洪美琴

(湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

數(shù)控銑削加工時(shí)首先要通過(guò)對(duì)刀確定工件原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的位置，當(dāng)選用一把加工刀具進(jìn)行X軸、Y軸和Z軸對(duì)刀后，在工件裝夾位置不變的情況下，更換其它加工刀具則只需進(jìn)行Z軸對(duì)刀。目前大多數(shù)企業(yè)基本上還是手動(dòng)完成對(duì)刀操作，即使有的企業(yè)采用機(jī)外對(duì)刀儀預(yù)先對(duì)刀具長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，但還是要手動(dòng)輸入長(zhǎng)度補(bǔ)償值到數(shù)控系統(tǒng)刀偏表中，所以加工刀具越多，對(duì)刀占機(jī)時(shí)間較多，手動(dòng)輸入有時(shí)還會(huì)出錯(cuò)。針對(duì)Z軸對(duì)刀的實(shí)際現(xiàn)狀，筆者提出了利用光電式Z軸設(shè)定器巧用宏程序?qū)崿F(xiàn)Z軸半自動(dòng)對(duì)刀的方法。另外結(jié)合宏程序還提出了利用G31指令控制刀具移動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z軸對(duì)刀全自動(dòng)化的方法，以提高Z軸對(duì)刀的效率。

1 巧用宏程序?qū)崿F(xiàn)Z軸半自動(dòng)對(duì)刀方法

1.1 手動(dòng)計(jì)算刀具長(zhǎng)度差值法

手動(dòng)Z軸對(duì)刀是用一把加工刀具試切工件表面或?qū)⒌毒呓咏鼘?duì)刀表面再測(cè)量刀具與對(duì)刀表面間隙等方法來(lái)對(duì)刀，并將對(duì)刀結(jié)果輸入到數(shù)控系統(tǒng)的刀偏表中。通常稱(chēng)已對(duì)刀的刀具為標(biāo)準(zhǔn)刀具，如換上其它加工刀具，要么再重復(fù)一次Z軸對(duì)刀，要么通過(guò)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能來(lái)達(dá)到同等對(duì)刀效果。

調(diào)用長(zhǎng)度補(bǔ)償值來(lái)達(dá)到同等對(duì)刀效果，首先要知道加工刀具與標(biāo)準(zhǔn)刀具的長(zhǎng)度差值。假設(shè)把已對(duì)好刀的刀具長(zhǎng)度設(shè)為h0，而其它刀具長(zhǎng)度為h1、h2、h3、…h(huán)n，則其它刀具與已對(duì)好刀的刀具的長(zhǎng)度差值為該把刀的長(zhǎng)度補(bǔ)償值，長(zhǎng)度補(bǔ)償值的計(jì)算式為(hn-h0)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果為正值時(shí)，表示該把刀具比標(biāo)準(zhǔn)刀具長(zhǎng)。相反，為負(fù)值時(shí)，表示該把刀具比標(biāo)準(zhǔn)刀具短。把計(jì)算好的長(zhǎng)度補(bǔ)償值輸入到刀偏表形狀(h)中，帶符號(hào)輸入，用G43Z-H-編程格式就能達(dá)到刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能。

對(duì)刀時(shí)利用Z軸設(shè)定器，如采用光電式Z軸設(shè)定器，當(dāng)用手搖脈沖形式移動(dòng)刀具觸碰到對(duì)刀接觸面，發(fā)出聲光信號(hào)時(shí)，此時(shí)停止刀具移動(dòng)并手動(dòng)記錄Z軸的坐標(biāo)值。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)刀具的Z軸坐標(biāo)值為Z0，其它刀具用相同的移動(dòng)方式、相同的移動(dòng)速度移動(dòng)觸碰到對(duì)刀接觸面使Z軸設(shè)定器指示燈亮?xí)r，停止移動(dòng)，此時(shí)Z軸的坐標(biāo)值為Z1、Z2、Z3、…Zn，則任一把加工刀具與標(biāo)準(zhǔn)刀具的Z軸坐標(biāo)差值計(jì)算式如下：

ZΔ=Zn-Z0

當(dāng)ZΔ為負(fù)值時(shí)，Zn

當(dāng)ZΔ為正值時(shí)，Zn>Z0。Zn>Z0說(shuō)明第n把刀具向下移動(dòng)觸碰到Z軸設(shè)定器的對(duì)刀面時(shí)，向下移動(dòng)的位移比標(biāo)準(zhǔn)刀具要小，Z坐標(biāo)值要比標(biāo)準(zhǔn)刀具的坐標(biāo)值大，說(shuō)明此把刀具比標(biāo)準(zhǔn)刀具長(zhǎng)。

將計(jì)算好的ZΔ輸入到刀偏表形狀(h)中，就完成Z軸對(duì)刀。借用Z軸設(shè)定器比試切工件上表面對(duì)刀方法操作要簡(jiǎn)單，但手動(dòng)計(jì)算長(zhǎng)度補(bǔ)償值并輸入到刀偏表中仍然耗時(shí)并容易出錯(cuò)。光電式Z軸設(shè)定器示意圖如圖1所示。

圖1 光電式Z軸設(shè)定器示意圖

1.2 宏程序自動(dòng)計(jì)算刀具長(zhǎng)度差值法

用手動(dòng)方式控制刀具向下移動(dòng)觸碰到到光電式Z軸設(shè)定器的對(duì)刀面，發(fā)出光電信號(hào)時(shí)刀具停止移動(dòng)。此時(shí)利用宏程序系統(tǒng)變量讀取Z軸坐標(biāo)值，并將當(dāng)前坐標(biāo)值賦給宏程序公共變量。以FANUC 0i系統(tǒng)為例，Z軸當(dāng)前位置坐標(biāo)值的系統(tǒng)變量為#5023，#2201～或#11001～為刀偏表中形狀H的系統(tǒng)變量，將ZΔ=Zn-Z0結(jié)果賦值給形狀H的系統(tǒng)變量，用以存儲(chǔ)長(zhǎng)度補(bǔ)償值；選擇公共變量#500～#999作為存儲(chǔ)刀具Z軸當(dāng)前位置坐標(biāo)，避免斷電時(shí)數(shù)據(jù)丟失而要重復(fù)操作[1-3]。

執(zhí)行程序時(shí)，要將操作面板上“單節(jié)”功能開(kāi)啟，當(dāng)?shù)毒哂|碰到對(duì)刀面發(fā)出聲光信號(hào)時(shí)，按“循環(huán)啟動(dòng)”執(zhí)行程序，對(duì)刀宏程序如下：

(選擇標(biāo)準(zhǔn)刀具觸碰到光電式Z軸設(shè)定器對(duì)刀面發(fā)出聲光信號(hào)時(shí)，單擊“循環(huán)啟動(dòng)”)

#1=1(1號(hào)刀設(shè)為標(biāo)刀)

#2=n(刀具總數(shù))

N10 #[500+#1]=#5023(讀取標(biāo)準(zhǔn)刀具當(dāng)前Z軸坐標(biāo)值)

N20 G53 G91G0 Z-(加工刀具觸碰對(duì)刀面后抬刀到一定高度，為換刀做準(zhǔn)備)

N30 M00(換上另一把加工刀具，并手動(dòng)方式控制刀具向下移動(dòng)觸碰光電式Z軸設(shè)定器對(duì)刀面至發(fā)出光電信號(hào)，單擊“循環(huán)啟動(dòng)”)

#1=#1+1

N40 #[500+#1]=#5023(讀取n號(hào)刀具的Z軸位置坐標(biāo)值)

N50 #[2200+#1]=#[500+#1]-#501 (計(jì)算兩把刀具的長(zhǎng)度差值，即長(zhǎng)度補(bǔ)償值，并存儲(chǔ)在刀偏表對(duì)應(yīng)刀具號(hào)的形狀h中。)

N60 IF[#1LE#2]GOTO20(若已對(duì)刀數(shù)小于刀具總數(shù)，返回到N20程序段抬刀后再重復(fù)執(zhí)行)

......

2 用G31指令實(shí)現(xiàn)Z軸全自動(dòng)對(duì)刀方法

2.1 G31指令功能

G31指令也稱(chēng)為跳轉(zhuǎn)功能指令[2]，通常用于測(cè)量功能。G31指令執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)跳轉(zhuǎn)信號(hào)即SKIP信號(hào)觸發(fā)時(shí)，在信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)位置清除剩余的運(yùn)動(dòng)量，從而控制刀具停止移動(dòng)，而當(dāng)SKIP信號(hào)沒(méi)有觸發(fā)時(shí)，G31指令功能與G01功能一樣。G31指令功能需要外部信號(hào)輸入來(lái)觸發(fā)SKIP功能，外部輸入信號(hào)接入地址為X4.7。

G31指令在SKIP信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)位置的坐標(biāo)存儲(chǔ)在#5061～#5064數(shù)控宏程序系統(tǒng)變量中，其中#5063為對(duì)應(yīng)Z軸的存儲(chǔ)地址，對(duì)刀時(shí)也可以通過(guò)#5063讀取信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)Z軸位置坐標(biāo)。

2.2 實(shí)現(xiàn)Z軸自動(dòng)對(duì)刀的原理

當(dāng)用光電式Z軸設(shè)定器半自動(dòng)對(duì)刀時(shí)，要手動(dòng)控制刀具觸碰Z軸設(shè)定器的對(duì)刀面發(fā)出聲光信號(hào)時(shí)刀具停止移動(dòng)。而要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)對(duì)刀，則必須使刀具往下移動(dòng)某個(gè)對(duì)刀位置點(diǎn)時(shí)要觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)使G31指令控制刀具停止移動(dòng)。

采用光電傳感器作為觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)的信號(hào)源，當(dāng)G31指令控制刀具向下移動(dòng)使光電傳感器發(fā)射端光源被遮擋時(shí)，光電傳感器的接收端就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，該信號(hào)作為外部輸入信號(hào)經(jīng)具有電隔離功能的固態(tài)繼電器后再接入跳轉(zhuǎn)信號(hào)接點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)信號(hào)在轉(zhuǎn)入PMC時(shí)，會(huì)同時(shí)高速跳轉(zhuǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，控制G31指令的執(zhí)行[2]，信號(hào)觸發(fā)示意圖如圖2所示。圖2中當(dāng)?shù)毒呦蛳乱苿?dòng)阻擋光束時(shí)，光電傳感器接收端輸入控制信號(hào)使跳轉(zhuǎn)信號(hào)跳轉(zhuǎn)，刀具停止在當(dāng)前位置，同時(shí)宏程序讀取Z軸當(dāng)前位置坐標(biāo)。

圖2 信號(hào)觸發(fā)示意圖

光電傳感器發(fā)射端和接收端的電氣接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 光電傳感器接線(xiàn)圖

2.3 對(duì)刀宏程序

與利用光電式Z軸設(shè)定器進(jìn)行Z軸半自動(dòng)對(duì)刀相比，全自動(dòng)進(jìn)行Z軸對(duì)刀，其對(duì)刀宏程序是用G31指令來(lái)控制刀具移動(dòng)，而不用M00程序停止方式來(lái)手動(dòng)移動(dòng)刀具向下運(yùn)動(dòng)。將半自動(dòng)對(duì)刀程序其中的手動(dòng)控制程序段進(jìn)行修改，則程序如下：

#1=1(1號(hào)刀設(shè)為標(biāo)刀)

#2=n(刀具總數(shù))

N10 G53 G91G0 Z-(加工刀具對(duì)完刀后抬刀到一定高度，為換刀做準(zhǔn)備)

N20 Z-(刀具下刀至對(duì)刀起始平面)

N30 G31 G91 Z-F100(從起始平面開(kāi)始以工進(jìn)速度下刀至對(duì)刀點(diǎn)，即圖1中光束點(diǎn)位置，觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)，控制刀具停止移動(dòng))

N40 #[500+#1]=#5063(讀取n號(hào)刀觸發(fā)點(diǎn)的Z軸位置坐標(biāo)值)

N50 #[2200+#1]=#[500+#1]-#501(計(jì)算當(dāng)前刀具與1號(hào)刀的長(zhǎng)度差值，即長(zhǎng)度補(bǔ)償值，并存儲(chǔ)在刀偏表對(duì)應(yīng)刀具號(hào)的形狀h中。)

#1=#1+1

N60 IF[#1LE#2]GOTO10(若已對(duì)刀數(shù)小于刀具總數(shù)，返回到N10程序段抬刀后再重復(fù)執(zhí)行)

......

對(duì)刀時(shí)為保證對(duì)刀精度，可以設(shè)置粗、精對(duì)刀操作，即第一次粗對(duì)刀后，再向上回退一定高度，后以較小的進(jìn)給速度向下移動(dòng)進(jìn)行第二次觸發(fā)，以減少刀具運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)對(duì)刀精度的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)控銑削加工中Z軸對(duì)刀是避免不了的，但僅僅采用傳統(tǒng)的手動(dòng)對(duì)刀方法不能提高對(duì)刀速度，在生產(chǎn)實(shí)踐中可以巧用Z軸設(shè)定器和宏程序來(lái)實(shí)現(xiàn)Z軸的半自動(dòng)對(duì)刀，自動(dòng)計(jì)算刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值并輸入到刀偏表中。另外根據(jù)Z軸全自動(dòng)對(duì)刀原理設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易Z軸對(duì)刀器，當(dāng)?shù)毒呦蛳乱苿?dòng)遮擋光電傳感器發(fā)射端的光束時(shí)觸發(fā)跳轉(zhuǎn)信號(hào)，G31指令控制刀具停止移動(dòng)來(lái)讀取觸發(fā)點(diǎn)的Z軸位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)Z軸的全自動(dòng)對(duì)刀，這種對(duì)刀快捷，且不需要手動(dòng)操作，省時(shí)省力。