丘志敏，霍 英，黃遠(yuǎn)林

（1.韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院；2.韶關(guān)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

對(duì)刀是數(shù)控機(jī)床加工必不可少的一個(gè)步驟，對(duì)刀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率.對(duì)刀本質(zhì)在于，一是建立基準(zhǔn)刀在數(shù)控機(jī)床中的位置坐標(biāo)，保證基準(zhǔn)刀在數(shù)控車床中的坐標(biāo)零點(diǎn)與編程零點(diǎn)重合；二是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定流程，采用一定的方法找出其他非基準(zhǔn)刀刀尖與基準(zhǔn)刀刀尖之間的距離偏差，即刀補(bǔ)，記錄到系統(tǒng)，并在數(shù)控系統(tǒng)換刀的同時(shí)執(zhí)行刀補(bǔ)，以自動(dòng)補(bǔ)償換刀后刀偏距離，保證換刀后刀尖位置不變，從而保證加工工件的尺寸精度［1-2］.根據(jù)刀補(bǔ)確定方法的不同，常見的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀方法主要有試切法對(duì)刀、專用對(duì)刀儀對(duì)刀、基于數(shù)控機(jī)床檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)刀［3-4］.其中后兩種對(duì)刀成本較高，一般用于較高檔次的數(shù)控車床或加工中心.

試切法對(duì)刀是目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床最常使用、最經(jīng)濟(jì)的對(duì)刀方式，不需額外的特殊對(duì)刀設(shè)備，通過(guò)切削工件并按數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)規(guī)程即可找出刀補(bǔ)，完成對(duì)刀.不同的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀原理及步驟大同小異，對(duì)操作者有較高的技術(shù)要求.由于試切法對(duì)刀過(guò)程中每把刀刀補(bǔ)的確定，均需要對(duì)工件在X 軸、Z 軸方向進(jìn)行試切、停車、測(cè)量錄入等步驟，導(dǎo)致試切法對(duì)刀存在操作繁瑣、效率偏低的缺點(diǎn).而且由于需要多次對(duì)工件進(jìn)行切削，對(duì)刀過(guò)程容易出現(xiàn)撞刀事故，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失.新手操作者在對(duì)刀時(shí)，不僅效率更加低下，而且也更加容易發(fā)生撞刀事故.

針對(duì)試切法對(duì)刀存在問(wèn)題，力求在較低的制作成本下，提出并制作了一種基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀裝置，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，研究該裝置的對(duì)刀效率及其對(duì)刀精度.

1 基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀實(shí)驗(yàn)裝置及對(duì)刀原理分析

基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀原理，首先是建立基準(zhǔn)刀在數(shù)控系統(tǒng)中的坐標(biāo)，再通過(guò)激光、基準(zhǔn)刀與投影板構(gòu)造一個(gè)對(duì)刀的基準(zhǔn)點(diǎn).后面的非基準(zhǔn)刀具要進(jìn)行對(duì)刀時(shí)，以非基準(zhǔn)刀刀尖對(duì)準(zhǔn)該基準(zhǔn)點(diǎn)，即完成非基準(zhǔn)刀刀尖相對(duì)基準(zhǔn)刀刀尖的偏置值大小的確定，將該偏置值錄入數(shù)控系統(tǒng)中，即可完成刀補(bǔ)的設(shè)定［5］.該對(duì)刀方法相對(duì)試切法對(duì)刀，省去了繁瑣的試切，可以提高對(duì)刀的效率，減少撞刀事故.下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)一步闡述.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要包括：激光發(fā)射裝置9、粗調(diào)裝置8、十字絲桿微調(diào)裝置7、投影板11.十字絲桿微調(diào)裝置7 利用連接板2 固定在數(shù)控車床機(jī)體上，粗調(diào)裝置通過(guò)支撐體6 固結(jié)于十字絲桿微調(diào)裝置上，激光裝置固結(jié)在萬(wàn)向軸粗調(diào)裝置上.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

對(duì)刀原理分析.圖2 為圖1 中工件及車刀的俯視平面圖.首先采用1#基準(zhǔn)刀試切工件確定坐標(biāo)原點(diǎn)，并使坐標(biāo)原點(diǎn)與編程原點(diǎn)重合，如圖2 所示，設(shè)定的坐標(biāo)原點(diǎn)為工件端面中心.然后將基準(zhǔn)刀移動(dòng)到一個(gè)確定的絕對(duì)坐標(biāo)位置，并在此處進(jìn)行換刀，圖2 中設(shè)定換刀點(diǎn)坐標(biāo)為（X200，Z100）.通過(guò)圖1 所示粗調(diào)裝置調(diào)節(jié)激光裝置位置，使激光發(fā)射裝置大體處于刀尖上方，激光裝置發(fā)出激光將基準(zhǔn)刀的刀尖部分投影在投影板中，通過(guò)十字絲桿微調(diào)裝置調(diào)節(jié)激光裝置移位，使刀尖投影與基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系2 的X 軸、Z 軸切合，形成如圖2 局部放大圖所示光斑，基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系可以由十字激光直接投影得出.此時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)確定，激光裝置及其所形成的投影板上的基準(zhǔn)點(diǎn)不再移動(dòng).切換2#刀，數(shù)控車床面板設(shè)定此刻刀尖相對(duì)坐標(biāo)位置為（U0、W0），通過(guò)數(shù)控車床手動(dòng)方式調(diào)節(jié)2#刀具的位置，使其刀尖分別與基準(zhǔn)點(diǎn)的X 軸、Z 軸切合，此時(shí)2#刀在X 軸、Z 軸移動(dòng)的相對(duì)位移即為2#刀與基準(zhǔn)刀之間的刀具偏移量，即2#刀在X 軸、Z 軸上的刀補(bǔ)值，該偏移量在數(shù)控系統(tǒng)相對(duì)坐標(biāo)系可自動(dòng)顯示，將該刀補(bǔ)值錄入系統(tǒng)即可完成對(duì)刀.

圖2 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖—激光確定的基準(zhǔn)點(diǎn)

其他刀具對(duì)刀重復(fù)上述2#對(duì)刀步驟.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 基于激光為基準(zhǔn)的數(shù)控車床對(duì)刀實(shí)驗(yàn)步驟

按照原理要求把實(shí)驗(yàn)裝置制作并在數(shù)控車床安裝好后，整理實(shí)驗(yàn)基本步驟如下：

（1）建立基準(zhǔn)刀在數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)原點(diǎn).這是確定數(shù)控系統(tǒng)與刀具相對(duì)位置一個(gè)基本步驟，無(wú)論是那種對(duì)刀方式，都屬于必不可少的先行環(huán)節(jié).常用方式是試切工件后利用G50 指令進(jìn)行設(shè)置，在這里不進(jìn)行贅述.

（2）用G00 指令將基準(zhǔn)刀移動(dòng)到設(shè)定的換刀點(diǎn)，換刀點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況自行確定，以換刀不干涉工件為準(zhǔn).

（3）調(diào)整投影板位置，并通過(guò)粗調(diào)與十字絲桿微調(diào)裝置在水平面上的移位，使刀尖投影與直角坐標(biāo)系X 軸、Z 軸切合，確定基準(zhǔn)點(diǎn)及其直角坐標(biāo)系.后續(xù)對(duì)刀過(guò)程應(yīng)該注意確保激光裝置固定不動(dòng)，即基準(zhǔn)點(diǎn)不動(dòng)，直至對(duì)刀完成；

（4）執(zhí)行2#刀換刀指令（如T0200），設(shè)定相對(duì)坐標(biāo)位置為（U0、W0）.

（5）利用數(shù)控車床手動(dòng)方式將換刀后刀尖對(duì)準(zhǔn)前面確定的基準(zhǔn)點(diǎn)直角坐標(biāo)系.

（6）切換到刀補(bǔ)錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)面板將顯示X 軸、Z 軸相對(duì)位移量U值、W值，此即為2#刀在X 軸、Z軸相對(duì)基準(zhǔn)刀的刀偏量，切換到刀補(bǔ)值錄入面板將其錄入到系統(tǒng)，即完成2#刀對(duì)刀.

（7）重復(fù)第（4）、（5）、（6）步驟，可以完成其余刀具的對(duì)刀.

2.2 兩種不同激光光源實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)中使用3 把刀具分別為：1#精車刀（基準(zhǔn)刀）；2#螺紋刀；3#粗車刀.為了減少某一次測(cè)量的偶然誤差，對(duì)一次安裝后的1#、2#、3#刀具均進(jìn)行了3 次對(duì)刀實(shí)驗(yàn).

考慮實(shí)驗(yàn)的全面性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又分為兩種光源方案進(jìn)行.方案一使用的激光裝置為綠色十字坐標(biāo)軸激光，基準(zhǔn)點(diǎn)即為由激光裝置發(fā)出的十字坐標(biāo)軸直接確定.實(shí)驗(yàn)中為了觀察測(cè)量的方便，提升對(duì)比度，在刀具移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)過(guò)程中仍轉(zhuǎn)入投影板.方案二使用的激光光源采用單點(diǎn)紅激光光斑，并在刀架下方設(shè)置畫有十字坐標(biāo)軸的投影板.理論上要求投影板在整個(gè)對(duì)刀過(guò)程保持位置不動(dòng)，但實(shí)際操作中由于投影板離刀架位置較近，在換刀過(guò)程中會(huì)碰撞投影板，導(dǎo)致基準(zhǔn)點(diǎn)移位.為了避免刀架與投影板干涉，把投影板安裝于一可轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件上，當(dāng)換刀時(shí)需手動(dòng)轉(zhuǎn)開投影板，而對(duì)刀時(shí)把投影板轉(zhuǎn)回，投影板轉(zhuǎn)回后精度由定位塊保證.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為提升對(duì)刀精度，采用了放大鏡進(jìn)行輔助觀測(cè).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用兩種光源方式完成基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀裝置對(duì)刀后，利用2#刀，3#刀分別切削工件，比較實(shí)際測(cè)量工件尺寸與對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)顯示的坐標(biāo)尺寸（絕對(duì)值），即為刀具對(duì)刀后的刀補(bǔ)誤差.其中工件徑向尺寸x采用千分尺測(cè)量，軸向長(zhǎng)尺寸度z采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，完成實(shí)驗(yàn)后采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示.

表1 激光為基準(zhǔn)定點(diǎn)法對(duì)刀刀補(bǔ)誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) /mm

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)刀精度分析

（1）綠色十字軸激光光源方案：2#：x—=0.087；z—=0.209； 3#：x—=0.099；z—=0.179；該方案X 方向的誤差平均值為0.093，Z 方向誤差平均值為0.194.

（2）紅色單點(diǎn)激光光源方案：2#：x—=0.072；z—=0.045；3#：x—=0.032；z—=0.056；該方案X 方向的誤差平均值為0.052，Z 方向誤差平均值為0.051.

（3）考慮兩種光源方案的綜合，X 方向的誤差平均值為0.072 5，Z 軸方向的平均誤差為0.122.

（4）試切法誤差.同一實(shí)驗(yàn)人員采用試切法對(duì)刀所得的X 方向的誤差平均值為0.018，Z 軸方向的平均誤差為0.038.

（5）誤差分析.從考慮兩種光源方案綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，對(duì)尺寸精度要求較高的X 軸方向尺寸最大誤差為0.124，平均誤差為0.072 5.這與試切法對(duì)刀后X 軸方向刀補(bǔ)誤差0.018 相比，誤差值較大. Z 軸方向，激光為基準(zhǔn)定點(diǎn)法對(duì)刀后刀補(bǔ)平均誤差為0.122，也遠(yuǎn)低于試切法的平均誤差0.038.總的來(lái)說(shuō)，激光為基準(zhǔn)定點(diǎn)法對(duì)刀精度偏低，但對(duì)于一些加工精度的要求不高的場(chǎng)合，如粗加工的場(chǎng)合，或者是數(shù)控技術(shù)人員的培訓(xùn)過(guò)程等，仍具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義.實(shí)際生產(chǎn)中，由于對(duì)刀誤差或刀具磨損導(dǎo)致工件出現(xiàn)誤差超標(biāo)情況，操作技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際加工的誤差在數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)刀補(bǔ)進(jìn)行修改，以保證后續(xù)的加工精度.

3.2 誤差因素分析

首先是對(duì)刀裝置原理上，由于考慮經(jīng)濟(jì)性，缺少高倍數(shù)放大裝置決定了該方案會(huì)存在較大的對(duì)刀誤差.二是人為觀察因素也在實(shí)驗(yàn)中占有重要地位，在確定基準(zhǔn)點(diǎn)與刀尖點(diǎn)重合度時(shí)，不同人觀測(cè)所得的重合情況不一致.三是測(cè)量誤差也對(duì)對(duì)刀精度有一定的影響.在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著對(duì)刀經(jīng)驗(yàn)的增加，改善觀測(cè)條件，如增加放大鏡倍數(shù)、改善光源質(zhì)量等，操作者能更快、更精準(zhǔn)的確定刀尖點(diǎn)的位置，提升對(duì)刀精度.

3.3 對(duì)刀效率分析

對(duì)刀所需時(shí)間與操作者對(duì)系統(tǒng)的熟練程度有很大的關(guān)聯(lián).從本實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程來(lái)看，同一操作者利用激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法完成對(duì)刀（1#、2#、3#）平均僅約5 分鐘，而采用試切法對(duì)刀，用時(shí)約為9 分鐘.說(shuō)明激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀非常有利于提高對(duì)刀的效率.因此，在對(duì)工件加工精度要求不高的情況下，如在粗加工中，采用激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀可以保證加工精度要求并能有效提高對(duì)刀效率.

4 結(jié)論

通過(guò)制作基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)得基于激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀精度及對(duì)刀效率.該裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較為低廉，易于安裝和拆卸.實(shí)驗(yàn)表明，采用激光為基準(zhǔn)的定點(diǎn)法對(duì)刀，相對(duì)試切法對(duì)刀來(lái)說(shuō)其對(duì)刀精度偏低，但提升對(duì)刀效率明顯，可以有效減少對(duì)刀過(guò)程中撞刀事故產(chǎn)生，對(duì)于一些加工精度的要求不高的場(chǎng)合，仍具有較好的實(shí)際應(yīng)用意義及推廣價(jià)值.