黃　規(guī)

一種三爪固定式光電尋邊器的設(shè)計

黃規(guī)

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545006）

尋邊器是數(shù)控銑床上必備的輔助定位工具，用于確定機床XY坐標系的零件原點。設(shè)計一種三爪固定式光電尋邊器，由兩個固定爪和一個活動彈簧推力卡爪組成，卡爪將探頭固定在中心，保持與尋邊器同心。探頭采用圓柱形設(shè)計，尺寸小，適用性廣，在發(fā)生過行程時，探頭在彈簧推力卡爪的作用下可以發(fā)生偏移，有效保護探頭，具有很好的耐用性和持久性。

尋邊器；三爪固定；推力彈簧；數(shù)控銑床

引言

尋邊器是數(shù)控銑床上必備的輔助定位工具，用于確定機床XY坐標系的零件原點。尋便器定位是數(shù)控機床加工前的一項準備工作，目前市面上有機械式尋邊器和光電式尋邊器。傳統(tǒng)的機械和光電式尋邊器均存現(xiàn)一些不足，針對這些問題，本文設(shè)計了一種三爪固定式尋邊器，采用兩個固定接觸面和一個活動接觸面固定中間的對刀探頭，探頭的設(shè)計形狀為圓柱體，尺寸可做得更小，相對于球形的點接觸，圓柱形為線接觸，觀察更為直觀。

1 機械尋邊器

機械式尋邊器主要有錯位和直桿接觸兩種[1]，機械偏心錯位式尋邊器如圖1所示用得比較多，偏心錯位式尋邊器接觸位置有上下兩個部分組成，上端位置較粗，直徑通常為10 mm，下端較細直徑為4 mm，根據(jù)尋邊零件的結(jié)構(gòu)和大小不同而選擇不同的接觸位置，目前直徑在4 mm的設(shè)計方案基本上滿足90%以上的數(shù)控加工零件的尋邊。在使用時，安裝偏心錯位式尋邊器，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定在400 RPM～600 RPM的轉(zhuǎn)速，通過尋邊器接觸位置與零件觸碰，產(chǎn)生0.5 mm的偏心，觀察較為直觀，定位精度可以達到0.02 mm，可基本上滿足定位的要求。缺點是長時間使用滑動端面有微灰和異物吸附在上面，內(nèi)部彈簧的彈力失效，導(dǎo)致偏心錯位反應(yīng)不靈敏，出現(xiàn)動作滯后現(xiàn)象，這會導(dǎo)致坐標定位的不準確，出現(xiàn)定位誤差，造成零件整體加工的錯位，影響零件加工質(zhì)量[2]。機械直桿接觸式尋邊器就不用開啟主軸轉(zhuǎn)速，直接安裝在數(shù)控銑床主軸上，用直桿下端的圓周接觸面與零件側(cè)面直接接觸，尋邊對刀直觀，便于觀察，不會擔心灰塵影響對刀精度，且造價便宜。缺點是要求尋邊操作人員具備很高的操作水平，確保在移動過程中精確的定位，以免造成直桿接觸式尋邊器與零件的過定位造成尋邊器的彎曲變形，且不容易捕捉接觸的一瞬間，因此市面上很少使用直桿接觸式尋邊器。

圖1 機械偏心錯位式尋邊器

2 光電式尋電器

機械式尋邊器不同，光電式尋邊器是通過聲光來確定與零件是否接觸，相對于偏心錯位式機械尋邊器，光電式尋邊器的反應(yīng)更為靈敏，觀察更直觀，耐久性更好，即便是初學(xué)者也很容易掌握。但市面上的傳統(tǒng)光電尋邊器也存在一些不足，首先是體積大，大多數(shù)的傳統(tǒng)光電尋邊器體積較大，體積大的原因之一就是便于制造，體積越小，制造難度越大，但較大的體積會給操作帶來不便。其次是前端的球頭過大（通常為Φ10 mm）如圖2所示，對于模具類零件上，很多是以內(nèi)圓孔作為基準定位，如果基準內(nèi)孔尺寸較小，尋邊器上的球頭就放不進去，即便艱難的放進去也會存在尋邊器在Z軸移動的過程中，容易與零件發(fā)生碰撞的危險，增加了很多的不確定危險因素。最后是傳統(tǒng)的光電尋邊器前端是球形狀，在對刀時如果產(chǎn)生過定位，球形在后面彈簧的作用下可以發(fā)生偏移，起到保護作用。但是反復(fù)的偏移回位，鐵屑和灰塵容易進入內(nèi)部，導(dǎo)致回位發(fā)生偏移產(chǎn)生誤差，影響定位精度[3,4]。

圖2 傳統(tǒng)光電尋邊器

2 三爪固定式光電尋邊器的主體框架及工作原理

2.1 尋邊器的主體框架

三爪固定式光電尋邊器如圖3所示，由電池端蓋、尋邊器金屬主體、電阻、指示燈、彈簧擋板、橡膠密封圈、絕緣體、探頭、卡爪推塊、推力彈簧、拉伸彈簧、螺栓、透光孔、電源線、電池、彈簧組成。

電池端蓋與尋邊器金屬主體尾端采用螺紋配合，電池端蓋內(nèi)部安裝有彈簧，用來固定電池負極。電池的正極部分通過電源線連接到電阻的一端，電阻的另外一端通過電源線連接指示燈的正極連接。指示燈的負極通過電源線，直接連接在尋邊探頭的絕緣體前端。探頭上鑲嵌有絕緣體，分別把探頭分割成兩部分，兩端之間絕緣且不導(dǎo)電。探頭與尋邊器金屬主體之間采用拉伸彈簧連接，在尋邊器主體內(nèi)部與拉伸彈簧接觸處，放置有彈簧擋板，用來限制和固定拉伸彈簧的作用。

在尋邊器主體前端處采用三爪式固定探頭，其中兩爪圓弧處為固定端，內(nèi)圓弧與探頭外圓配合，且同軸心線。另外一處卡爪推塊為活動端，卡爪推塊中間安裝有推力彈簧，如圖3所示，卡爪推塊受到推力彈簧的外力作用頂住探頭外圓處，使探頭的外圓弧面緊貼著尋邊器主體的內(nèi)圓弧面。

1.電池端蓋 2.尋邊器金屬主體 3.電阻 4.指示燈 5.彈簧擋板 6. 橡膠密封圈 7.絕緣體 8.探頭 9.卡爪推塊 10.推力彈簧 11.拉伸彈簧 12.螺栓 13.透光孔 14.電源線 15.電池 16.彈簧

2.2 尋邊器的工作原理

三爪固定式光電尋邊器的發(fā)光工作原理是：指示燈的正極電源線經(jīng)過電阻，與電池的正極相連接，指示燈的負極通過電源線直接連接到探頭絕緣體另外一側(cè)的金屬圓柱體上。電池的負極通過電池端蓋與尋邊器金屬主體連接在一起，與指示燈的負極保持斷開狀態(tài)。將尋邊器金屬主體安裝的數(shù)控銑床刀柄的刀夾，并裝入機床主軸。使用時，主軸保持靜止狀態(tài)，調(diào)節(jié)機床主軸上下移動高度，使尋邊器上的探頭高度位置與尋邊的零件對刀基準面位置高度一致[5]。緩慢移動尋邊器金屬主體使探頭，使其在與零件基準面接觸的一瞬間如圖4所示，尋邊器上的指示燈點亮，由于機床采用金屬制成，具有導(dǎo)電性，這時指示燈的負極經(jīng)過探頭與機床連接，并連接到尋邊器金屬主體上，與電池的負極相連接，產(chǎn)生回路，此時立刻停止移動，紀錄該點坐標值，并輸入機床G54坐標系。

圖4 三爪固定式光電尋邊器觸碰示意圖

圖5 三爪固定式光電尋邊器尋邊過行程圖

3 主要結(jié)構(gòu)的功能及解決的關(guān)鍵技術(shù)點

3.1 尋邊器的行程保護

三爪固定式光電尋邊器過行程保護如圖5所示，在尋邊器探頭接觸零件基準面后，還繼續(xù)移動并產(chǎn)生過行程時，探頭尾端擠壓卡爪推塊在推力彈簧的作用下向里收縮，使整個探頭傾斜，起到保護尋邊器的作用。

3.2 探頭處絕緣設(shè)計

三爪固定式光電尋邊器采用外循環(huán)回路設(shè)計方案，即采用指示燈的負極通過導(dǎo)線經(jīng)過尋邊器金屬主體，導(dǎo)線外有絕緣膠，導(dǎo)線內(nèi)的導(dǎo)體不與尋邊器金屬主體接觸，導(dǎo)線穿過絕緣體中間孔，導(dǎo)線內(nèi)的金屬導(dǎo)體與探頭接觸。指示燈的正極通過導(dǎo)線與電阻連接，電阻通過導(dǎo)線與電池正極連接，導(dǎo)線中途不與尋邊器金屬主體連接。電池的負極與尋邊器金屬主體直接連接。在探頭接觸被加工零件時，由于機床本體是金屬，具有導(dǎo)電性，因此探頭連接被加工零件和數(shù)控銑床，連接到尋邊器金屬主體，并與電池負極連接，形成回路，指示燈亮。傳統(tǒng)的光電尋邊器將絕緣體設(shè)計在尋邊器金屬主體上，如果在安裝夾頭時安裝過深，會直接導(dǎo)致光電尋邊器形成回路。因此在探頭上放置絕緣體，比傳統(tǒng)的光電尋便器設(shè)計在尋邊器金屬主體要合理。

3.3 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

擬解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）采用內(nèi)置紐扣電池的設(shè)計方案，可使整個尋邊器的體積更小。

（2）探頭采用圓柱形狀設(shè)計，尋邊器主體最小直徑可設(shè)計為10 mm，方便攜帶。

（3）三爪固定探頭的設(shè)計方案，可使探頭與尋邊器主體保持同軸心線。

（4）三爪的卡爪推塊在推力彈簧的助力下固定，探頭接觸零件產(chǎn)生超行程時，可起到保護的作用。

4 設(shè)計的驗證

三爪固定式光電尋邊器在數(shù)控機床導(dǎo)軌上的使用如圖6所示，平口鉗裝夾的是長方形零件，4條邊均為精基準，要求G54坐標在零件的對稱中心位置。長方形零件在平口鉗上夾緊后，下一步安裝三爪固定式光電尋邊器尋邊，在長方形的4條邊上任意去1條邊作為起始邊，文中取X軸的正方向作為起始邊。將三爪固定式光電尋邊器探頭8移動至X軸的正方向，緩慢靠近零件側(cè)邊，當接觸的一瞬間，三爪固定式光電尋邊器發(fā)光，這時在機床坐標系上記下該坐標值。然后將三爪固定式光電尋邊器移動至X軸的負方向，緩慢地靠近零件的側(cè)邊，當接觸的一瞬間，尋邊器發(fā)光，記下該點坐標值，將X軸兩個方向的坐標值累加除以2，得到零件上X軸的對稱中心點位置，并輸入機床G54中的X軸坐標，完成X軸尋邊。同理，將將三爪固定式光電尋邊器探頭移動至Y軸的正方向，接觸的一瞬間，三爪固定式光電尋邊器發(fā)光，記下該點坐標值。再將三爪固定式光電尋邊器移動至Y軸的負方向，當接觸的一瞬間，尋邊器發(fā)光，記下該點坐標值，將Y軸兩個方向的坐標值累加除以2，得到零件上Y軸的對稱中心點位置，并輸入機床G54中的Y軸坐標，完成Y軸尋邊，整個零件的XY坐標尋邊完成。

圖6 三爪固定式光電尋邊器在工作臺上的尋邊

5 三爪固定式光電尋邊器的擴展模型

（1）擴展光電尋邊器模型結(jié)構(gòu)，相對于三爪定式光電尋邊器外觀形狀做了局部的改變，采用對刀桿尾部斜邊設(shè)計形式，如圖7所示，圖中電池后蓋1的內(nèi)圈有內(nèi)螺紋，與尋邊器本體尾端的外螺紋嚙合。電池后蓋1的內(nèi)底部鑲嵌有電池后蓋擋圈，電池后蓋擋圈中間嵌入后蓋內(nèi)彈簧。當電池后蓋旋進尋邊器本體時，電池后蓋內(nèi)部的后蓋內(nèi)彈簧與電池3的負極相接觸。電池的正極緊貼電池正極擋圈，正極擋圈中間部分導(dǎo)電線與電容連接，同時導(dǎo)電線經(jīng)過電容連接到發(fā)光體的正極，發(fā)光體的負極與彈簧調(diào)節(jié)螺母連接。

前擋圈與彈簧連接，起到固定端面的作用，彈簧的另外一端連接彈簧調(diào)節(jié)螺母，彈簧調(diào)節(jié)螺母可以通過螺紋旋鈕調(diào)節(jié)彈簧的松緊，起到拉伸對刀桿與尋邊器本體前端接觸面貼合的作用。對刀桿尾端的內(nèi)錐面與尋邊器本體外錐面貼合，起到導(dǎo)向作用，由于錐面是錐面，貼合后對刀桿與尋邊器本體保持同軸線。對刀桿的尾部端面與調(diào)節(jié)墊圈貼合，調(diào)節(jié)墊圈與尋邊器本體的前端采用螺紋連接，通過調(diào)節(jié)墊圈旋鈕，與對刀桿尾部端面剛好接觸，不影響對刀桿尾端的內(nèi)錐面與尋邊器本體外錐面貼合。

1.電池后蓋 2.后蓋內(nèi)彈簧3.電池 4.電容 5.絕緣體 6.前擋圈 7.彈簧 8.彈簧調(diào)節(jié)螺母 9.電池后蓋擋圈 10.尋邊器本體 11.電池正極擋圈 12.電源線 13.發(fā)光體 14.透光孔 15.調(diào)節(jié)墊圈 16.對刀桿

（2）擴展光電尋邊器模型實施方式，便攜式外循環(huán)光電尋邊器如圖8、圖9所示，尋邊器上的絕緣體將尋邊器本體分割為兩部分，電池的正極直接與發(fā)光體的正極相連接，并嵌入尋邊器本體內(nèi)部。電池負極經(jīng)過電池后蓋連接到尋邊器本體的尾端夾持部位。發(fā)光體負極通過導(dǎo)電線與彈簧調(diào)節(jié)螺母相連并與對刀桿、尋邊器主體等（絕緣體的前端的零件）相連，形成發(fā)光體的負極區(qū)域。

圖8 尋邊示意圖 圖9 尋邊過行程示意圖

擴展光電尋邊器模型在使用時，將尋邊器的主體10裝入數(shù)控銑床刀柄內(nèi)，并安裝到機床上。使用便攜式外循環(huán)光電尋邊器上的對刀桿16接觸所要尋邊的零件外側(cè)邊緣處，當對刀桿16接觸零件邊緣處的一瞬間時，發(fā)光體13的負極經(jīng)過導(dǎo)電線與連接的對刀桿16傳入機床上，由于機床本身是具有導(dǎo)電性，因此經(jīng)過機床連接到安裝刀柄處，此時整個尋邊器形成回路，發(fā)光體13發(fā)出亮光，表示已經(jīng)接觸零件側(cè)面，此刻的瞬間接觸部位即為當前尋邊點處，完成一個端面的對刀操作。

擴展光電尋邊器模型在使用過程中，當操作員移動尋邊器超過行程時，對刀桿16的底面與調(diào)節(jié)圈15接觸，彈簧向外拉伸，并轉(zhuǎn)動一個角度如圖3所示，不會對尋邊器造成損傷。當過行程返回時，由于彈簧的拉力作用，將對刀桿16尾部錐面與尋邊器本體10前端椎體完全貼合，兩錐面貼合后實現(xiàn)同軸線。

6 結(jié)束語

數(shù)控銑床的使用逐漸普及，加工水平也有了很大提高。但目前現(xiàn)階段的數(shù)控銑床加工輔助工具的更新迭代還是比較緩慢，這極大影響產(chǎn)品的加工效率。本文設(shè)計的三爪固定式光電尋邊器采用三個爪固定探頭，兩個固定爪，一個活動彈簧推力卡爪，將探頭固定在圓弧中心，這樣可以保證探頭與整個尋邊器同心，且在過行程的時候起到保護的作用，探頭小，尋邊靈活，解決了傳統(tǒng)光電尋邊器的一些不足，為光電尋邊器的普及提供了新思路。

[1]魏勝. 自供電式光電尋邊器的設(shè)計與研究[J]. 機械與電子，2019，37(6):42-45.

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[4]劉峰，朱和軍，徐歡，等. 一種數(shù)控銑削加工快速對刀方式的研究與實踐[J]. 機械工程師，2017(6): 144.

[5]韋江波，王大紅，楊南，等. 三爪固定式光電尋邊器: 中國，209598823U[P]. 2019-11-8.

Design of a Three Claw Fixed Photoelectric Edge Finder

Edge finder is a necessary auxiliary positioning tool on CNC milling machine, which is used to determine the origin of parts in XY coordinate system of machine tool. A three claw fixed photoelectric edge finder is designed, which is composed of two fixed claws and a movable spring thrust claw. The claw fixes the probe in the center and keeps concentric with the edge finder. The probe adopts cylindrical design, with small size and wide applicability. In case of over travel, the probe can shift under the action of spring thrust claw, which effectively protects the probe and has good durability.

edge finder; three claw fixation; thrust spring; CNC milling machine

TG659

A

1008-1151(2022)07-0033-04

2022-03-25

2020年校級科研課題項目“數(shù)控銑床生產(chǎn)線柔性化夾具設(shè)計研發(fā)”（2020KA05）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“數(shù)控銑床專用柔性夾具設(shè)計研發(fā)”（2022KY1050）。

黃規(guī)（1982－），男（壯族），廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理工程師，研究方向為機械設(shè)計與制造、模具設(shè)計與制造。