NMC—32VS型數控加工中心自制對刀儀的研究與設計

摘 要：為了達到加工精度和效率的提高，機床生產廠家、用戶都希望在數控機床上安裝各種加工精度監測儀器，也就是安裝測量裝置進行自動測量，對刀具的相對位置進行測量，并根據測量得到的結果自動修正刀具的偏置值，使設備能加工出更高精度的零件。因此結合NMC—32VS型數控加工中心設計一個能在機床上使用的自動對刀儀.用自制的對刀儀進行對刀即簡單又便捷，而且時間又短，對刀準確，使用又非常方便，提高了數控加工中心的產品加工效率，具有較高的經濟實用性。

關鍵詞：數控加工中心；對刀儀；刀補設定

基金項目：福建省石獅市科技計劃項目（項目編號：2014SK05）

近些年來隨著科學技術的發展，機械產品日趨精密和復雜，需要機床具有較強的適應產品變化的能力，因此經濟型數控機床和簡易數控系統的機床在市場上的應用也隨之廣泛。其次要在簡易數控機床上安裝多把刀具，由于刀具類型不同，刀尖位置和長度都不一致，需要各把刀具測量計算出刀補值，才能使程序繼續運行加工出合格的零件。而手動對刀相對比較麻煩且誤差大些，對需頻繁換刀的小批量生產的工件，更會增加對刀工時，使加工效率偏低，不利于自動化加工的實現，使加工中心的優勢難以發揮。若使用自動對刀儀，對出標準刀具后，其它的刀具相對于標準刀的位置偏差就會自動修正，得到各把刀的刀補值，既準確又很方便。對于產品更新頻繁多的，生產周期短的產品加工，提供了很大的方便。

NMC-32VS型的銑床數控加工中心自制對刀儀是采用機械觸發式傳感器，通過控制刀具運動軌跡來觸發傳感器的，PLC把傳感器接收到的信號反饋給數控系統，再由系統對數據進行相應的處理，然后得出準確的數值。這種對刀儀連接線簡單，且易于維護，并可以提高生產率，降低加工成本。對刀儀總體設計方案如圖1所示。

1 NMC-32VS型的銑床數控加工中心介紹

數控加工中心是由機械設備與數控系統組成的加工比較復雜零件的高效率自動化機床。數控加工中心是目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一。它的綜合加工能力較強，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，其效率比普通設備高出5～10倍，因為它能完成許多普通設備所不能完成的加工工藝。因此對形狀較復雜，精度要求高的單件加工或中小批量生產更為適用。并且NMC-32VS型立式加工中心具有直線插補、圓弧插補、快速定位、坐標系設定、刀具偏置、進給保持、循環啟動、固定循環、自診斷、誤差補償、程序存儲等功能。機床動態性能好、運動精度控制準確、加工精度穩定且一致性好，能在一次裝夾下完成零件鉆、擴、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 “對刀儀”的結構及原理

對刀的目的是為了建立工件坐標系，簡單的說就是確立工件在加工中心工作臺中的位置，實際上就是求對刀點在工作臺坐標系中的坐標。用立式加工中心在加工前首先要選擇對刀點，對刀點是指刀具相對于工件運動的起點，而對刀點既可以設在工件上（如工件上的設計基準或定位基準），也可以設在夾具或工作臺上的某一點，但前提是該點必須與工件的定位基準保持一定精度的尺寸關系。

當對刀時，應使刀位點與對刀點重合。所謂刀位點是指刀具的定位基準點，對于立銑刀來說，其刀位點是刀尖。對刀的目的是確定對刀點（或工件原點）在工作臺上坐標系中的絕對坐標值，測出刀具的刀位偏差值，而對刀點找正的準確度直接影響加工精度。在實際加工時，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行加工。在使用多把刀加工時，其在換刀位置不變的情況下，換刀后刀尖點的幾何位置將出現偏差，因此不同刀具在不同的起始位置開始加工時，都應能保證程序正常運行。所以結合銑床數控加工中心的特性自制了一個“對刀儀”，而該項目的主要技術創新旨在設計一種機內接觸式自動對刀儀，實現數控加工前的對刀，提高生產率，降低加工成本。

基于自動對刀儀線性工件原理，這款自制的對刀儀可提供最小且沒有側向扭轉的測量力。即使是最敏感易且直徑最小的刀具，也可以實現高精度測量。內部使用微型光柵：（1）無機械磨損（2）長期使用中保持極高精度；其他產品機械式開關：1.測量時有機械磨損2.使用一段時間后精度下降。如圖2所示、圖3所示。

3 對刀儀的作用

（1）對刀儀在±X、±Y、±Z六個方向上進行刀偏值的測量和補償，可以有效地解決人工對刀產生的誤差和效率低下的問題。不管是使用何種切削刀具，進行輪廓銑削時，所有參與切削的刀尖點或刀具軸心線都必須通過調整或補償，使其精確地位于工件坐標系的同一理論點或軸心線上。對于動力型回轉刀具，除了要測量并補償刀具長度方向上的偏置值外，同時還須測量和補償刀具直徑方向上的偏置值（刀具以軸心線分界的兩個半徑的偏置值）。不然加工中心是無法保證加精度的。如果使用了對刀儀，則結果就不一樣了，因為用自動對刀儀對刀后能夠自動設置好刀具對工件坐標系的偏置值，從而自動建立起工件坐標系。在這種情況下，加工程序中就無需再用手動輸入來建立工件坐標系了。

（2）加工過程中刀具磨損或破損的自動監測、報警和補償

在沒有安裝對刀儀的機床上完成磨損值的補償是很麻煩的，需要多次停機對工件的尺寸進行手工測量，還要將得到的磨損值手動修改刀補參數。如果安裝對刀儀后，這個問題就簡單多了，特別是安裝HPPA型或HPMA型的機床更為方便。前者只要根據刀具的磨損規律，干完一定數量的工件后停下機床，用對刀儀再進行一遍對刀即可；后者只要在程序中設定完成多少個加工循環，然后執行一次自動對刀，即可完成刀補工作。

對于刀具破損報警或刀具磨損到一定程度后，是根據刀具允許的磨損量，設定一個“限位值”，一旦對刀儀監測到的誤差超過限位值，即認為刀具已破損或超過了允許的限位值，則機床自動報警停機，只要進行刀具的更換即可。

4 對刀儀的使用方法

“對刀儀”進行對刀的具體操作過程如下：

（1）使用自動對刀儀需有高精度的電子測頭（傳感器）才能夠準確觸發測頭，對刀儀的反映時間短，系統能利用機床測量裝置進行測量，通過對不同刀尖觸發坐標（x、y、z）的記錄，然后將“對刀儀”平穩地置于數控加工中心主軸的正下方，在數控系統面板輸入換刀指令（M6T1），將刀庫中的1號刀裝入主軸（Z軸），不必讓主軸旋轉，用脈沖手輪使Z軸慢慢下降，當刀尖快接觸到“對刀儀”的測量砧板中心時，將手輪的Z軸脈沖調至1檔，此時，脈沖手輪每轉一格，Z軸下降0.001毫米。

（2）當刀尖點接觸到對刀儀的壓板時，將Z軸此時的相對坐標值設定為0，此時1號刀就是基準刀，不用補償長度，它的長度補償值為0，因此，在數控加工中心刀具長度補償參數列表中輸入1號刀的長度補償值“0”。基準刀1號刀目前刀尖點是測量所有刀具的基準點，這個點由表針清楚地顯示出來并設定好。其它刀具只要將這個對刀儀的測量砧板壓住，使數值向0刻度，就說明它的刀尖準確停到了1號基準刀刀尖的基準點位置了。

（3）用手輪快速（脈沖調至100檔）升起Z軸，讓表針自動復位，然后將1號刀放回刀具庫中，換2號刀到加工中心的主軸上。并讓主軸慢慢下降，使它接近“對刀儀”的測量砧板，并改變手輪的Z軸脈沖至1檔；慢慢轉動脈沖手輪，使2號刀刀尖壓住“對刀儀”測量砧板，直到數值在零刻度上，這時，2號刀的刀尖位置就與1號刀的基準0位重合了。此時數控系統中顯示的Z軸相對坐標值就是2號刀的長度補償值，將此值輸入到數控系統的2號刀具長度補償參數列表中。其它刀具也是用同樣的方法進行對刀。

5 結束語

自動對刀儀在數控加工中心上的應用，極大的減少了機床加工的輔助時間，其經濟效益是非常可觀的。同時帶自動對刀裝置的數控機床可以根據工藝要求進行刀具準備，加工零件時，當對刀裝置接收到信號后，機床停止移動，信號反饋給CNC系統，系統自動把測量值輸入到刀具補償里，這時只要根據測量值修改相關的零件加工程序就可以。使用自動對刀即縮短了試刀工時，也減少了人為因素，極大提高了自動化水平，使用非常方便，有很大的實用性和可推廣性。

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作者簡介

葉坤煌（1984-），男，實驗師、數控高級技師，主要研究方向：數控技術與應用。