大家對(duì)數(shù)控機(jī)床中的“對(duì)刀”方法與操作早已“熟知”，然而，對(duì)其蘊(yùn)含的“基本原理”卻很少有人“深究”，本人結(jié)合自己多年數(shù)控機(jī)床操作與維修的經(jīng)驗(yàn)，就關(guān)于數(shù)控機(jī)床“對(duì)刀”的一些基本原理和應(yīng)用，和讀者作一些探討交流。
1. 相關(guān)概念
在我們進(jìn)行闡述原理之前先介紹幾個(gè)基本概念術(shù)語(yǔ)，這些都和“對(duì)刀”相關(guān)，了解了這些概念之后，有助于我們對(duì)“對(duì)刀”原理更深層次的理解。
(1) 機(jī)床參考點(diǎn)：機(jī)床中的一固定點(diǎn)，是用來(lái)建立機(jī)床坐標(biāo)系的基準(zhǔn)，由機(jī)床生產(chǎn)廠家確定，對(duì)于采用非記憶型編碼器的機(jī)床開(kāi)機(jī)后通常要執(zhí)行“回參考點(diǎn)”工作。
(2) 機(jī)床坐標(biāo)系：由機(jī)床生產(chǎn)廠家確定，對(duì)于“有擋塊”的非“絕對(duì)編碼器”的機(jī)床而言，通常是通過(guò)回“參考點(diǎn)”之后進(jìn)行確立，是機(jī)床確立自身部件的依據(jù)，在加工的過(guò)程中，其他坐標(biāo)系都要通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部邏輯“換算關(guān)系”轉(zhuǎn)換成“機(jī)床坐標(biāo)系”，即機(jī)床坐標(biāo)系是數(shù)控系統(tǒng)唯一能夠“識(shí)別”的坐標(biāo)系。
(3) 機(jī)床原點(diǎn)：即機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)，機(jī)床坐標(biāo)系建立之后“零點(diǎn)” ( 即“機(jī)床原點(diǎn)”) 隨之確立，它可以和機(jī)床參考點(diǎn)重合一致( 即機(jī)床原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)是同一點(diǎn)) ，也可以不一致，一般是可以通過(guò)數(shù)控機(jī)床“系統(tǒng)參數(shù)”進(jìn)行設(shè)置確定。
(4) 工件坐標(biāo)系： 是由編程人員確定，是編程坐標(biāo)系，主要是考慮編程、加工及裝夾等方便而進(jìn)行設(shè)置，是編制程序時(shí)的基準(zhǔn)。
(5) 對(duì)刀點(diǎn):：進(jìn)行“對(duì)刀”操作時(shí)的參考基準(zhǔn)點(diǎn)，通常是以刀具的加工切削點(diǎn)( 一般是以刀具的刀尖) 為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)“對(duì)刀點(diǎn)”的操作與識(shí)別，使數(shù)控系統(tǒng)建立起機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。
2. “對(duì)刀”概念及作用
編程人員采用的是“工件坐標(biāo)系”，而數(shù)控機(jī)床所能夠識(shí)別的是“機(jī)床坐標(biāo)系”，如何讓數(shù)控系統(tǒng)能夠“明知”用戶建立的工件坐標(biāo)系在“何處”，這就需要進(jìn)行“對(duì)刀”操作，即“確立工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置”，進(jìn)行“對(duì)刀”操作完畢之后，對(duì)刀點(diǎn)的移動(dòng)軌跡應(yīng)是編程人員指定工件坐標(biāo)系中規(guī)定的移動(dòng)路線軌跡。因此，“對(duì)刀”操作實(shí)際上是建立起了機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的聯(lián)系，從而使它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。即
3. 對(duì)刀原理
由以上論述得知，“對(duì)刀”的最終任務(wù)是: 確立工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，即確立二者之間的關(guān)系。為了闡述方便，繪制了圖1 進(jìn)行說(shuō)明。
設(shè)定工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系為如圖1所示，工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)( X'，Z') 值為( Δa，Δb) ，則工件坐標(biāo)系中的任一點(diǎn)A ( X，Z) 轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系中的值為：工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值與原點(diǎn)偏移值的代數(shù)和，即
因此，如果能夠確定了工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的偏移值( Δa，Δb) ，則程序中工件坐標(biāo)系的值便可順利得轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系的值，能夠被數(shù)控系統(tǒng)所識(shí)別。所以，數(shù)控系統(tǒng)也正是事先通過(guò)“對(duì)刀”操作，獲取并記錄“工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的偏移值( Δa，Δb) ”，然后再根據(jù)式( 1) 計(jì)算出機(jī)床坐標(biāo)系的值，這正是“對(duì)刀原理”。
下面以華中世紀(jì)星數(shù)控車(chē)床為例，通過(guò)不同的“對(duì)刀方法”，分析數(shù)控系統(tǒng)是如何獲取偏移值( Δa，Δb) 進(jìn)行“對(duì)刀”的。
(1) 試切對(duì)刀。設(shè)工件坐標(biāo)系的建立如圖2 所示，X 軸在工件的右端面，Z 軸在主軸的中心線上，則“對(duì)刀”步驟為:
①Z 向?qū)Φ?/span>: 手動(dòng)模式→試切工件端面→Z 方向不動(dòng)，沿X 方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3 操作界面，按開(kāi)始鍵將光標(biāo)移至“試切長(zhǎng)度”→輸入Z 方向工件坐標(biāo)系的值( 因?yàn)榇藭r(shí)工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立在工件的右端面，Z 向坐標(biāo)值為0，即輸入0 即可; 如果不是在右端面，輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值即可。) →按回車(chē)→系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出“Z 偏置”值( 工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的Z 向坐標(biāo)值) ，該刀Z 方向?qū)Φ锻戤叀?/span>
②X 向?qū)Φ?/span>: 試切外圓→X 方向不動(dòng)，沿Z 方向退出→測(cè)量出工件直徑a ( 即X 向的工件坐標(biāo)系的值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出半徑值) →MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3 操作界面，按開(kāi)始鍵將光標(biāo)移至“試切直徑”→輸入測(cè)量的直徑a→回車(chē)→系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出“X 偏置”值( 工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的X 向坐標(biāo)值) ，該刀X 方向?qū)Φ锻戤叀?/span>
“試切對(duì)刀”的操作過(guò)程原理是: 機(jī)床回參考點(diǎn)后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)確立當(dāng)前“對(duì)刀點(diǎn)”A ( X，Z)的機(jī)床坐標(biāo)值→操作人員測(cè)量工件坐標(biāo)系的值( X，Z) 輸入數(shù)控系統(tǒng)→數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)二者的關(guān)系計(jì)算出偏移值( Δa，Δb) →確定工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置→建立起二者之間的聯(lián)系
在程序加工過(guò)程中系統(tǒng)根據(jù)式(1) 將工件坐標(biāo)系的值換算成機(jī)床坐標(biāo)系的值。其中X'、Z' 為對(duì)刀點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值，X測(cè)、Z測(cè)值為對(duì)刀過(guò)程中的測(cè)量( 工件坐標(biāo)系) 值，在測(cè)量過(guò)程中X測(cè)為直徑值的一半( 在直徑編程方式下輸入直徑值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行取半) ，Z測(cè)為試切長(zhǎng)度。
(2) G92 指令建立。另外一種“對(duì)刀”方法是用指令G92，在程序中直接指定進(jìn)行建立，格式為G92 X----，Z----，即建立起的坐標(biāo)系使當(dāng)前“對(duì)刀點(diǎn)”的坐標(biāo)值為指令中指定的值，如圖4 所示: 當(dāng)?shù)毒摺皩?duì)刀點(diǎn)”走到A 點(diǎn)時(shí)，用指令“G92 X60，Z50”是確定了當(dāng)前“對(duì)刀點(diǎn)”的坐標(biāo)值是工件坐標(biāo)系中X60、Z50 的位置，也就是分別距離當(dāng)前對(duì)刀點(diǎn)“逆向”X 向60、Z 向50 的位置為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。假如當(dāng)前點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)系中的值為X' = 150，Z' = － 200，則工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的實(shí)際位置是X' = 90，Z' = － 250 ( 注: 為說(shuō)明方便，X 向假設(shè)為半徑編程方式，直徑編程時(shí)原理相同，數(shù)值直接乘以2 即可) 。
此種方法也是系統(tǒng)已知機(jī)床坐標(biāo)值，工件坐標(biāo)系的值由G92 程序指令中指定( 不像“試切對(duì)刀”需要進(jìn)行測(cè)量) ，根據(jù)式( 2) 系統(tǒng)很方便的計(jì)算出偏移值( Δa、Δb) ，完成“對(duì)刀”。
(3) 指定原點(diǎn)。第三種方法是: 用戶如果能夠確立工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系，則可以直接在“對(duì)刀”操作界面圖3 “X 偏置”、“Z 偏置”欄中輸入工件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中的偏移值，這實(shí)際上是直接“告知”了系統(tǒng)“工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置”，從而確立了二者之間的聯(lián)系。
4. 應(yīng)用意義
(1) 只要“對(duì)刀點(diǎn)”位置未改變( 即保證刀具裝夾方式未改變，暫不考慮刀具磨損) ，工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)位置未改變，多次重復(fù)加工時(shí)勿需重新“對(duì)刀”。
在實(shí)際批量生產(chǎn)中，刀具裝夾合適后，就不會(huì)隨意更換，如果不考慮刀具本身磨損，則可以保證“對(duì)刀點(diǎn)”不變，所以唯一可能改變的是工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)位置。在數(shù)控車(chē)床中，建立的工件坐標(biāo)系Z 軸一般與主軸中心重合( 臥式車(chē)床) ，其精度可用三爪卡盤(pán)準(zhǔn)確定位進(jìn)行保證，所以工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)X 向不會(huì)改變，而可能改變的是Z向，因?yàn)橥瑯邮菍⒐ぜ鴺?biāo)系的原點(diǎn)建立在工件的“右端面”，但由于工件裝夾時(shí)毛坯料伸出的長(zhǎng)短不一致，可能導(dǎo)致“原點(diǎn)偏移”，此時(shí)如果不重新“對(duì)刀”則會(huì)造成多次加工的工件不一致。因此，為了保證Z 向“伸出材料長(zhǎng)度”一致，避免“重新對(duì)刀”，通常的做法是: 首先，裝夾毛坯件時(shí)采用“樣板”粗定位( 即裝夾時(shí)用“樣板”作基準(zhǔn)，或用專(zhuān)用夾具定位) ; 其次，在程序中加入“平整端面”的語(yǔ)句行，進(jìn)行精確定位，以消除Z 向由于裝夾時(shí)帶來(lái)的“粗大誤差”。下面是常用的模板指令程序代碼：
(2) 用G92 建立的坐標(biāo)系，多次重復(fù)運(yùn)行時(shí)要防止“原點(diǎn)”可能“跑偏”。在實(shí)際程序加工過(guò)程中，由于G92 建立的坐標(biāo)系是以刀具“當(dāng)前點(diǎn)”為前提，“逆向反推”指令中指定的距離后得到工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)，所以，雖是同一條指令，但刀具“當(dāng)前點(diǎn)”位置不同，最終的工件坐標(biāo)系建立的原點(diǎn)也不同，這就要求同一程序反復(fù)使用時(shí)注意它們的“起刀點(diǎn)”位置要相同，否則，工件坐標(biāo)系的零點(diǎn)位置會(huì)“跑偏”，如果不重新進(jìn)行“對(duì)刀”操作，輕則加工出的零件精度不一致，零件尺寸錯(cuò)誤產(chǎn)生“廢品”，重則產(chǎn)生“撞刀”，釀成事故，所以，在實(shí)際程序加工過(guò)程中，在程序結(jié)束前務(wù)必將“刀具”停留在建立工件坐標(biāo)系“起始”的位置處。
(3) 采用直接輸入工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的方法時(shí)要特別“慎重”。第三種“對(duì)刀”方法實(shí)際上已知二者的關(guān)系時(shí)才會(huì)用到，它一般是在“首件試切”前，為了驗(yàn)證“走刀路線軌跡”，確保刀具不會(huì)“撞到工件”的安全情況下，而又略去進(jìn)行“試切對(duì)刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁瑣，所以通常是先手動(dòng)進(jìn)給軸至安全距離，然后記錄下“機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值”進(jìn)行輸入，此種方法更多的是用在“調(diào)試程序”階段，在“空走刀”的情況下驗(yàn)證其“軌跡”，由于此種方法往往在程序中設(shè)定進(jìn)給速度很快，甚至在機(jī)床操作面板中設(shè)置“空運(yùn)行”按鈕有效，所以輸入時(shí)一定要確保: “指令最大運(yùn)行范圍值”在實(shí)際運(yùn)行中處于“絕對(duì)安全范圍”內(nèi)，否則會(huì)因設(shè)置不當(dāng)造成“撞刀”，甚至引發(fā)人身安全事故，對(duì)于初學(xué)者此種方法要“慎用”。
5. 結(jié)語(yǔ)
由以上論述得知，數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中各坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換的相互關(guān)系為: 機(jī)床開(kāi)機(jī)→回參考點(diǎn)→確立機(jī)床原點(diǎn)→確立機(jī)床坐標(biāo)系; 編程人員→確立工件坐標(biāo)系→對(duì)“對(duì)刀點(diǎn)”進(jìn)行“對(duì)刀”操作→確立工件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置→數(shù)控系統(tǒng)在零件加工過(guò)程中把工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系。因此， “對(duì)刀”操作是數(shù)控加工過(guò)程中重要的一環(huán)。
“對(duì)刀”方法雖然形式多樣，但最終的目標(biāo)只有一個(gè): 確立工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的偏移值。“試切”對(duì)刀和“G92 程序指令”的方法是告知系統(tǒng)當(dāng)前的工件坐標(biāo)系的值，讓系統(tǒng)“反推”出“偏移值”，只不過(guò)“試切”對(duì)刀的方法是通過(guò)操作人員的測(cè)量，而后者是直接在程序中指定; “直接輸入”的方法則是直接告知系統(tǒng)工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的信息。
本文中雖是以“華中數(shù)控”系統(tǒng)車(chē)床為例，但原理同樣適用于其他廠家的數(shù)控系統(tǒng)，不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)其“對(duì)刀”方法與步驟雖“略有不同”，但總體“大同小異”，其基本原理是“相通”的; 而對(duì)于銑床與加工中心，只不過(guò)是增加了第三或第四軸，所以，本文所講得“對(duì)刀原理”具有普遍的意義。
對(duì)“對(duì)刀原理”的深刻理解有助于我們更好的進(jìn)行“對(duì)刀”操作，了解數(shù)控機(jī)床中坐標(biāo)系的確立過(guò)程與零件加工、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件位置的精確定位原理，從而更加靈活的對(duì)機(jī)床進(jìn)行操作及運(yùn)用編程指令進(jìn)行程序編制，更好的發(fā)揮機(jī)床的生產(chǎn)效率。
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