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            數控車床的對刀原理及對刀方法
             
              江蘇光揚軸承有限公司 發布于:2016-4-23 閱讀量:2601  
             

              對刀是數控加工中的主要操作和重要技能。在一定條件下,對刀的精度可以決定零件的加工精度,同時,對刀效率還直接影響數控加工效率。
            僅僅知道對刀方法是不夠的,還要知道數控系統的各種對刀設置方式,以及這些方式在加工程序中的調用方法,同時要知道各種對刀方式的優缺點、使用條件(下面的論述是以FANUC 0i Mate數控系統為例)等。

            1、為什么要對刀
              一般來說,零件的數控加工編程和上機床加工是分開進行的。數控編程員根據零件的設計圖紙,選定一個方便編程的坐標系及其原點,我們稱之為程序坐標系和程序原點。程序原點一般與零件的工藝基準或設計基準重合,因此又稱作工件原點。
            數控車床通電后,須進行回零(參考點)操作,其目的是建立數控車床進行位置測量、控制、顯示的統一基準,該點就是所謂的機床原點,它的位置由機床位置傳感 器決定。由于機床回零后,刀具(刀尖)的位置距離機床原點是固定不變的,因此,為便于對刀和加工,可將機床回零后刀尖的位置看作機床原點。
            在圖1中,O是程序原點,O'是機床回零后以刀尖位置為參照的機床原點。
             
              編程員按程序坐標系中的坐標數據編制刀具(刀尖)的運行軌跡。由于刀尖的初始位置(機床原點)與程序原點存在X向偏移距離和Z向偏移距離,使得實際的刀尖 位置與程序指令的位置有同樣的偏移距離,因此,須將該距離測量出來并設置進數控系統,使系統據此調整刀尖的運動軌跡。
            所謂對刀,其實質就是側量程序原點與機床原點之間的偏移距離并設置程序原點在以刀尖為參照的機床坐標系里的坐標。

            2、試切對刀原理
              對刀的方法有很多種,按對刀的精度可分為粗略對刀和精確對刀;按是否采用對刀儀可分為手動對刀和自動對刀;按是否采用基準刀,又可分為絕對對刀和相對對刀等。但無論采用哪種對刀方式,都離不開試切對刀,試切對刀是最根本的對刀方法。
             
            以圖2為例,試切對刀步驟如下:
            ① 在手動操作方式下,用所選刀具在加工余量范圍內試切工件外圓,記下此時顯示屏中的X坐標值,記為Xa。(注意:數控車床顯示和編程的X坐標一般為直徑值)。
            ② 將刀具沿+Z方向退回到工件端面余量處一點(假定為α點)切削端面,記錄此時顯示屏中的Z坐標值,記為Za。
            ③ 測量試切后的工件外圓直徑,記為φ。
            如果程序原點O設在工件端面(一般必須是已經精加工完畢的端面)與回轉中心的交點,則程序原點O在機床坐標系中的坐標為
                Xo=Xa-φ(1)
                Zo=Za
            注意:公式中的坐標值均為負值。將Xo、Zo設置 進數控系統即完成對刀設置。

            3、 程序原點(工件原點)的設置方式
            在FANUC數控系統中,有以下幾種設置程序原點的方式:
            ①設置刀具偏移量補償;
            ②用G50設置刀具起點;
            ③用G54~G59設置程序原點;
            ④用“工件移”設置程序原點。
            程序原點設置是對刀不可缺少的組成部分。每種設置方法有不同的編程使用方式、不同的應用條件和不同的工作效率。各種設置方式可以組合使用。

              (1)設置刀具偏移量補償車床的刀具補償包括刀具的“磨損量”補償參數和“形狀”補償參數,兩者之和構成車刀偏移量補償參數。試切對刀獲得的偏移一般設置在“形狀”補償參數中。
            試切對刀并設置刀偏步驟如下:
            ①用外圓車刀試車-外圓,沿+Z軸退出并保持X坐標不變。
            ②測量外圓直徑,記為φ。
            ③按“OFFSET SET”(偏移設置)鍵→進入“形狀”補償參數設定界面→將光標移到與刀位號相對應的位置后,輸人Xφ(注意:此處的φ代表直徑值,而不是一符號,以下同),按“測量”鍵,系統自動按公式(1)計算出X方向刀具偏移量(如圖3所示)。
            注意:也可在對應位置處直接輸人經計算或從顯示屏得到的數值,按“輸人”鍵設置。④用外圓車刀試車工件端面,沿+X軸退出并保持Z坐標不變。
            ⑤按“OFFSET SET”鍵→進人“形狀”補償參數設定界面→將光標移到與刀位號相對應的位置后,輸人Zo,按“測量”鍵,系統自動按公式(1)計算出Z方向刀具偏移量。同樣也可以自行“輸入”偏移量。
            ⑥設置的刀具偏移量在數控程序中用T代碼調用。
            這種方式具有易懂、操作簡單、編程與對刀可以完全分開進行等優點。同時,在各種組合設置方式中都會用到刀偏設置,因此在對刀中應用最為普遍。
             
              (2)用G50設置刀具起點
            ①用外圓車刀試車一段外圓,沿+Z軸退至端面余量內的一點(假定為a點)。
            ②測量外圓直徑,記為φ。
            ③選擇“MDI”(手動指令輸入)模式,輸人GO1 U一φF0. 3,切端面到中心(程序原點)。
            ④選擇“MDI”模式,輸人G50 X0 ZO,按“啟動”按鈕。把刀尖當前位置設為機床坐標系中的坐標(0,0),此時程序原點與機床原點重合。
            ⑤選擇“MDI”模式,輸入GO X150 2200,使刀尖移動到起刀點。該點為刀具離開工件、便于換刀的任意位置,此處假設為b點,坐標為(1.50、200)。
            ⑥加工程序的開頭必須是G50 X150 2200,即把刀尖所在位置設為機床坐標系的坐標(150,200)。此時刀尖的程序坐標(150,200)與刀尖的機床坐標(150,200)在同一位置,程序原點仍與機床原點重合。
            ⑦當用G50 X150 2200設置刀具起點坐標時,基準刀程序起點位置和終點位置必須相同,即在程序結束前,需用指令GO X150 2200使基準刀具回到同一點,才能保證重復加工不亂刀。
            ⑧若用第二參考點G30,并在數控系統的參數里將第二參考點設為起刀點位置,能保證重復加工不亂刀,此時程序開頭為:G30 UO WO; G50 X150 Z200。
            ⑨若不用上述③、④、⑤步驟中的GO1 U~φF0.3、G50 XO ZO.GO X150 2200指令來獲得起刀點位置,也可用下述公式計算指定起刀點在機床坐標系(顯示屏)中的坐標:
            Xb=Xa-φ+150(2)
            Zb=Za+200
            然后用點動或脈沖操作,使刀尖移動到(Xb,Zb)位置。
            注意:運行程序前要先將基準刀移到設定的位置。
            在用G50設置刀具的起點時,一般要將該刀的刀偏值設為零。
            此方式的缺點是起刀點位置要在加工程序中設置,且操作較為復雜。但它提供了用手工精確調整起刀點的操作方式,有的人對此比較喜歡。

              (3)用G54~G59設置程序原點
            ①試切和測量步驟同前述一樣。
            ②按“OFFSET SET”鍵,進人“坐標系”設置,移動光標到相應位置,輸入程序原點的坐標值,按“測量”或“輸入”鍵進行設置。如圖4所示。
            ③在加工程序里調用,例如:G55 X100 Z5...。G54為默認調用。
            注意:若設置和使用了刀偏補償,最好將G54~G59的各個參數設為0,以免重復出錯。對于多刀加工,可將基準刀的偏移值設置在G54~G59的其中之一,將基準刀的刀偏補償設為零,而將其它刀的刀偏補償設為其相對于基準刀的偏移量。
            這種方式適用于批量生產且工件在卡盤上有固定裝夾位置的加工。銑削加工用得較多。
            執行G54~G59指令相當于將機床原點移到程序原點。

              (4)用“工件移”設置程序原點
            ①通過試切工件外圓、端面,測量直徑,根據公式(1)計算出程序原點(工件原點)的X坐標,記錄顯示屏顯示的原點Z坐標。
            ②按“OFFSET SET”鍵,進入“工件移”設置,將光標移到對應位置,分別輸入得到的X. Z坐標值,按機床MDI鍵盤上的“INPUT”鍵進行設置。如圖5所示。
            ③使X、Z軸回機床原點(參考點),建立程序原點坐標。
            “工件移”設置亦相當于將機床原點移到程序原點(工件原點)。對于單刀加工,如果設置了“工件移”,最好將其刀偏補償設為0,以防重復出錯;對于多刀加工,“工件移”中的數值為基準刀的偏移值,將其它刀具相對于基準刀的偏移值設置在相應的刀偏補償中。

            4 多刀對刀
              FANUC數控系統多刀對刀的組合設置方式有:①絕對對刀;②基準刀G50+相對刀偏;③基準刀“工件移”+相對刀偏;④基準刀G54~G59+相對刀偏。
            (1)絕對對刀所謂絕對對刀即是用每把刀在加工余量范圍內進行試切對刀,將得到的偏移值設置在相應刀號的偏置補償中。這種方式思路清晰,操作簡單,各個偏移值不互相關聯,因而調整起來也相對簡單,所以在實際加工中得到廣泛應用。
            (2)相對對刀所謂相對對刀即是選定一把基準刀,用基準刀進行試切對刀,將基準刀的偏移用G50,“工件移”或G54~G59來設置,將基準刀的刀偏補償設為零,而將其它刀具相對于基準刀的偏移值設置在各自的刀偏補償中。
            下面以圖2所示為例,介紹如何獲得其它刀相對基準刀的刀偏值。
            ①當用基準刀試切完外圓,沿Z軸退到a點時,按顯示器下方的“相對”軟鍵,使顯示屏顯示機床運動的相對坐標。
            ②選擇“MDI”方式,按"SHIFT"換檔鍵,按"XU"選擇U,這時U坐標在閃爍,按“ORIGIN”置零,如圖6所示。同樣將w坐標置零。
            ③換其它刀,將刀尖對準a點,顯示屏上的U坐標、W坐標即為該刀相對于基準刀的刀偏值。此外,還可用對刃儀測定相對刀偏值。
             
            圖6 設置相對坐標零點

            5 精確對刀
              從理論上說,上述通過試切、測量、計算;得到的對刀數據應是準確的,但實際上由于機床的定位精度、重復精度、操作方式等多種因素的影響,使得手動試切對刀的對刃精度是有限的,因此還須精確對刀。
            所謂精確對刀,就是在零件加工余量范圍內設計簡單的自動試切程序,通過“自動試切→測量→誤差補償”的思路,反復修調偏移量、或基準刀的程序起點 位置和非基準刀的力偏置,使程序加工指令值與實際測量值的誤差達到精度要求。由于保證基準刀程序起點處于精確位置是得到準確的非基準刀刀偏置的前提,因此 一般修正了前者后再修正后者。
            精確對刀偏移量的修正公式為:
            記:δ=理論值(程序指令值)-實際值(測量值),則
            xo2=xo1 +δx(3)
            Zo2=Zo1-δZ
            注意:δ值有正負號。
            例如:用指令試切一直徑40、長度為50的圓柱,如果測得的直徑和長度分別為040.25和49.85,則該刀具在X、Z向的偏移坐標分別要加上-0.25和-0.15,當然也可以保持原刀偏值不變,而將誤差加到磨損欄。

            6 結束語
              筆者設計了一段多刀加工程序,在FANUC 0i數控車削系統上驗證了上述幾種組合對刀設置方式,取得了相同的效果。對其它數控系統也具有一定推廣價值。

             
               
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