淺談機(jī)床測頭在對刀中的應(yīng)用

陳遠(yuǎn)洋，張余益，井平安，郭 巍

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

隨著教育教學(xué)改革的逐漸深入[1]，我國高等工科教育的人才培養(yǎng)正由知識型向能力型轉(zhuǎn)化。高等學(xué)校由主要重視知識傳授向重視知識、能力、素質(zhì)和創(chuàng)新思維綜合發(fā)展的方向邁進(jìn)。金工實(shí)習(xí)是工科高等院校對學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一，是一門以機(jī)械制造基礎(chǔ)知識和技能為主的技術(shù)基礎(chǔ)課[2]。

數(shù)控銑床是目前使用較為廣泛的數(shù)控機(jī)床之一，數(shù)控銑床教學(xué)也是學(xué)生金工實(shí)習(xí)中的重要環(huán)節(jié)。數(shù)控銑削加工中對刀是不可缺少的環(huán)節(jié)，加工工藝和對刀目的一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，探索安全高效的對刀方式一直是教學(xué)工作者研究的問題。本文通過學(xué)習(xí)銑削加工，清楚對刀原理，了解機(jī)床測頭[3]的對刀過程及在機(jī)測量技術(shù)在對刀中的實(shí)際應(yīng)用。

1 數(shù)控銑削中的對刀

對刀包括確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)和確定刀具直徑與長度，本文主要講述如何確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。工件在機(jī)床上裝夾后，必須確定工件在機(jī)床上的正確位置，與機(jī)床坐標(biāo)系建立聯(lián)系。對刀的目的就是確定工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系（圖1），并將對刀數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的存儲位置。實(shí)質(zhì)是刀位點(diǎn)（刀具的定位基準(zhǔn)，圓柱銑刀的刀位點(diǎn)是刀具中心線與刀具底面的交點(diǎn)）與工件原點(diǎn)重合時(shí)的機(jī)床坐標(biāo)值。

圖1 機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系關(guān)系

1.1 機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系

機(jī)床坐標(biāo)系是以機(jī)床參考點(diǎn)（由機(jī)床廠家設(shè)定的固定點(diǎn)）作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值是數(shù)控系統(tǒng)判斷刀具位置的依據(jù)。

工件坐標(biāo)系是編程時(shí)采用的坐標(biāo)系，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)（簡稱工件原點(diǎn)）的位置是由編程人員設(shè)定的，程序中出現(xiàn)的坐標(biāo)值是指刀具的刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

1.2 對刀工具

目前，數(shù)控加工中常用的對刀工具為刀具、尋邊器、機(jī)床測頭。其中刀具和尋邊器需要手動驅(qū)動及目測判斷，其安全性和精度較差。機(jī)床測頭結(jié)合測量軟件編寫對刀程序可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的自動確定，大幅度提高對刀的安全性和精度。

機(jī)床測頭是安裝在機(jī)床主軸上的一款具有反饋功能的自動測量工具。主要實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)測量，是在機(jī)測量的主要工具。一般以球形紅寶石、氧化鋯等硬度高的材料為測頭與被測件進(jìn)行接觸實(shí)現(xiàn)測量。

目前，雷尼紹OMP 系列機(jī)床測頭是以無線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部信號觸發(fā)為應(yīng)變片式[4，5]。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)床測頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

機(jī)床測頭搭載數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動搜索與回退，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓件、多工位件的工件坐標(biāo)系設(shè)定找正，箱體零件孔系同軸度、板類零件平面度的形位公差檢測，余量檢測等。

1.3 對刀方法

目前，確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)最常用的方法為試切法、尋邊器、機(jī)床測頭。以矩形中心為例，三種對刀方法原理為四點(diǎn)找中心。執(zhí)行對刀工作前保證工件面與機(jī)床坐標(biāo)系的互相平行。

1.3.1 刀具及尋邊器對刀

試切法與尋邊器是常用的對刀方法，其簡單方便，但是安全性低、精度差。具體對刀過程結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 刀具/尋邊器對刀測量結(jié)構(gòu)圖

試切法/尋邊器對刀步驟（以銑削加工，坐標(biāo)原點(diǎn)為矩形中心為例）。

（1）M03 啟動主軸旋轉(zhuǎn)功能（使用尋邊器轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)降低）。

（2）手動方式移動刀具/尋邊器接近工件表面，分別記錄接近矩形四面時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)（移動過程應(yīng)由快到慢，由大倍率到小倍率）。

（3）通過四點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)

目前各大數(shù)控系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算，并且存儲在預(yù)置工件坐標(biāo)系中。

通過目測判斷的四點(diǎn)坐標(biāo)值與理想狀態(tài)總會存在誤差，理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)對比如圖4 所示。

圖4 試切法對刀對比圖

1.3.2 機(jī)床測頭對刀

機(jī)床測頭對刀是在測量程序下進(jìn)行的自動對刀方法。以下詳細(xì)介紹機(jī)床測頭對刀過程。機(jī)床測頭與數(shù)控系統(tǒng)組成的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 機(jī)床測頭測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)床測頭對刀步驟（以銑削加工，坐標(biāo)原點(diǎn)為矩形中心為例）。

（1）根據(jù)圖形編寫對刀程序，編寫程序規(guī)則為以中心為0 點(diǎn)，向前后左右偏移合適距離（距離=工件XY方向一半+測頭半徑+安全距離），保證測頭在工件外側(cè)。

（2）將編寫程序?qū)霐?shù)控系統(tǒng)，裝卡工件，調(diào)出機(jī)床測頭。

（3）將測頭在手動方式下移至工件上方3 mm 中心大概位置，將當(dāng)前坐標(biāo)系位置存儲在工件預(yù)制工件坐標(biāo)系G54 中，即以當(dāng)前位置為機(jī)床測頭測量程序起點(diǎn)。

（4）運(yùn)行測量程序，程序運(yùn)行完成后，通過測量系統(tǒng)會將之前的G54 坐標(biāo)系覆蓋，從而得到準(zhǔn)確的工件中心坐標(biāo)位置，最終得到工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。

注意事項(xiàng)：

①編寫程序時(shí)注意測頭直徑及預(yù)留誤差距離；

②測頭移至工件上方一定距離后需在數(shù)控系統(tǒng)中存儲；

③運(yùn)行程序開始時(shí)注意速度。

對刀作為數(shù)控加工中重要的環(huán)節(jié)之一，可以有多種方法實(shí)現(xiàn)。機(jī)床測頭對刀與試切法、尋邊器對刀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①提高安全性，減少由試切法與尋邊器對刀引起的安全事故（例：誤傷眼睛、方向反向引起崩刀傷身體等）；

②減少誤差，試切法與尋邊器對刀是通過目測判斷確定坐標(biāo)，目測碰邊會引起原點(diǎn)偏移，導(dǎo)致后期加工零件整體位置偏移，廢品率提高；

③節(jié)省時(shí)間，可將前期輔助時(shí)間用來后續(xù)加工，提高生產(chǎn)率。

2 機(jī)床測頭對刀案例分析

案例1：如圖6 所示，錐形零件底盤加工斜孔。

圖6 外圓斜孔零件

工藝分析：車削加工錐形外形，五軸加工中心完成底盤斜孔加工。

加工難點(diǎn)：斜孔加工（二次裝卡同軸的保證）

解決方案：選擇五軸加工中心，機(jī)床測頭及在機(jī)測量系統(tǒng)。

實(shí)施步驟：（1）將車削完成的錐形零件裝卡在五軸機(jī)床的三爪卡盤上；（2）采用在機(jī)測量軟件編寫工件找正及鉆孔程序（本案例五軸機(jī)床選擇JDGR300，測量軟件選擇JDSurfMill，機(jī)床測頭選擇雷尼紹OMP400）

案例討論：此零件難點(diǎn)為加工底盤斜孔，五軸機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)斜孔加工，但是二次裝卡無法保證零件外圓與五軸加工旋轉(zhuǎn)軸心同軸，一般加工可以采用百分表或者千分表打表保證同軸，但其反復(fù)調(diào)整需耗費(fèi)大量輔助時(shí)間。目前，在機(jī)測量技術(shù)在數(shù)控加工中應(yīng)用廣泛，其主要是以機(jī)床硬件為載體，加相應(yīng)測量工具（硬件：機(jī)床測頭；軟件：宏程序、專用3D 測量軟件等），在零件加工過程中，實(shí)時(shí)在機(jī)床上進(jìn)行幾何特征的測量，根據(jù)測量結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)加工工藝。所以，通過編寫圓柱測量程序得到零件外圓軸心，根據(jù)測量結(jié)果反饋機(jī)床控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)床加工旋轉(zhuǎn)軸心，保證零件外圓與加工軸心同軸。在機(jī)測量技術(shù)結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)可以自動確定同軸，大幅度縮短輔助時(shí)間，提高加工精度。機(jī)床測頭作為在機(jī)測量核心工具發(fā)揮主要作用，解決了二次裝卡對刀問題，在復(fù)雜性高、精度要求高等零件中逐漸被廣泛應(yīng)用。

3 總結(jié)

隨著信息技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和檢測技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控加工零件多樣且復(fù)雜，加工精度要求也越來越高。對刀作為程序與加工的紐帶，其快捷性、安全性、精度都要求越來越高。學(xué)習(xí)安全高效的對刀方法和工具是數(shù)控加工從業(yè)者不斷探索的內(nèi)容，機(jī)床測頭作為目前效率最高的對刀工具需要大家加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)與不斷實(shí)踐，爭取做到安全、高效、高質(zhì)量的加工。