工零件時(shí)，當(dāng)對(duì)刀裝置接收到信號(hào)時(shí)，機(jī)床立即停止運(yùn)動(dòng)，信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)將測(cè)量值送入幾何補(bǔ)償。此時(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。分析了數(shù)控車床自動(dòng)對(duì)刀的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)行了刀具位置偏差的概念介紹和原因分析，并介紹了刀具補(bǔ)償值的確定方法。筆者希望它們能在提高數(shù)控車床加工精度的效率方面發(fā)揮更大的作用。