華北機(jī)電學(xué)校 (山西長治 046000)焦連岷

大家對數(shù)控機(jī)床中的“對刀”方法與操作早已“熟知”，然而，對其蘊(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，這些都和“對刀”相關(guān)，了解了這些概念之后，有助于我們對“對刀”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，對于采用非記憶型編碼器的機(jī)床開機(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，對于“有擋塊”的非“絕對編碼器”的機(jī)床而言，通常是通過回“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)，在加工的過程中，其他坐標(biāo)系都要通過數(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)對刀點(diǎn)：進(jìn)行“對刀”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)，通過對“對刀點(diǎn)”的操作與識別，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“對刀”操作完畢之后，對刀點(diǎn)的移動軌跡應(yīng)是編程人員指定工件坐標(biāo)系中規(guī)定的移動路線軌跡。因此，“對刀”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.對刀原理

由以上論述得知，“對刀”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)行說明。

圖1 工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖

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)所識別。所以，數(shù)控系統(tǒng)也正是事先通過“對刀”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“對刀原理”。

下面以華中世紀(jì)星數(shù)控車床為例，通過不同的“對刀方法”，分析數(shù)控系統(tǒng)是如何獲取偏移值(Δa，Δb)進(jìn)行“對刀”的。

圖2 臥式數(shù)控車床對刀原理圖

(1)試切對刀。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“對刀”步驟為：①Z向?qū)Φ叮菏謩幽Ｊ健嚽泄ぜ嗣妗鶽方向不動，沿X方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3操作界面，按開始鍵將光標(biāo)移至“試切長度”→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→系統(tǒng)自動計(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?/p>

圖3 華中數(shù)控對刀操作界面

②X向?qū)Φ叮涸嚽型鈭A→X方向不動，沿Z方向退出→測量出工件直徑a(即X向的工件坐標(biāo)系的值，系統(tǒng)會自動計(jì)算出半徑值)→MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3操作界面，按開始鍵將光標(biāo)移至“試切直徑”→輸入測量的直徑a→回車→系統(tǒng)自動計(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?/p>

“試切對刀”的操作過程原理是：機(jī)床回參考點(diǎn)后，系統(tǒng)能夠自動確立當(dāng)前“對刀點(diǎn)”A(X，Z)的機(jī)床坐標(biāo)值→操作人員測量工件坐標(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'為對刀點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值，X測、Z測值為對刀過程中的測量(工件坐標(biāo)系)值，在測量過程中X測為直徑值的一半 (在直徑編程方式下輸入直徑值，系統(tǒng)會自動進(jìn)行取半)，Z測為試切長度。

(2)G92指令建立。另外一種“對刀”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Φ饵c(diǎn)”走到 A點(diǎn)時(shí)，用指令“G92 X60，Z50”是確定了當(dāng)前“對刀點(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)。

圖4 G92程序指令建立工件坐標(biāo)系原理示意圖

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“試切對刀”需要進(jìn)行測量)，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“對刀”。

在實(shí)際批量生產(chǎn)中，刀具裝夾合適后，就不會隨意更換，如果不考慮刀具本身磨損，則可以保證“對刀點(diǎn)”不變，所以唯一可能改變的是工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)相對于機(jī)床原點(diǎn)位置。在數(shù)控車床中，建立的工件坐標(biāo)系Z軸一般與主軸中心重合 (臥式車床)，其精度可用三爪卡盤準(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)毛坯料伸出的長短不一致，可能導(dǎo)致“原點(diǎn)偏移”，此時(shí)如果不重新“對刀”則會造成多次加工的工件不一致。因此，為了保證Z向“伸出材料長度”一致，避免“重新對刀”，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)，或用專用夾具定位);其次，在程序中加入“平整端面”的語句行，進(jìn)行精確定位，以消除Z向由于裝夾時(shí)帶來的“粗大誤差”。下面是常用的模板指令程序代碼：

N10 M03 S800 ;(主軸正轉(zhuǎn)，設(shè)定轉(zhuǎn)速800 r/min)

N20 T0101 ;(調(diào)用一號刀具)

N30 G00 X90，Z0 ;［快速移動到Z0端面，且在最大輪廓之外 (設(shè)外輪廓直徑小于90)］

N40 G01 X0 F100;［平整端面 (添加此語句行以消除毛坯裝夾時(shí)帶來的誤差)］

N50 Z2 ;(Z向回退到零件輪廓之外)

N60 G00 X90 ;(X向回退到零件輪廓之外)

…

N100 M05 ;(主軸停轉(zhuǎn))

N110 M30 ;(程序結(jié)束并返回到程序開頭)

(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“跑偏”，如果不重新進(jìn)行“對刀”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。

N10 M03 S800 ;(主軸正轉(zhuǎn)，設(shè)定轉(zhuǎn)速800 r/min)

N20 T0101 ;(調(diào)用一號刀具)

N30 G92 X100 Z100;［(建立工件坐標(biāo)系 (起始位置處)］

N40 G00 X90 ;(X向回退到零件輪廓之外)

…

N100 G00 X100，Z100;(務(wù)必添加此語句行回到“起始位置處”)

N110 M05 ;(主軸停轉(zhuǎn))

N120 M30 ;(程序結(jié)束并返回到程序開頭)

(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“對刀”方法實(shí)際上已知二者的關(guān)系時(shí)才會用到，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“撞到工件”的安全情況下，而又略去進(jìn)行“試切對刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁瑣，所以通常是先手動進(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“絕對安全范圍”內(nèi)，否則會因設(shè)置不當(dāng)造成“撞刀”，甚至引發(fā)人身安全事故，對于初學(xué)者此種方法要“慎用”。

5.結(jié)語

由以上論述得知，數(shù)控機(jī)床工作過程中各坐標(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“對刀點(diǎn)”進(jìn)行“對刀”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)在零件加工過程中把工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系。因此，“對刀”操作是數(shù)控加工過程中重要的一環(huán)。

“對刀”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?！霸嚽小睂Φ逗汀癎92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“試切”對刀的方法是通過操作人員的測量，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;而對于銑床與加工中心，只不過是增加了第三或第四軸，所以，本文所講得“對刀原理”具有普遍的意義。

對“對刀原理”的深刻理解有助于我們更好的進(jìn)行“對刀”操作，了解數(shù)控機(jī)床中坐標(biāo)系的確立過程與零件加工、進(jìn)給運(yùn)動部件位置的精確定位原理，從而更加靈活的對機(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。