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自動對刀儀是利用普通車床外加的監控檢測設備利用普通車床自身的位置測量系統來進行工作的。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計的,但作為一套獨立的儀器,對普通車床用自動對刀儀的研究設計方案應包括對刀原理的研究與實現、精密機械部分、電氣控制部分、自動對刀儀的操作方法、誤差與精度分析等部分。機械部分是自動對刀儀的主體部分,它主要包括傳感器的設計與連接臂的設計,其中傳感器的設計尤其關鍵,要求它能適應內孔車刀、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,不能因為頻繁地撞擊表面產生小的凹坑,影響對刀儀的精度,當然,我們也可以對傳感器的測頭進行修磨;傳感器應保證應有的精度要求;傳感器的結構設計合理,重量不能太大且安裝方便,適合刀具的對準與操作。電氣控制部分主要包括接口電路的設計,對刀儀在刀具接觸到傳感器后應有聲光信號顯示,以便操作者進行及時操作,傳感器的觸發信號要能準確地反映到數控系統;要對刀補值算法的獲得進行算法研究,根據算法對系統進行參數化編程以獲取刀尖點的信息并分析計算刀補值。

操作方法要求給出具體的操作步驟,根據對刀儀的工作原理及實際特點,按照對刀的操作規程,用戶可以方便地對普通車床進行對刀;應給出對刀過程的注意事項,以免錯誤操作,影響加工生產。自動對刀儀的開發設計工作完成之后,要對其進行多方位的誤差與精度分析,分析產生誤差所有可能的來源并對精度作出分析,校驗其可行性。

1  刀具位置偏差原因分析

因為對刀儀是建立在車床自身系統測量的基礎之上的,普通車床的加工是由程序控制完成的,所以坐標系的確定與使用非常重要。根據IS0841標準,普通車床坐標系用右手笛卡兒坐標系作為標準確定。普通車床平行于主軸方向即縱向為Z軸,垂直于主軸方向即橫向為X軸,刀具遠離工件方向為正向。

(1)普通車床坐標系與普通車床參考點

普通車床坐標系是指以機床原點為坐標原點所建立的坐標系,普通車床的機床原點通常取在卡盤前端面與主軸中心線交點處,一般機床原點在普通車床出廠前由生產廠家已經調整好,不允許用戶隨意變動。普通車床參考點是指刀架上某一固定點,即對刀參考點退離距機床原點O最遠的一個固定點R點,該R點在機床出廠時也由生產廠家調試好,并將數據輸入到數控系統中。因此機床參考點R對機床原點O的坐標是一個已知數,一個固定值。一般對刀之前,必先使普通車床進行“回零”操作(即使刀架返回參考點操作),就是使刀架上對刀參考點與機床參考點R重合。此時CRT屏幕上顯示值x,z即為機床參考點R相對于機床原點O點在X方向和Z方向的值。

 (2)工件坐標系與起刀點

工件坐標系(又稱為編程坐標系)是指以工件原點(或稱編程原點)為坐標原點所建立的坐標系。編程坐標系供編程用,是人為設置的。工件原點可以是工件上任意點,但為了編程,方便數值計算,一般普通車床編程原點選工件右端面或左端面與中心線交點作為工件原點,數控編程時應首先確定工件坐標系。起刀點(又稱程序起點)即刀具刀位點相對工件原點OP的位置,即刀具相對于工件運動的起始點,工件坐標系的建立實際上是確定刀具起刀點相對于工件原點的坐標值的過程。目前普通車床上建立工件坐標系的方法一般用相應的G指令來設定。當工件坐標系建立以后,并未與機床坐標系發生任何聯系,此時,兩者仍然相互獨立,數控系統既不知道工件在機床中的位置,也不知道刀具刀位點在機床中的位置,即無法按所編程序正確加工,因此加工之前,還須確定刀具刀位點與機床坐標原點O之間的關系,即一般加工之前通過對刀方法來實現。

本對刀儀的設計使用的是NUM數控系統,現將NUM數控系統坐標變換簡單介紹如下:當CNC上電時,沒有測量起點可用于計算軸的運動。在執行任何程序編制的運動前須對系統進行初始化(各軸回原位),回原位過程將給CNC系統提供用于編程運動的坐標系統。如果回原位過程沒有完成,則只能進行點動操作。系統通過一個回原位過程建立一個測量起點OM(原位開關被安置在一個特定的物理位置上)。每個軸的回原位過程是這樣完成的:在由車床或數控系統制造廠商定義的運動方向上(測量起點設置方向)激活起始限位開關,數控系統的處理器能計算所有相對于機床起點或零點的位移量,在回原位(測量起點設備)過程完成后,系統將由制造廠商定義的每個軸的坐標變換值應用到每個軸上以建立測量起點。為了寫一個零件程序,編程者須定義一個程序起點,該點通常也是零件圖上的尺寸測量起點。

(3)刀具位置補償

對于刀具位置補償來講,下列3種情況下,均須進行刀具位置的偏置補償:

①在實際加工中,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的位置各不相同)加工同一輪廓尺寸的工件,而編程時往往都建立統一的坐標系,要求使所有的刀尖都移到坐標系中的一個基準點上,或者以一把刀為基準設定工件坐標系,因此須將其余刀具的刀尖都偏移到此基準刀尖位置上。利用刀具位置補償即可完成。

②對同一把刀具而言,當刀具重磨或更換新刀后,再把它準確地安裝到程序所設定的原位置,是非常困難的,總是存在位置誤差,這個位置誤差在實際加工后即成為加工誤差,此時,需通過刀具位置補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償功能來糾正。

 2  刀補值的確定

(1)試切法

通過以上分析可知:雖然我們可以通過回參考點確定對刀參考點的坐標,也可以通過測量確定工件與機床坐標的位置,但工件坐標系建立以后并未與機床坐標系發生任何聯系,兩者仍然相互獨立,數控系統既不知道工件在機床中的位置,也不知道刀具刀位點在機床中的位置,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,試切法對刀應先進行手動機床回參考點操作,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),啟動機床,以手動方式進行對刀(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動態坐標值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動態坐標值X;第三步:計算刀補值(Ll,L2)。代入公式計算即可計算出L2, L1的值。

最后,將刀補值(Ll,L2)輸入CNC系統中。刀具補償值輸入數控系統后,刀具的運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,將各刀的刀補值分別輸入相應刀偏寄存器中供數控系統補償使用。也可以以第一把刀的刀位點作為基點,將其余各刀的刀位點相對第一把刀的偏差值作為補償值。用上述方法對刀,實質上是使每把刀的刀尖與工件外圓母線與端面的交點接觸,利用這一交點為基準,算出各把刀的刀偏量。采用試切法對刀時,準確對刀的方法是:手動對刀時,將工件試件端面、外圓車1刀,并仔細測量試件伸出卡盤長度L、試切外圓直徑D。降低進給速度,并使每把刀對刀接觸工件的程度盡可能統一,可有效提高試切對刀的精度。采用試切法對刀優點是無需特殊對刀工具,操作者只需按常規操作,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,如果逐個去用試切法確定刀補值,勢必會造成精度下降,而且效率低下,費時費力。自動對刀儀對刀時先設置標準刀,用試切法對標準刀進行對刀,其它刀具相對于標準刀的刀補值是通過對刀儀的傳感器來獲取,由數控系統計算而得,這樣各把刀相對于工件的刀補值也就確定了。自動對刀儀刀補值的設定與手動對刀法所不同的是它能自動將信息捕捉并運算得到刀補值,將其存儲起來。簡單地說,自動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系統計算出位置補償值(刀補值),并將刀補值儲存起來的過程。

小結

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