洪美琴

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南株洲 412001）

0 引言

目前大多數(shù)數(shù)控銑床或加工中心Z軸對(duì)刀有兩種途徑：一種是在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行手動(dòng)對(duì)刀，直接將Z軸對(duì)刀數(shù)據(jù)輸入刀偏表中；另一種是采用機(jī)外光學(xué)對(duì)刀儀預(yù)先測(cè)量加工刀具的長(zhǎng)度，手動(dòng)計(jì)算長(zhǎng)度補(bǔ)償值后再輸入到刀偏表中。這兩種途徑都離不開手動(dòng)操作，針對(duì)這種實(shí)際狀況，已經(jīng)有接觸式的對(duì)刀儀能夠避免手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)Z軸的自動(dòng)對(duì)刀[1-2]。但接觸式自動(dòng)對(duì)刀儀對(duì)刀時(shí)刀具要觸碰對(duì)刀接觸面，使對(duì)刀機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，因機(jī)械間隙的存在，所以對(duì)刀時(shí)要有吹氣裝置防止異物嵌入而影響對(duì)刀，另外對(duì)刀接觸面的尺寸限制也不能適應(yīng)任意大小直徑的刀具對(duì)刀。本文設(shè)計(jì)一種非接觸式Z軸自動(dòng)對(duì)刀器，對(duì)刀時(shí)省去了接觸對(duì)刀面的操作，不存在機(jī)械間隙，對(duì)刀具直徑大小無(wú)限制要求，對(duì)刀操作方便實(shí)用。

1 非接觸式Z軸自動(dòng)對(duì)刀方法

1.1 自動(dòng)對(duì)刀原理

非接觸式Z軸自動(dòng)對(duì)刀器的原理是將光電傳感器發(fā)射端和接收端分別安裝在兩個(gè)分離式的對(duì)刀結(jié)構(gòu)部件上，當(dāng)?shù)毒哐豘軸負(fù)方向向下移動(dòng)遮擋光電傳感器發(fā)射源瞬間，接收端觸發(fā)信號(hào)使數(shù)控系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)信號(hào)（SKIP信號(hào)）跳轉(zhuǎn)，G31指令控制刀具及時(shí)停止移動(dòng)，同時(shí)用宏變量讀取當(dāng)前Z軸位置坐標(biāo)值。自動(dòng)對(duì)刀前，選擇在工件上進(jìn)行對(duì)刀的刀具為標(biāo)準(zhǔn)刀具，稱為標(biāo)刀。自動(dòng)對(duì)刀時(shí)，標(biāo)刀的對(duì)刀點(diǎn)Z坐標(biāo)賦給宏程序中一個(gè)公共變量，其它加工刀具對(duì)刀時(shí)Z坐標(biāo)賦給宏程序中另一個(gè)公共變量，通過宏程序計(jì)算加工刀具與標(biāo)刀的Z軸坐標(biāo)差值（此差值即為長(zhǎng)度補(bǔ)償值），并將此差值自動(dòng)存入刀偏表形狀（H）中[3]。非接觸式Z軸自動(dòng)對(duì)刀原理圖如圖1所示。

圖1 非接觸式對(duì)刀原理圖

1.2 光電傳感器

考慮到數(shù)控加工過程中經(jīng)常會(huì)有切削振動(dòng)、切屑及切削液飛濺等工作環(huán)境，光電傳感器除了要有高靈敏度、響應(yīng)快、高精度要求外，還必須具有抗振性、抗干擾能力、抗腐蝕能力和防淋能力。另外，因?yàn)椴捎梅墙佑|式對(duì)刀，光照環(huán)境對(duì)光電傳感器的光源不會(huì)產(chǎn)生影響。

選擇激光光電開關(guān)作為非接觸式對(duì)刀器的光電傳感器。激光光電開關(guān)具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、抗沖擊、耐振動(dòng)、光擾小、壽命長(zhǎng)、檢測(cè)距離可選范圍廣等特點(diǎn)，且對(duì)環(huán)境照度無(wú)要求[1,4]。另外，激光發(fā)射直線式光束，光束大小為0.7～1.5 mm，特別適合小直徑的刀具對(duì)刀時(shí)實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)的遮擋。

1.3 自動(dòng)控制方式

當(dāng)?shù)毒呦蛳乱苿?dòng)遮擋激光光電開關(guān)發(fā)射端光源時(shí)，接收端輸出觸發(fā)信號(hào)使數(shù)控系統(tǒng)SKIP信號(hào)跳轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)G31程序指令停止運(yùn)行，刀具停止移動(dòng)。G31指令在執(zhí)行時(shí)，如果沒有外部觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)，G31指令等同于G01指令；如果有，則在觸發(fā)點(diǎn)位置清除刀具剩余的移動(dòng)量，刀具停止移動(dòng)，程序接著執(zhí)行下一個(gè)程序段[5-6]。自動(dòng)對(duì)刀時(shí)通過#5063讀取信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)的Z坐標(biāo)，并將此值賦給對(duì)刀程序的公共變量。

接收端的輸出信號(hào)作為開關(guān)信號(hào)來控制SKIP信號(hào)的通斷。本設(shè)計(jì)的對(duì)刀器將光電開關(guān)的輸出信號(hào)經(jīng)過固態(tài)繼電器再接入FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)SKIP信號(hào)接點(diǎn)，通過固態(tài)繼電器觸頭的閉合與斷開來實(shí)現(xiàn)SKIP信號(hào)的開與關(guān)。固態(tài)繼電器是一種具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)，輸入功率小、靈敏度高，可以滿足對(duì)刀的靈敏度要求。

圖2所示固態(tài)繼電器的③、④接線端接光電開關(guān)接收端的輸出信號(hào)端點(diǎn)，①、②接線端接數(shù)控系統(tǒng)中SKIP 信號(hào)接點(diǎn)。以FANUC 0i系列為例，F(xiàn)ANUC 0i系列數(shù)控系統(tǒng)從機(jī)床側(cè)輸入高速信號(hào)的地址是固定不變的，其SKIP信號(hào)接點(diǎn)為X4.7。

圖2 固態(tài)繼電器

2 非接觸式Z軸自動(dòng)對(duì)刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)刀器的結(jié)構(gòu)由激光光電開關(guān)的發(fā)射端及接收端、升降滑塊、支架座、水平Y(jié)向可調(diào)機(jī)構(gòu)、垂直Z向可調(diào)機(jī)構(gòu)、帶燕尾槽底座、鎖緊軸、鎖緊螺母組成，單個(gè)對(duì)刀結(jié)構(gòu)部件如圖3所示。激光光電開關(guān)的發(fā)射端及接收端分別安裝在分離式對(duì)刀結(jié)構(gòu)的升降滑塊上，對(duì)刀結(jié)構(gòu)部件通過鎖緊軸和鎖緊螺母與機(jī)床導(dǎo)軌相連接，如圖4所示。

圖3 對(duì)刀結(jié)構(gòu)部件示意圖

圖4 對(duì)刀器結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)刀時(shí)，光電開關(guān)的光源通過對(duì)刀器支架座在底座燕尾槽內(nèi)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)粗調(diào)對(duì)準(zhǔn)，通過Y向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)再進(jìn)行微調(diào)對(duì)準(zhǔn)，以確保光電開關(guān)信號(hào)觸發(fā)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整Z軸方向位置，以調(diào)整光電開關(guān)發(fā)射端和接收端的高度位置，有利于長(zhǎng)度較短的刀具對(duì)刀。鎖緊軸為T形結(jié)構(gòu)，對(duì)刀時(shí)可根據(jù)加工刀具直徑大小來調(diào)整左部和右部的安裝位置，以適應(yīng)大直徑刀具對(duì)刀的需要。

3 對(duì)刀程序處理

3.1 刀具長(zhǎng)度差值計(jì)算

加工時(shí)將已經(jīng)對(duì)好刀的刀具設(shè)為標(biāo)刀，其刀具長(zhǎng)度設(shè)為h0，假設(shè)將其它刀具長(zhǎng)度設(shè)為h1、h2、h3、…h(huán)i…h(huán)n，則其它刀具與已對(duì)刀刀具的長(zhǎng)度差值為當(dāng)前刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償值，長(zhǎng)度補(bǔ)償值的計(jì)算式為（hi-h0）。當(dāng)前刀具比標(biāo)刀短時(shí)，計(jì)算值為負(fù)；相反則為正。將長(zhǎng)度補(bǔ)償值輸入到刀偏表中，加工時(shí)運(yùn)用G43 Z- H-補(bǔ)償指令來進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償修正。

采用非接觸式對(duì)刀器對(duì)刀，當(dāng)G31 Z- F-程序段運(yùn)行使刀具向下移動(dòng)到跳轉(zhuǎn)信號(hào)觸發(fā)位置，SKIP信號(hào)跳轉(zhuǎn)，刀具停止移動(dòng)，此時(shí)讀取Z軸位置坐標(biāo)值。設(shè)讀取標(biāo)刀的坐標(biāo)值為Z0，其它刀具的坐標(biāo)值為Z1、Z2、Z3、…Zi…Zn，則Z軸坐標(biāo)差值計(jì)算式設(shè)為（Zi-Z0）。

3.2 Z坐標(biāo)變量

考慮到G31指令執(zhí)行時(shí)不到終點(diǎn)的特性，因此當(dāng)?shù)毒呦蛳乱苿?dòng)到觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)位置時(shí)，由于刀具運(yùn)動(dòng)慣性將會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生一定的位移量，刀具質(zhì)量不同或運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，慣性產(chǎn)生的位移量會(huì)不同，若以信號(hào)觸發(fā)后刀具停止移動(dòng)的位置（讀取該位置Z坐標(biāo)的系統(tǒng)變量為#5023）作為計(jì)算參考點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)引入位移誤差。因此本設(shè)計(jì)以信號(hào)觸發(fā)位置作為計(jì)算參考點(diǎn)，則計(jì)算結(jié)果不會(huì)引入因慣性產(chǎn)生的位移誤差。

以FANUC 0i系統(tǒng)為例，跳轉(zhuǎn)信號(hào)跳轉(zhuǎn)時(shí)，4個(gè)進(jìn)給軸的坐標(biāo)值存儲(chǔ)在#5061～#5064中[3,5]，選用#5063系統(tǒng)變量的坐標(biāo)值作為對(duì)刀時(shí)的Zi（或標(biāo)刀Z0）值。Z0為標(biāo)刀的Z軸坐標(biāo)值，Zi為非標(biāo)刀的Z軸坐標(biāo)值。

3.3 對(duì)刀宏程序

對(duì)刀時(shí)為確保對(duì)刀準(zhǔn)確性，在觸發(fā)一次后回退一定高度，以低進(jìn)給再觸發(fā)一次，對(duì)刀程序以FANUC 0i系列的加工中心為例。對(duì)刀前手動(dòng)方式移動(dòng)標(biāo)刀到非接觸式對(duì)刀器左部和右部中間位置附近，再調(diào)整刀具位置使其遮擋光電開關(guān)光束產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)時(shí)，記下標(biāo)刀在對(duì)刀點(diǎn)位置的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)，同時(shí)確定對(duì)刀起始平面高度、慢速下刀量及回退量。

標(biāo)刀對(duì)刀程序?yàn)椋?/p>

......

4 結(jié)論

本對(duì)刀器采用分離式結(jié)構(gòu)，且在X軸、Y軸、Z軸等3個(gè)方向可調(diào)，容易實(shí)現(xiàn)光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，X軸可調(diào)能夠適應(yīng)各種直徑尺寸的刀具對(duì)刀，對(duì)刀時(shí)無(wú)需觸碰，無(wú)機(jī)械傳動(dòng)間隙，比接觸式對(duì)刀儀的適應(yīng)性更強(qiáng)、工作可靠性更好，對(duì)刀器操作快捷方便，能減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，很適合企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。