姚國宏

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床刀具補(bǔ)償調(diào)整的意義

UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床的核心技術(shù)由西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)與S7-300PLC可編程控制系統(tǒng)組成，硬件部分主要由西門子驅(qū)動模塊控制西門子伺服電機(jī)按照程序運(yùn)動，來完成鏇修工作，通過絕對值編碼器的精準(zhǔn)位置反饋作用，來實現(xiàn)伺服電機(jī)運(yùn)動過程中的閉環(huán)管理。UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床的優(yōu)點是車輛輪對在不落輪的情況下，對單個輪對進(jìn)行鏇修加工，同樣對已落輪的單個轉(zhuǎn)向架或單個輪對，也可以實現(xiàn)鏇修加工作業(yè)，而且可以根據(jù)各種不同的車型來選擇不同的鏇修方式，不管是電動客車還是工程車，都可以達(dá)到輪對鏇修加工的目的，實現(xiàn)了多種工況下的鏇修工作，也實現(xiàn)了一臺鏇床能夠鏇修多種車輛輪對的目的，降低了鏇修成本，對保證車輛運(yùn)行的安全性與舒適性都有著特別重要的意義。

在鏇修作業(yè)過程中，刀具按照程序設(shè)定的廓形進(jìn)行鏇修，如果鏇床的鏇修精度與測量精度符合要求，則鏇修后車輪尺寸也符合標(biāo)準(zhǔn)，如果鏇床的坐標(biāo)精度或刀具補(bǔ)償發(fā)生了改變，那么鏇床的精度也就隨之發(fā)生了變化，導(dǎo)致鏇修加工后的車輪尺寸不符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。為了保證鏇修后車輪的尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)，對鏇床的精度與刀具補(bǔ)償?shù)木纫笠簿吞貏e高，必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定期對鏇床的精度與刀具補(bǔ)償精度進(jìn)行校驗。如果發(fā)現(xiàn)鏇床的精度不符合要求時，必須對鏇床的坐標(biāo)軸與各軸的絕對值編碼器進(jìn)行零點標(biāo)定，坐標(biāo)零點標(biāo)定完畢后需進(jìn)一步對刀具補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整并驗證[1]。

2 UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床刀具的作用及運(yùn)動坐標(biāo)

UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床的刀具由立刀（T201、T301）與橫刀（T202、T302）組成，立刀負(fù)責(zé)鏇修車輪踏面及輪緣外側(cè)面，橫刀負(fù)責(zé)鏇修車輪的輪緣頂點與輪緣內(nèi)側(cè)面。其作用是對車輪踏面與車輪輪緣進(jìn)行鏇修加工，加工后使得車輪直徑、輪緣高度、輪緣厚度、徑向跳動、踏面擦傷剝離、QR（Quick Response）值、同車車輪直徑差，同轉(zhuǎn)向架車輪直徑差，同一輪對車輪直徑差都符合要求的尺寸標(biāo)準(zhǔn)[2]。

UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床的刀具安裝于X1軸與X2軸上，在鏇床上定義垂直方向的坐標(biāo)為X，水平方向的坐標(biāo)為Z，刀具有4個運(yùn)動方向，分別為X（+）、X（-）、Z（+）、Z（-），X軸垂直向下的方向定義為X（+），垂直向上的方向定義為X（-），Z軸沿輪緣外側(cè)的方向定義為Z（+），沿輪緣內(nèi)側(cè)的方向定義為Z（-），刀具在X軸與Z軸組成的二維平面內(nèi)運(yùn)動（如圖1所示）。

圖1 數(shù)控不落輪鏇床刀架系統(tǒng)坐標(biāo)

X軸的垂直運(yùn)動與水平運(yùn)動都由伺服電機(jī)驅(qū)動，它的控制性能高，動態(tài)特性強(qiáng)，具有很大的調(diào)速范圍與位置控制精度，在伺服電機(jī)同軸安裝有位置反饋的絕對值編碼器，絕對值編碼器能夠讀取碼盤上的位置編碼來識別軸當(dāng)前所處在的空間位置，能夠同步反饋伺服電機(jī)的運(yùn)動情況與位置信息，來保證刀具加工時的精度[3]。

3 調(diào)整刀具補(bǔ)償?shù)脑蚍治?/h2>

由于UGL-30/CNC型數(shù)控不落輪鏇床在鏇修程序編寫時，兩組立刀與橫刀的刀位點都是按照LM型車輪踏面尺廓進(jìn)行編寫的，在編寫刀具的運(yùn)動軌跡程序時，無法考慮到不同尺寸刀具的刀位點，所以出現(xiàn)以下情況時就要通過調(diào)整相應(yīng)的刀具補(bǔ)償來控制鏇修精度。

3.1 鏇床程序零點丟失或機(jī)械零點發(fā)生變化

由于鏇床軟件故障或數(shù)據(jù)丟失造成的程序零點改變，鏇床固定位置發(fā)生變化后機(jī)械零點改變時，刀具補(bǔ)償也隨之發(fā)生改變，所以對程序零點與機(jī)械零點重新標(biāo)定后，要對刀具補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整。

3.2 鏇修后車輪尺寸實際值與目標(biāo)值存在偏差

鏇修后測量的車輪尺寸數(shù)據(jù)與目標(biāo)值相對比，偏差超過允許范圍，主要有車輪直徑、輪緣厚度值、輪緣高度值及輪緣頂點廓形不符合要求時，就要對刀具補(bǔ)償量進(jìn)行調(diào)整。

3.3 刀具尺寸的差異或刀具磨損過度

由于刀具生產(chǎn)批次或廠家的不同，所制造的刀具幾何尺寸不可能完全相同，還有刀具在加工過程中的磨損是不可避免的，這些因素都會導(dǎo)致刀具的尺寸發(fā)生變化，刀具的幾何尺寸發(fā)生變化后，與程序中編寫的刀具尺寸不符，加工完的車輪尺寸也會隨之發(fā)生變化，影響鏇修精度[4]。

綜合以上3種情況，由于鏇床的加工程序編寫后是固定不變的，如果通過改變程序來匹配不同尺寸的刀具，從工作強(qiáng)度與時間上都存在很大的困難，所以只能通過改變刀具的補(bǔ)償量來與鏇修程序相匹配，這樣就可以避免因刀具尺寸與位置變化帶來的加工缺陷。

4 數(shù)控不落輪鏇床各軸零點標(biāo)定及注意事項

刀具補(bǔ)償調(diào)整前必須先確定刀具驅(qū)動軸（X軸）與測量軸（U軸）的零點位置，通過以下方式對X軸與U軸零點進(jìn)行標(biāo)定（如圖2所示）。

圖2 數(shù)控不落輪鏇床X軸、U軸零點標(biāo)定示意圖

4.1 數(shù)控不落輪鏇床刀具驅(qū)動軸的零點標(biāo)定

（1）拆下X1軸與X2軸機(jī)加工刀架及襯套，將平尺搭放在鏇床固定軌道的上平面，固定軌道的上平面作為零點位置的參考面要求絕對水平，將框式水平儀（水平儀精度0.02 mm/m）放置于平尺上方，測量固定軌道的水平情況，如果固定軌道上平面的水平度不符合要求，就要對鏇床的固定軌道位置進(jìn)行調(diào)整，直到固定軌道的水平度達(dá)到0.02 mm/m為止。

（2）在JOG模式下將X1軸運(yùn)行至平尺下端面，緩慢向上移動X1軸，在X1軸快要與平尺下端面接觸時，使用0.05 mm厚的塞尺測量X1軸與平尺下端面之間的間隙，當(dāng)測量的間隙值正好為0.05 mm時取出塞尺，再將X1軸向上移動0.05 mm且不能破壞平尺的水平狀態(tài)，此時X1軸所處的位置便是機(jī)械零點位置[5]。

（3）X1軸的機(jī)械零點位置確定后，就要對其零點坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。在HMI終端的調(diào)試界面中找到機(jī)床數(shù)據(jù)（AX1:X1）并設(shè)置X1軸坐標(biāo)的NC數(shù)據(jù)，在X1軸頁面搜索34100代碼，將MD34100[0]數(shù)值設(shè)置為0，按復(fù)位鍵數(shù)據(jù)生效，MD34100設(shè)置的參考點位置即為X1軸的零點坐標(biāo)位置。

（4）X1軸的零點標(biāo)定完成后繼續(xù)標(biāo)定X2軸的零點，標(biāo)定方法與X1軸相同。

4.2 數(shù)控不落輪鏇床測量軸零點標(biāo)定

（1）拆下U1軸與U2軸的測量探頭，只保留探頭支架，在MDA模式下執(zhí)行G53 X0 G0 G90 M30指令，將X軸快速移動到零點位置后，將平尺搭放在X1與X2軸上方，以X軸的零點為參考點來標(biāo)定U軸的零點位置。

（2）在U1軸測量探頭座上方設(shè)置高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)墊塊，在JOG模式下移動U1軸直到標(biāo)準(zhǔn)墊塊與平尺即將接觸時，使用0.05 mm厚的塞尺測量標(biāo)準(zhǔn)墊塊與平尺之間的間隙，同時邊向上移動U1軸邊測量，塞尺剛好通過標(biāo)準(zhǔn)墊塊與平尺之間的間隙時取出塞尺，再將U1軸向上移動0.05 mm且不能破壞平尺的水平狀態(tài)，此時U1軸機(jī)械零點位置已確定。

（3）U1軸的機(jī)械零點位置確定后，就要對其零點坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法與X軸的基本相同，需要特別注意的是U1軸標(biāo)定時使用了100 mm高的標(biāo)準(zhǔn)墊塊，MD34100[0]的值應(yīng)設(shè)置為100。

（4）U1軸的零點標(biāo)定完成后繼續(xù)標(biāo)定U2軸的零點，標(biāo)定方法與U1軸完全相同。

（5）U軸零點標(biāo)定完畢后，安裝測量探頭，安裝完畢后要對測量探頭的精度進(jìn)行校驗，將磁吸式百分表固定在測量探頭處，分別向上移動U1軸與U2軸，使測量探頭緩慢靠近百分表，直到測量探頭與百分表輕輕接觸時停止移動，此時便可以通過Z軸的橫向移動來檢查測量探頭的精度了，如果橫向移動時百分表的指針擺動過大，說明測量探頭精度不符合要求，需對測量探頭的位置進(jìn)行調(diào)整，直到百分表的指針擺動范圍在0.05 mm以內(nèi)時，測量探頭的精度校驗完畢，調(diào)整時必須注意要微調(diào)，如果用力過大，不但達(dá)不到調(diào)整的效果，反而還會損壞測量探頭。

4.3 數(shù)控不落輪鏇床各軸絕對值編碼器零點標(biāo)定

X軸與U軸的零點確定后，分別對其絕對值編碼器的零點進(jìn)行標(biāo)定。

（1）首先對X1軸絕對值編碼器零點進(jìn)行標(biāo)定，在機(jī)床數(shù)據(jù)搜索欄搜索34210程序代碼，將34210[0]數(shù)值2更改為1，使絕對值編碼器進(jìn)入到標(biāo)定狀態(tài)，開始標(biāo)定X1軸絕對值編碼器，加載X1軸的進(jìn)給使能，進(jìn)給倍率設(shè)為零，在數(shù)控單元鍵盤上按下JOG和REF.POINT（機(jī)床參考點零檢索鍵），同時按下X1（軸+）方向鍵，這時DM34210數(shù)值將由1自動變?yōu)?，X1軸絕對值編碼器零點標(biāo)定完成[6]。

（2）X1軸絕對值編碼器零點標(biāo)定完成后，按順序依次標(biāo)定X2、U1、U2軸的絕對值編碼器零點，標(biāo)定方法與X1軸相同。

5 刀具補(bǔ)償調(diào)整方法分析

調(diào)整刀具補(bǔ)償前，首先使用鏇床對試鏇輪進(jìn)行鏇修加工，加工后須按順序檢查車輪直徑、輪緣厚度值、輪緣高度值是否滿足尺寸標(biāo)準(zhǔn)，并使用LM型輪對樣板尺檢查輪緣尺廓，通過檢查分析出輪緣尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)的位置，并對相對應(yīng)的刀具補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時須按順序進(jìn)行。

5.1 立刀刀具補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法

立刀刀具補(bǔ)償調(diào)整時，首先沿X軸方向調(diào)整，然后沿Z軸方向調(diào)整（如圖3所示）。

圖3 立刀刀具補(bǔ)償調(diào)整示意圖

（1）立刀沿X軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時，首先查看粗加工后的測量數(shù)據(jù)，對比車輪的實際直徑與目標(biāo)直徑，如果兩者的值很接近，則精加工后實際直徑就會小于目標(biāo)直徑，此時需要將T201（T301）刀具沿X軸正向X（+）調(diào)整刀具補(bǔ)償；如果兩者的差值較大，則精加工后實際直徑就會大于目標(biāo)直徑，此時則需要沿X軸負(fù)向X（-）調(diào)整刀具補(bǔ)償。精加工完畢后繼續(xù)檢查測量數(shù)據(jù)，如果實際直徑仍然小于（大于）目標(biāo)直徑時，還需繼續(xù)調(diào)整沿X方向的刀具補(bǔ)償[7]。

（2）立刀沿Z軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時，需精加工完畢并對車輪尺寸進(jìn)行測量，對比實際輪緣厚度與目標(biāo)輪緣厚度，如果實際輪緣厚度小于目標(biāo)輪緣厚度，使用標(biāo)準(zhǔn)樣板尺檢查輪對廓形，確定是因輪緣外側(cè)鏇修過度導(dǎo)致輪緣厚度偏小時，需要將T201（T301）刀具沿Z軸正向Z（+）調(diào)整刀具補(bǔ)償；相反確定是因輪緣外側(cè)鏇修量不足導(dǎo)致輪緣厚度偏大時，需要沿Z軸負(fù)向Z（-）調(diào)整刀具補(bǔ)償。

5.2 橫刀刀具補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法

橫刀刀具補(bǔ)償調(diào)整前需精加工完畢并對車輪尺寸進(jìn)行測量，使用標(biāo)準(zhǔn)樣板尺檢查輪對廓形，首先沿X軸方向調(diào)整，然后沿Z軸方向調(diào)整（如圖4所示）。

圖4 橫刀刀具補(bǔ)償調(diào)整示意圖

（1）橫刀沿X軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時，如果輪緣頂點沿輪緣內(nèi)側(cè)方向出現(xiàn)凹入現(xiàn)象，是因橫刀沿X軸的鏇修量過度引起，需要將刀具T202（T302）沿X軸正向X（+）調(diào)整刀具補(bǔ)償；相反如果輪緣頂點沿輪緣內(nèi)側(cè)方向出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，則是因橫刀沿X軸的鏇修量不足引起，需要沿X軸負(fù)向X（-）調(diào)整刀具補(bǔ)償。

（2）橫刀沿Z軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時，使用標(biāo)準(zhǔn)樣板尺檢查輪緣內(nèi)側(cè)面，如果樣板尺與輪緣內(nèi)側(cè)面之間存在間隙，是因橫刀沿Z軸的鏇修量過度引起，需要將T202（T302）刀具沿Z軸負(fù)向Z（-）調(diào)整刀具補(bǔ)償；相反則需要沿Z軸正向Z（+）調(diào)整刀具補(bǔ)償。

6 刀具補(bǔ)償調(diào)整時補(bǔ)償量的范圍控制

立刀沿X軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時決定車輪直徑的精度，調(diào)整的補(bǔ)償量是指實際鏇修減少或增加的切屑量，補(bǔ)償量的2倍則為鏇修后減少或增加的直徑值。粗加工完畢后先進(jìn)行一次調(diào)整，精加工后繼續(xù)測量直徑偏差，如果直徑偏差超過允許范圍時，還需繼續(xù)調(diào)整，調(diào)整的補(bǔ)償量為實際直徑與目標(biāo)直徑差值的二分之一。

立刀沿Z軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時決定輪緣外側(cè)面的切屑量，切屑量的大小直接影響輪緣厚度，調(diào)整刀具補(bǔ)償時需要特別注意補(bǔ)償量的大小控制。如果調(diào)整補(bǔ)償量過大，加工完畢后會出現(xiàn)輪緣厚度值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差過大的情況，造成輪緣偏薄，再次恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的輪緣厚度值時，車輪直徑方向就要加大切屑深度，直徑方向每損耗約4 mm，輪緣厚度才能增加1 mm，所以為避免造成車輪直徑不可挽回的損失，在調(diào)整立刀沿Z軸方向的刀具補(bǔ)償時，調(diào)整的補(bǔ)償量一次要控制在0.5 mm的范圍內(nèi)，實際值與目標(biāo)值偏差較小時，調(diào)整的補(bǔ)償量控制在0.01 mm的范圍內(nèi)，須經(jīng)過多次調(diào)整才能將實際值與目標(biāo)值調(diào)整至正常范圍，切勿盲目追求調(diào)整速度，避免造成不必要的損失[8]。

橫刀沿X軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時決定車輪輪緣頂點加工精度，當(dāng)?shù)毒哐a(bǔ)償量不符合要求時，就會出現(xiàn)輪緣頂點靠近輪緣內(nèi)側(cè)的方向出現(xiàn)凹入或凸起的情況，直接影響著輪緣高度值。橫刀沿Z軸方向調(diào)整刀具補(bǔ)償時決定輪緣內(nèi)側(cè)面的加工精度，當(dāng)?shù)毒哐a(bǔ)償量不符合要求時，除影響輪緣厚度值，還會造成輪緣內(nèi)側(cè)切屑過度的危險情況，如果輪緣內(nèi)側(cè)切屑過度，將會導(dǎo)致車輪使用壽命減短甚至報廢的情況。所以出現(xiàn)以上情況調(diào)整刀具補(bǔ)償時，更需要特別注意補(bǔ)償量的控制，調(diào)整的補(bǔ)償量一次也要控制在0.5 mm的范圍內(nèi)，實際值與目標(biāo)值偏差較小時，需要將調(diào)整的補(bǔ)償量控制在0.01 mm左右的范圍內(nèi)，必須經(jīng)過多次調(diào)整確認(rèn)才能將實際值與目標(biāo)值調(diào)整至正常范圍。