數控機床 “對刀”原理解析及應用

華北機電學校 (山西長治 046000)焦連岷

大家對數控機床中的“對刀”方法與操作早已“熟知”，然而，對其蘊含的“基本原理”卻很少有人“深究”，本人結合自己多年數控機床操作與維修的經驗，就關于數控機床“對刀”的一些基本原理和應用，和讀者作一些探討交流。

1.相關概念

在我們進行闡述原理之前先介紹幾個基本概念術語，這些都和“對刀”相關，了解了這些概念之后，有助于我們對“對刀”原理更深層次的理解。

(1)機床參考點：機床中的一固定點，是用來建立機床坐標系的基準，由機床生產廠家確定，對于采用非記憶型編碼器的機床開機后通常要執行“回參考點”工作。

(2)機床坐標系：由機床生產廠家確定，對于“有擋塊”的非“絕對編碼器”的機床而言，通常是通過回“參考點”之后進行確立，是機床確立自身部件的依據，在加工的過程中，其他坐標系都要通過數控系統內部邏輯“換算關系”轉換成“機床坐標系”，即機床坐標系是數控系統唯一能夠“識別”的坐標系。

(3)機床原點：即機床坐標系的零點，機床坐標系建立之后“零點” (即“機床原點”)隨之確立，它可以和機床參考點重合一致 (即機床原點與機床參考點是同一點)，也可以不一致，一般是可以通過數控機床“系統參數”進行設置確定。

(4)工件坐標系：是由編程人員確定，是編程坐標系，主要是考慮編程、加工及裝夾等方便而進行設置，是編制程序時的基準。

(5)對刀點：進行“對刀”操作時的參考基準點，通常是以刀具的加工切削點 (一般是以刀具的刀尖)為基準，通過對“對刀點”的操作與識別，使數控系統建立起機床坐標系與工件坐標系之間的聯系。

2.“對刀”概念及作用

編程人員采用的是“工件坐標系”，而數控機床所能夠識別的是“機床坐標系”，如何讓數控系統能夠“明知”用戶建立的工件坐標系在“何處”，這就需要進行“對刀”操作，即“確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置”，進行“對刀”操作完畢之后，對刀點的移動軌跡應是編程人員指定工件坐標系中規定的移動路線軌跡。因此，“對刀”操作實際上是建立起了機床坐標系與工件坐標系之間的聯系，從而使它們之間可以相互轉換。即

3.對刀原理

由以上論述得知，“對刀”的最終任務是：確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置，即確立二者之間的關系。為了闡述方便，繪制了圖1進行說明。

圖1 工件坐標系與機床坐標系之間的關系示意圖

設定工件坐標系與機床坐標系的關系為如圖1所示，工件坐標系的原點在機床坐標系中的坐標(X'，Z')值為 (Δa，Δb)，則工件坐標系中的任一點A(X，Z)轉換成機床坐標系中的值為：工件坐標系中的坐標值與原點偏移值的代數和，即

因此，如果能夠確定了工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值 (Δa，Δb)，則程序中工件坐標系的值便可順利得轉換成機床坐標系的值，能夠被數控系統所識別。所以，數控系統也正是事先通過“對刀”操作，獲取并記錄“工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值 (Δa，Δb)”，然后再根據式 (1)計算出機床坐標系的值，這正是“對刀原理”。

下面以華中世紀星數控車床為例，通過不同的“對刀方法”，分析數控系統是如何獲取偏移值(Δa，Δb)進行“對刀”的。

圖2 臥式數控車床對刀原理圖

(1)試切對刀。設工件坐標系的建立如圖2所示，X軸在工件的右端面，Z軸在主軸的中心線上，則“對刀”步驟為：①Z向對刀：手動模式→試切工件端面→Z方向不動，沿X方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出現圖3操作界面，按開始鍵將光標移至“試切長度”→輸入Z方向工件坐標系的值 (因為此時工件坐標系的原點建立在工件的右端面，Z向坐標值為0，即輸入0即可;如果不是在右端面，輸入相應的坐標值即可。)→按回車→系統自動計算出“Z偏置”值 (工件坐標系的原點在機床坐標系中的Z向坐標值)，該刀Z方向對刀完畢。

圖3 華中數控對刀操作界面

②X向對刀：試切外圓→X方向不動，沿Z方向退出→測量出工件直徑a(即X向的工件坐標系的值，系統會自動計算出半徑值)→MDI F4→刀偏表F2，出現圖3操作界面，按開始鍵將光標移至“試切直徑”→輸入測量的直徑a→回車→系統自動計算出“X偏置”值 (工件坐標系的原點在機床坐標系中的X向坐標值)，該刀X方向對刀完畢。

“試切對刀”的操作過程原理是：機床回參考點后，系統能夠自動確立當前“對刀點”A(X，Z)的機床坐標值→操作人員測量工件坐標系的值 (X，Z)輸入數控系統→數控系統根據二者的關系計算出偏移值 (Δa，Δb)→確定工件坐標系的零點在機床坐標系中的位置→建立起二者之間的聯系

在程序加工過程中系統根據式 (1)將工件坐標系的值換算成機床坐標系的值。其中X'、Z'為對刀點的機床坐標值，X測、Z測值為對刀過程中的測量(工件坐標系)值，在測量過程中X測為直徑值的一半 (在直徑編程方式下輸入直徑值，系統會自動進行取半)，Z測為試切長度。

(2)G92指令建立。另外一種“對刀”方法是用指令G92，在程序中直接指定進行建立，格式為G92 X----，Z----，即建立起的坐標系使當前“對刀點”的坐標值為指令中指定的值，如圖4所示：當刀具“對刀點”走到 A點時，用指令“G92 X60，Z50”是確定了當前“對刀點”的坐標值是工件坐標系中X60、Z50的位置，也就是分別距離當前對刀點“逆向”X向60、Z向50的位置為工件坐標系的原點。假如當前點的機床坐標系中的值為X'=150，Z'=-200，則工件坐標系的零點在機床坐標系中的實際位置是X'=90，Z'=-250(注：為說明方便，X向假設為半徑編程方式，直徑編程時原理相同，數值直接乘以2即可)。

圖4 G92程序指令建立工件坐標系原理示意圖

此種方法也是系統已知機床坐標值，工件坐標系的值由G92程序指令中指定 (不像“試切對刀”需要進行測量)，根據式 (2)系統很方便的計算出偏移值 (Δa、Δb)，完成“對刀”。

(3)指定原點。第三種方法是：用戶如果能夠確立工件坐標系與機床坐標系的關系，則可以直接在“對刀”操作界面圖3“X偏置”、“Z偏置”欄中輸入工件坐標系在機床坐標系中的偏移值，這實際上是直接“告知”了系統“工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置”，從而確立了二者之間的聯系。

4.應用意義

(1)只要“對刀點”位置未改變 (即保證刀具裝夾方式未改變，暫不考慮刀具磨損)，工件坐標系的原點相對于機床原點位置未改變，多次重復加工時勿需重新“對刀”。

在實際批量生產中，刀具裝夾合適后，就不會隨意更換，如果不考慮刀具本身磨損，則可以保證“對刀點”不變，所以唯一可能改變的是工件坐標系的原點相對于機床原點位置。在數控車床中，建立的工件坐標系Z軸一般與主軸中心重合 (臥式車床)，其精度可用三爪卡盤準確定位進行保證，所以工件坐標系的原點X向不會改變，而可能改變的是Z向，因為同樣是將工件坐標系的原點建立在工件的“右端面”，但由于工件裝夾時毛坯料伸出的長短不一致，可能導致“原點偏移”，此時如果不重新“對刀”則會造成多次加工的工件不一致。因此，為了保證Z向“伸出材料長度”一致，避免“重新對刀”，通常的做法是：首先，裝夾毛坯件時采用“樣板”粗定位 (即裝夾時用“樣板”作基準，或用專用夾具定位);其次，在程序中加入“平整端面”的語句行，進行精確定位，以消除Z向由于裝夾時帶來的“粗大誤差”。下面是常用的模板指令程序代碼：

N10 M03 S800 ;(主軸正轉，設定轉速800 r/min)

N20 T0101 ;(調用一號刀具)

N30 G00 X90，Z0 ;［快速移動到Z0端面，且在最大輪廓之外 (設外輪廓直徑小于90)］

N40 G01 X0 F100;［平整端面 (添加此語句行以消除毛坯裝夾時帶來的誤差)］

N50 Z2 ;(Z向回退到零件輪廓之外)

N60 G00 X90 ;(X向回退到零件輪廓之外)

…

N100 M05 ;(主軸停轉)

N110 M30 ;(程序結束并返回到程序開頭)

(2)用G92建立的坐標系，多次重復運行時要防止“原點”可能“跑偏”。在實際程序加工過程中，由于G92建立的坐標系是以刀具“當前點”為前提，“逆向反推”指令中指定的距離后得到工件坐標系的零點，所以，雖是同一條指令，但刀具“當前點”位置不同，最終的工件坐標系建立的原點也不同，這就要求同一程序反復使用時注意它們的“起刀點”位置要相同，否則，工件坐標系的零點位置會“跑偏”，如果不重新進行“對刀”操作，輕則加工出的零件精度不一致，零件尺寸錯誤產生“廢品”，重則產生“撞刀”，釀成事故，所以，在實際程序加工過程中，在程序結束前務必將“刀具”停留在建立工件坐標系“起始”的位置處。

N10 M03 S800 ;(主軸正轉，設定轉速800 r/min)

N20 T0101 ;(調用一號刀具)

N30 G92 X100 Z100;［(建立工件坐標系 (起始位置處)］

N40 G00 X90 ;(X向回退到零件輪廓之外)

…

N100 G00 X100，Z100;(務必添加此語句行回到“起始位置處”)

N110 M05 ;(主軸停轉)

N120 M30 ;(程序結束并返回到程序開頭)

(3)采用直接輸入工件坐標系原點的方法時要特別“慎重”。第三種“對刀”方法實際上已知二者的關系時才會用到，它一般是在“首件試切”前，為了驗證“走刀路線軌跡”，確保刀具不會“撞到工件”的安全情況下，而又略去進行“試切對刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁瑣，所以通常是先手動進給軸至安全距離，然后記錄下“機床坐標系的坐標值”進行輸入，此種方法更多的是用在“調試程序”階段，在“空走刀”的情況下驗證其“軌跡”，由于此種方法往往在程序中設定進給速度很快，甚至在機床操作面板中設置“空運行”按鈕有效，所以輸入時一定要確保： “指令最大運行范圍值”在實際運行中處于“絕對安全范圍”內，否則會因設置不當造成“撞刀”，甚至引發人身安全事故，對于初學者此種方法要“慎用”。

5.結語

由以上論述得知，數控機床工作過程中各坐標系的建立與轉換的相互關系為：機床開機→回參考點→確立機床原點→確立機床坐標系;編程人員→確立工件坐標系→對“對刀點”進行“對刀”操作→確立工件坐標系在機床坐標系中的位置→數控系統在零件加工過程中把工件坐標系轉換成機床坐標系。因此，“對刀”操作是數控加工過程中重要的一環。

“對刀”方法雖然形式多樣，但最終的目標只有一個：確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值。“試切”對刀和“G92程序指令”的方法是告知系統當前的工件坐標系的值，讓系統“反推”出“偏移值”，只不過“試切”對刀的方法是通過操作人員的測量，而后者是直接在程序中指定; “直接輸入”的方法則是直接告知系統工件坐標系原點的信息。

本文中雖是以“華中數控”系統車床為例，但原理同樣適用于其他廠家的數控系統，不同廠家生產的數控系統其“對刀”方法與步驟雖“略有不同”，但總體“大同小異”，其基本原理是“相通”的;而對于銑床與加工中心，只不過是增加了第三或第四軸，所以，本文所講得“對刀原理”具有普遍的意義。

對“對刀原理”的深刻理解有助于我們更好的進行“對刀”操作，了解數控機床中坐標系的確立過程與零件加工、進給運動部件位置的精確定位原理，從而更加靈活的對機床進行操作及運用編程指令進行程序編制，更好的發揮機床的生產效率。