數(shù)控車(chē)床加工坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究

[摘 要]文章中提及的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)是指數(shù)控車(chē)床已具備在位測(cè)量技術(shù)和對(duì)刀儀設(shè)備，并依托數(shù)控系統(tǒng)將兩者相結(jié)合。通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)程序固化對(duì)刀操作流程，使用對(duì)刀儀將加工刀具特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并固定在數(shù)控機(jī)床某一特征點(diǎn)位中，依托在位測(cè)量技術(shù)來(lái)探測(cè)產(chǎn)品基面至數(shù)控機(jī)床對(duì)刀儀基準(zhǔn)點(diǎn)位具體距離，在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)中通過(guò)反向讀取兩者距離后寫(xiě)入數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，以此完成坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程。通過(guò)使用加工坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，既可保證對(duì)刀精度穩(wěn)定，又可以減少人為操作錯(cuò)誤導(dǎo)致機(jī)床撞擊事故等問(wèn)題的發(fā)生。

[關(guān)鍵詞]對(duì)刀操作；加工坐標(biāo)系；自動(dòng)校準(zhǔn)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM75 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0156–03

Research on the Automatic Calibration Technology of CNC Lathe Machining Coordinate System

MU Lin，TIAN Dongning

[Abstract]The automatic calibration technology mentioned in this paper refers to the CNC lathe has the in-place measurement technology and the knife instrument equipment， relying on the CNC system will combine the two. By writing related program curing to the knife operation process， using the machining tool characteristic point， relying on the field measurement technology to detect the product surface to the CNC machine tool to the specific distance， in the CNC system parameters by reverse reading the distance written to the CNC system parameters， in order to complete the automatic calibration process of coordinate system. By using the automatic calibration technology of machining coordinate system， it can ensure the stable knife accuracy and reduce the occurrence of machine tool impact accident caused by human operation error.

[Keywords]knife operation； machining coordinate system； and automatic calibration

1 坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)準(zhǔn)備

在數(shù)控車(chē)床加工產(chǎn)品時(shí)，為確保機(jī)床加工精度可控，工作人員需在加工前手動(dòng)操作機(jī)床，使用數(shù)控刀具試切產(chǎn)品基面，建立工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的相互位置關(guān)系，即對(duì)刀操作。對(duì)于在數(shù)控車(chē)床刀塔上安裝多把刀具而言，每把刀具的特征點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置都存在偏差，且偏差值無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，需要工作人員對(duì)刀來(lái)消除每把刀具的相對(duì)誤差。傳統(tǒng)對(duì)刀操作大多采用試切法，每一把刀具對(duì)產(chǎn)品基面都要進(jìn)行試切、工件尺寸測(cè)量、計(jì)算并輸入補(bǔ)償值等操作，不僅對(duì)機(jī)床操作人員技能技術(shù)水平要求較高，每次更換產(chǎn)品和刀具都要重復(fù)上述操作過(guò)程。因此，對(duì)刀是占用數(shù)控車(chē)床輔助時(shí)間最長(zhǎng)的操作，且人為帶來(lái)的隨機(jī)性誤差大，已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代化數(shù)控車(chē)削任務(wù)的節(jié)奏，更不利于發(fā)揮數(shù)控車(chē)床高精度、高效率的特點(diǎn)。如何準(zhǔn)確、快速地完成對(duì)刀操作，提高對(duì)刀精度，縮短加工前的準(zhǔn)備時(shí)間，稱(chēng)為生產(chǎn)企業(yè)攻克的主要難題。雖然已有較多的企業(yè)廠商在機(jī)床內(nèi)安裝對(duì)刀儀優(yōu)化對(duì)刀過(guò)程，但從實(shí)際使用效果來(lái)看，使用對(duì)刀儀將刀具點(diǎn)位統(tǒng)一后仍然需要進(jìn)行手動(dòng)試切校準(zhǔn)坐標(biāo)系，需要操作人員具備較高的機(jī)床操作能力。

1.1 對(duì)刀儀對(duì)刀原理及對(duì)刀儀基準(zhǔn)點(diǎn)位偏置方法

1.1.1 對(duì)刀儀對(duì)刀原理

對(duì)刀儀根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)分為機(jī)內(nèi)測(cè)量與機(jī)外測(cè)量，根據(jù)刀具測(cè)量方式可分為接觸式對(duì)刀儀和非接觸式對(duì)刀儀。其相同點(diǎn)是測(cè)量數(shù)控刀具切削刃徑向和軸向尺寸的測(cè)量?jī)x器。接觸式對(duì)刀儀由1個(gè)高精度觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、1個(gè)硬質(zhì)合金體（加工中心常用為圓柱形，數(shù)控車(chē)床常用四邊形）及1個(gè)數(shù)字信號(hào)快速傳遞接口組成。其操作過(guò)程如下：①控制刀具刃口部位觸碰對(duì)刀儀硬質(zhì)合金工作面，通過(guò)支撐桿將觸碰力傳送至高精度觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。②當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生位移后將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，以此完成對(duì)刀具的測(cè)量和對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)（識(shí)別、運(yùn)算、補(bǔ)償、存取）的處理。

接觸式對(duì)刀儀傳感器在機(jī)床內(nèi)的安裝位置是固定的，通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)將對(duì)刀儀測(cè)量面的位置坐標(biāo)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。對(duì)刀儀坐標(biāo)點(diǎn)位主要參考機(jī)床坐標(biāo)系并計(jì)算每把刀具特征點(diǎn)位在機(jī)床坐標(biāo)系中的偏置量，將加工所需刀具全部建立在一個(gè)固定點(diǎn)位中，簡(jiǎn)化試切過(guò)程。接觸式對(duì)刀儀具體工作流程如下。

（1）數(shù)控車(chē)床各移動(dòng)軸（x軸、z軸）在返回機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)之后（回零操作），數(shù)控系統(tǒng)建立機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)和對(duì)刀儀測(cè)量原點(diǎn)。目前，已有較多的數(shù)控機(jī)床配備絕對(duì)編碼器，開(kāi)機(jī)后無(wú)需回零操作數(shù)控系統(tǒng)就能建立機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)。

（2）使用手動(dòng)模式控制刀具移動(dòng)至對(duì)刀儀測(cè)量面附近（10 mm位置為宜），在MDI模式下使用G指令控制刀具按照指定路徑觸碰對(duì)刀儀測(cè)量面，當(dāng)?shù)毒呷锌诮佑|對(duì)刀儀測(cè)量面之后，數(shù)字傳感器發(fā)出信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)控制運(yùn)動(dòng)軸回退一定距離再重新觸碰對(duì)刀儀測(cè)量面，對(duì)刀儀傳感器把再次接收到的信號(hào)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，并極為迅速、準(zhǔn)確地控制該軸伺服機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，以此獲得較高的位置坐標(biāo)數(shù)值。

（3）數(shù)控系統(tǒng)提取該位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入數(shù)控系統(tǒng)刀補(bǔ)參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算對(duì)刀儀刀位點(diǎn)相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的具體距離，確定初始偏置量并寫(xiě)入刀具偏置參數(shù)，完成刀具刃口部位的測(cè)量。

（4）使用對(duì)刀儀可以獲得全部加工所需刀具偏置距離，同時(shí)也將全部刀具特征點(diǎn)建立在對(duì)刀儀測(cè)量點(diǎn)位中，使用手動(dòng)模式控制基準(zhǔn)刀具對(duì)產(chǎn)品表面完成試切工作，將試切信息輸入工件坐標(biāo)偏移參數(shù)，即可完成全部刀具的對(duì)刀工作。

通過(guò)對(duì)刀儀可以在較短時(shí)間內(nèi)完成刀具基準(zhǔn)的統(tǒng)一，提高試切校準(zhǔn)精度。同時(shí)，分析、總結(jié)上述操作過(guò)程可以得出，數(shù)控車(chē)床上對(duì)刀儀設(shè)立的坐標(biāo)點(diǎn)位均為虛擬坐標(biāo)點(diǎn)位，使用對(duì)刀儀將加工所需全部刀具進(jìn)行校準(zhǔn)并保存在對(duì)刀儀虛擬點(diǎn)位中。在產(chǎn)品加工前，需要使用一把基準(zhǔn)刀具對(duì)產(chǎn)品基面進(jìn)行試切，將對(duì)刀儀虛擬坐標(biāo)點(diǎn)位偏置在工件坐標(biāo)系中，以此完成坐標(biāo)系的偏移與校準(zhǔn)。

1.1.2 對(duì)刀儀基準(zhǔn)點(diǎn)位的偏置

為了更好的完成對(duì)刀儀基準(zhǔn)點(diǎn)位的偏置，文章按照延邊大學(xué)樸成道等4人2014年發(fā)表在《機(jī)床與液壓》期刊中《對(duì)刀儀在數(shù)控車(chē)床上的應(yīng)用方法》的方法進(jìn)行坐標(biāo)偏移，具體偏移方法引用如下：①隔周第一參考位置機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值參數(shù)1 240：x=0，z=0；②進(jìn)行自動(dòng)坐標(biāo)系設(shè)定時(shí)的參考位置的坐標(biāo)參數(shù)1 250：x=xO，z=zO；③假設(shè)測(cè)量xO和zO的結(jié)果分別為352.875 mm和371.856 mm，則給參數(shù)1 250的x和z分別鍵入x=352.875，z=371.856；④每個(gè)軸存儲(chǔ)的沖程檢查1的正方向邊界的坐標(biāo)值參數(shù)1 320：x=5000，z=5000；⑤每個(gè)軸存儲(chǔ)的沖程檢查1的負(fù)方向邊界的坐標(biāo)值參數(shù)1 321：x=xO+△x，z=zO–△z（△x和△z的值根據(jù)機(jī)床具體型號(hào)而定），坐標(biāo)系偏置示意如圖1所示。通過(guò)上述方法已將對(duì)刀儀基準(zhǔn)點(diǎn)位偏置在工裝夾具端面中心。

1.1.3 檢驗(yàn)對(duì)刀儀重復(fù)測(cè)量刀具時(shí)精度的穩(wěn)定性

為檢驗(yàn)對(duì)刀儀重復(fù)測(cè)量刀具時(shí)的精度穩(wěn)定性，針對(duì)常用的3種數(shù)控車(chē)刀SVJCL2020K11型、S16MSCFCL09型內(nèi)孔數(shù)控刀具及DSKNL2020K12型數(shù)控刀具對(duì)刀儀進(jìn)行測(cè)量。使用對(duì)刀儀對(duì)刀指令G224_ T1_H5-H8，針對(duì)上述3種刀具特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每種刀具測(cè)量x向、z向兩個(gè)特征點(diǎn)共計(jì)6次。測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1可知，同一把刀具在重復(fù)測(cè)量時(shí)最大偏差在0.004 mm，均值在0.002 mm，因此對(duì)刀儀的測(cè)量精度滿足生產(chǎn)加工使用需求。

1.2 機(jī)內(nèi)在位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在位測(cè)量技術(shù)是數(shù)控加工中不可或缺的一部分。以往的數(shù)控車(chē)床受制于排刀和四工位刀架刀位數(shù)量，為保證產(chǎn)品加工后的尺寸精度，需要使用各種類(lèi)型千分尺、內(nèi)徑量表、深度尺等量具對(duì)加工部位進(jìn)行逐一檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，極大制約了加工效率，而且產(chǎn)品加工精度較大程度取決于量具精準(zhǔn)度和工作人員技能水平的高低，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床高精度、高效率的優(yōu)勢(shì)完全沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有效果。同時(shí)，各類(lèi)檢測(cè)量具在每次使用前還需校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度直接影響產(chǎn)品加工后的尺寸精度。近年來(lái)隨著多工位旋轉(zhuǎn)液壓刀塔在數(shù)控車(chē)床上的普及，少則六工位多則二十四工位的旋轉(zhuǎn)液壓刀塔已完全滿足產(chǎn)品加工過(guò)程中刀具對(duì)于刀位的需求。

隨著制造業(yè)新型裝備技術(shù)的迅猛發(fā)展，眾多科研技術(shù)人員為提高產(chǎn)品生產(chǎn)加工的合格率和生產(chǎn)效率，一直推進(jìn)在線測(cè)量技術(shù)的研究。目前，機(jī)內(nèi)在位測(cè)量技術(shù)已衍生出數(shù)十種不同規(guī)格、不同型號(hào)的測(cè)頭，測(cè)頭測(cè)量精度范圍普遍在0.001～0.003 mm。在位測(cè)量技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得工作人員可以在加工后不拆卸產(chǎn)品直接使用測(cè)頭對(duì)加工部位進(jìn)行尺寸測(cè)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品不合格率。待測(cè)量程序編寫(xiě)完成后，測(cè)針（測(cè)頭中的測(cè)量部位）按照指定的測(cè)量路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并測(cè)量。當(dāng)測(cè)針觸碰到被測(cè)物體時(shí)，測(cè)頭上會(huì)有紅色指示燈閃縮，同時(shí)測(cè)頭將測(cè)量結(jié)果按照測(cè)量程序中設(shè)定的宏程序地址符進(jìn)行寫(xiě)入，該測(cè)量結(jié)果是測(cè)頭自動(dòng)寫(xiě)入，人工無(wú)法干預(yù)。

對(duì)正在加工的產(chǎn)品進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，因其是保持加工狀態(tài)并固定在加工工位上，需根據(jù)測(cè)頭測(cè)量結(jié)果進(jìn)行刀具偏置補(bǔ)償。在程序運(yùn)行時(shí)對(duì)尺寸加工數(shù)值進(jìn)行測(cè)量控制，可以更好地控制產(chǎn)品加工尺寸和形位精度。在加工結(jié)束之后對(duì)尺寸進(jìn)行測(cè)量檢查，可以有效保證產(chǎn)品批量加工過(guò)程中加工精度的一致性。運(yùn)用測(cè)頭對(duì)加工部位進(jìn)行檢測(cè)，能夠使工裝夾具在工件實(shí)際定位中產(chǎn)生的誤差得到補(bǔ)充，提高批量加工的精確程度。

2 將在位測(cè)量系統(tǒng)與對(duì)刀儀功能相結(jié)合

2.1 技術(shù)路線

坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)動(dòng)作路線如下：①將產(chǎn)品裝夾牢固并安裝加工所需刀具；②使用固化程序控制機(jī)床移動(dòng)軸控制刀具觸碰對(duì)刀儀，自動(dòng)測(cè)量刀具特征點(diǎn)位并將其偏移在機(jī)床某一固定點(diǎn)位中；③使用在位測(cè)量技術(shù)探測(cè)對(duì)刀儀固定點(diǎn)位與產(chǎn)品基面的距離，并將數(shù)值寫(xiě)入至5201號(hào)（G54坐標(biāo)系參數(shù)地址符）、5221號(hào)（G54.1坐標(biāo)系參數(shù)地址符）、2101號(hào)（刀補(bǔ)X向磨耗）、2201號(hào)（刀補(bǔ)Z向磨耗）等參數(shù)中，以此完成坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)動(dòng)作。具體校準(zhǔn)動(dòng)作路線如圖2所示。通過(guò)加工坐標(biāo)系自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)可以有效抑制人員對(duì)刀精度誤差浮動(dòng)性、對(duì)刀操作占用時(shí)間較多的問(wèn)題。

2.2 程序編制

用戶宏程序在數(shù)控加工過(guò)程中發(fā)揮著巨大的作用。由于宏程序中允許使用變量和邏輯運(yùn)算，通過(guò)各種條件、轉(zhuǎn)移等語(yǔ)句使得操作人員可以在編制數(shù)控加工程序時(shí)顯著地優(yōu)化數(shù)控程序體量。

通過(guò)編寫(xiě)用戶宏程序可以將對(duì)刀儀機(jī)械點(diǎn)位移至產(chǎn)品基面，具體距離反向輸入數(shù)控系統(tǒng)刀補(bǔ)參數(shù)，利用宏程序的便捷性可以調(diào)取和反寫(xiě)系統(tǒng)參數(shù)且具備計(jì)算和邏輯運(yùn)算的宏程序，依據(jù)測(cè)頭測(cè)量結(jié)果自動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)系校準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)，詳細(xì)信息。例如：將520號(hào)宏程序地址符中顯示的測(cè)量距離（測(cè)頭測(cè)量后的具體數(shù)值）寫(xiě)入至G54坐標(biāo)系中，可編寫(xiě)程序如下：#5202= #520（將520號(hào)數(shù)值賦予5201號(hào)地址符中，其中5202號(hào)是G54坐標(biāo)地址符z軸參數(shù)）。

3 結(jié)束語(yǔ)

近些年，隨著在位測(cè)量技術(shù)的普及，將產(chǎn)品檢測(cè)方式從離機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)樵谖粶y(cè)量，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法在產(chǎn)品二次裝夾、測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)不統(tǒng)一的難題。同時(shí)，通過(guò)將加工系統(tǒng)和產(chǎn)品檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，形成一個(gè)閉環(huán)的加工檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品測(cè)量的數(shù)字化采集、分析及智慧化應(yīng)用。隨著重多高新技術(shù)涌入數(shù)控加工制造業(yè)，將會(huì)對(duì)以往加工方法產(chǎn)生重大影響和技術(shù)革新。

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