4种加工中心对刀方案设计绝无仅有.doc

6．8 加工中心Z向对刀方案设计
6．8．1机床、刀具、工件的位置点及Z向对刀问题

图6-8-1 立式加中心回零时的Z向高度各点
执行加工程序控制机床对工件加工前，一个重要的前提是在机床的坐标系里，明确机床、工件和刀具所组成的加工系统中相互位置，以便数控系统掌握足够的信息，正确地理解人的加工意图，从而代替人准确地控制加工运动。
如图6-8-1，以某立式加中心机床为例，该机床设计机床参考点R与机床零点M重合，各轴回正向极限时找到机床零点，回零时，位于主轴孔端面中心的刀具参考点F亦与R、M重合，且刀具参考点与刀位点同在回转主轴中心线上，那么，刀位点X、Y向的位置与刀具参考点重合，但Z向位置不重合，可见，回零操作不能让CNC直接测量到刀位点的Z向位置。因此，机床零点、工件零点、刀位点在Z向（刀长方向）位置需要用别的方法来确定。
6．8．2 机床、刀具、工件在Z方向相对位置值及寄存
1．加工系统中Z向相对位置尺寸

图6-8-2加工中心回零后，Z向四个尺寸
如图6-8-2所示，某立式加工中心机床中，回零后，主轴端面中心（刀具参考点）正位于机床原点位置，这是Z轴正向行程的限位开关位置，也是所有加工中心实现自动换刀所在的位置。此时，切削刀具、工件上表面以及工件高度在Z轴方向的位置关系如图2所示，Z轴方向共有a、b、c、d、e五个尺寸。
尺寸a——回零时，主轴端面中心到工作台的最大距离，是机床生产厂家确定已知值，也是b、c、d三个尺寸的总和。
尺寸b——主轴端面中心和刀位点之间的距离。对于标准化数控刀具，可通过机外对刀仪精确测量得到这一尺寸。
尺寸c——刀具刀位点到工件零点 (ZWO)之间的距离。在刀具装上主轴和工件定位装夹后，通过机内对刀测量得到，反映刀具与工件间的最大Z向相对位置值。
尺寸d——工件相对工作台的高度(工作台上表面和工件ZWO之间的距离)。在工件定位装夹后，操作工可通过手动操作机床测量得到的。
尺寸e——工件ZWO相对机床零点的高度距离，a=d+e，在工件定位装夹后，操作工可通过手动操作机床测量得到的。
2．Z向相对位置尺寸的寄存
图6-8-2中所示的五个尺寸，它们通常是已知的给定尺寸或可通过测量获得，在机床的精密调试中起相当关键的作用。加工前，调整测量机床、工件和刀具在加工系统中Z向相对位置尺寸后，还需“告知”数控系统它们的位置关系， “告知”方法一般有如下方式：
1、在程序中用位置寄存器指令“告知”，如：把加工前刀具刀位点相对工件 Z0的位置值用格式为：“G92 Zγ”指令存储到位置寄存器。
2、把测量到的某些Z向相对位置尺寸手动输入于工件偏置寄存器，如，把机床零点与工件零点Z向间的尺寸存储于工件偏置寄存器G54下的Z～，用来调整机床零点的参考位置和程序零点参考位置间的Z向关系。
3、把测量到的某些Z向相对位置尺寸用MDI方式存储于刀具长度补偿寄存器，用来调整刀位点Z向高度位置。在程序中，刀具的刀具长度补偿用“HXX”表示，XX是某刀具的刀具长度补偿编号；操作工相应地在刀具长度补偿寄存器的HXX号下输入测量长度补偿值。
这些Z向相对位置尺寸如何定义、以何种名义存储、存储于何处，关系到Z向对刀方案的设计。
下面将列举加工中心的种种Z向对刀方案并分析之。
6．8．3 基于机外对刀的Z向方案（方案1）

图6-8-3机外对刀的补偿、偏置方案
如图6-8-3所示，这是一种最直接地以刀位点到刀具参考点的Z向刀长作为刀具长度补偿值，并把坐标系的零点高度偏置到工件零点高度的对刀方案。刀具长度补偿值绝对值就是图6-8-2中的尺寸b，Z向工件偏置值可最简单地设成工件零点在机床坐标系中的Z值——图6-8-2中的e尺寸。
这种方法的Z向确定刀具与工件位置关系的对刀原理是：
1、在保证刀具Z向补偿运动不超程的前提下，设定如图6-8-3所示的Z向工件偏置值，使用工件偏置(G54～G59)，并要求在与程序选定的工件偏置指令如（G54）相应的工件偏置寄存器的位置（G54）下填写设定的Z向工件偏置值。
2、刀长（刀位点到刀具参考点的Z向距离）作为刀具长度补偿值并输入数控系统。
操作人员对所用的各把刀具编号；填写刀具的调整单；将按刀号把刀具放置到刀库的相应的刀位；使用数控系统的键盘显示刀补画面；为各把刀选适当的偏置号，并将各刀具长度作为补偿值登记到刀具长度补偿寄存器中相应位置。
若程序中的刀具补偿指令为G43，刀长作为补偿值应是一个正值，每个补偿值都应以H偏置值的形式输入到刀具长度偏置显示屏上。例如，设置刀具长度的偏置值为120㎜，该刀具的偏置号为“H05”，操作人员在偏置显示屏上的“05”号下输入测量长度“120”。
图6-8-3中，可用箭头方向来判断刀长补偿值和零点偏置值的正、负，箭头方向指正向为正值，箭头方向指负向为负值。
当CNC机床执行生产任务时，所有切削刀具均可放置在刀具预调仪上测量，当加工另一不同的工件时，刀具补偿值也不必在机床上重新进行检测，这是因为刀位点到刀具基准点的Z向距离作为刀具长度补偿值是固定不变的。 因此，这一对刀方案显示的明显优越是：减少了对刀过程中的占用机床的非生产时间。当数控设备台数较多的情况，利用一台刀具预调仪为多台数控机床对刀服务，是比较经济合理的。
机外对刀需要刀具预调仪，当数控机床加工任务不多的用户，是否一定要购买刀具预调仪来使用这种方法？下面讨论一种在工件安装过程中通过接触测量法完成切削刀具的Z向设置的对刀方案。
6．8．4 接触法测量刀具Z向长度补偿的对刀方法（方案2）
如图6-8-4所示，接触法测量刀具Z向长度补偿值的对刀方法这是一种靠使用手动操作机床，在机内让刀具刀位点与工件接触，测量加工某工件的各把刀具长度补偿值的方法，是一种典型的机内Z向对刀方法。值得注意的是：尽管每把刀具长度补偿值用MDI方式存储于刀具长度补偿寄存器的方法与方案一相似，但这种方法测量的刀具长度补偿值所表示的Z向关系与在机外对刀仪测量的刀具长度不是同一个概念。
这种方法的Z向确定刀具与工件位置关系的对刀原理是：
图6-8-4 刀具长度偏置的接触测量法
当刀具参考点位于机床参考点位置，此时的机床坐标Z值为零，手动操作机床测量刀具刀位点到程序原点的Z向距离，作为刀具长度补偿值并输入数控系统。若程序中的刀具补偿指令为G43，这种刀具长度补偿值(即刀具位点到程序原点之间的距离)应取负值，并被输入到控制系统的刀具长度偏置寄存器菜单下相应的H偏置号里。
因为测量的刀位点起点为当刀具参考点位于机床参考点位置时的高度位置，因此工件偏置Z值(G54～G59)应设为Z0.0000。但有时为保证刀具Z向补偿或取消补偿运动时不超程或碰撞，刀具长度补偿值的测量往往是从刀具的基准点离开机床零点一段距离的位置开始，如从机床坐标为Z=-50的高度开始测量刀位点到程序原点之间的距离，那么工件偏置Z值(G54～G59)应设为Z-50.000。显然从刀具参考点位于机床坐标位置Z=-50开始调整测量测量的刀具长度补偿值与刀具参考点位于机床参考点位置开始测量的刀具长度补偿值是不一样的。
从这里可以看出:接触法测量的刀具长度补偿值随各刀具参考点起始点的高度位置的不同而不同，又随不同工件零点的高度位置的不同而不同。因此用这种方法对刀，批量生产同一零件时，宜用固定的夹具把工件零点的高度位置限定在同一高度，以避免随着同批加工工件的变换需要重新对刀测量。当然，从某一加工批次变换到另一不同批次对的工件加工，刀库中所有要用到的刀具，其刀具长度补偿值必须重新测量，这是这种方法最大的缺陷。而且，使用手动操作测量刀具长度补偿值的过程往往占机时间长，会引起机床加工效率的降低。
为克服该方案对刀占机时间长，且随加工工件转换时，必须重新对刀测量的缺陷，应寻找更好的方案对刀，以减少机内对刀时间，并适合加工工件转换。
6．8．5 设定基准刀的接触法Z向对刀（方案3）
为克服方案二机内对刀时间长，加工工件转换时对刀麻烦的缺陷，设计以一把刀作为基准刀，并用它测量调整工件的Z向偏置值，其它刀与之的长度差作为其刀具长度补偿值，这是一种较为有效的方法，即主刀法。
使用基准刀的对刀方法(通常是最长的刀)，可以显著加快使用接触测量法时的刀具测量速度。基准刀可以是长期安装在刀库刀套上具的定长的Z向对刀仪具。
对基准刀而言，当基准刀的刀具长度补偿值的测量是从当刀具参考点位于机床参考点位置开始测量时,工件偏置Z值(54～G59)仍设为0值，刀长补偿值仍是其刀位点到工件零点的距离。
区别在于：当工件改变了，只要进行基准刀的对刀，测量其刀长补偿值，其它刀具不必重新对刀，其它刀具的刀长补偿值由基准刀刀长补偿值和基准刀长与其它的刀长的刀长差进行加减计算得到。
如：T02与基准刀T01的刀长差绝对值为：ΔL2，测得的基准刀（最长刀）刀长补偿值为：-L1，则T02的刀补值应为：-L1-ΔL2。该值的实质仍是T02刀的刀位点到工件零点的距离，只不过，它不需要实际测量而只是计算。很明显，这样做节省了对刀占机的时间，某刀具与基准刀的刀长差可在无加工任务时机床内测得或在机外预调仪上测得。
可见方案三弥补了方案二在不同类工件的加工变换中，需要对所有要用刀具的长度重新对刀的最大缺陷。
6．8．6 优化的基准刀对刀（方案4）
如图6-8-5方案四的原理是：对工件偏置Z值定义为基准刀（最长刀）到工件零点的距离。对刀具长度补偿值定义为基准刀长与其它的刀长的刀长差。这不仅具备方案三的任何好处，而且对刀方案的思路简洁明了，便于操作。步骤如下：
1) 取出主刀并将其安装到主轴上。
2) Z轴回参考点
3) 测量基准刀的刀位点到工件零点的距离作为Z向工件偏置值（负值）。
4) 测量基准刀长与其它的刀长的刀长差。
5) 将刀长差作为刀具长度补偿值，比主刀短的刀具，它通常为负值。

图6-8-5优化基准刀对刀
这一方法不仅能缩短调试时间，另一个好处是：如果使用一组刀具来加工另一批量工件，那么对于新的工件高度，只需要用基准刀重定义工件偏置Z值，其它刀具补偿值只与基准刀相关，保持不变。刀长差可以在机外预调测量并做减法计算得到，或在非生产时间机内测量，即使在没有机外预调的情况下，对刀的方便性也几乎接近于用机外对刀仪的对刀。
6．8．7 机外对刀仪上的刀具测量
随着技术的进步，在数控铣床、加工中心的机床用刀具日益标准化，尤其刀柄的标准化、精度、与主轴内孔的连接的精确性，创造了必要的条件，使刀具的半径、长度的测量完全可在机外对刀仪上测量。预调仪上刀具刀柄定位基准是测量的基准，要求它和机床主轴定位基准的精度要求十分接近，这才能保证刀长可以在机外预调时精确测定。
图6-8-6常用机外对刀仪的示意图
机外刀具测量仪在机床的外部对刀具的长度、直径进行测量与调整，还能测量出刀具的几何角度，测量时不占机动时间。能有效地提高数控机床的使用率，尤其在数控设备台数较多的情况，利用一台对刀仪为多台数控机床对刀服务，是最经济合理的，所以，随着数控机床的普及，它必将会更广泛地被采用。这里通过常用对刀仪示意图6-8-6说明对刀仪的基本组成和测量方法：
1、刀柄定位机构
刀柄定位基准是测量的基准，所以有很高的精度要求，一般都要和机床主轴定位基准的要求接近，这样才能使测量数据接近在机床上使用的实际情况。定位机构实质上是一个回转精度很高、与刀柄锥面接触很好带拉紧刀柄机构的对刀仪主轴，该主轴的轴向尺寸基准面与机床主轴相同 ，主轴能高精度回转，便于找出刀具上刀刃的最高点。对刀仪主轴中心线对测量轴z、X很高的平行度和垂直度要求。
2、测头部分：
有接触式测量和非接触式测量。接触式测量用百分表(或扭簧仪)直接测量刀刃最高点，测量精度可达0.002～0.001㎜左右, 接触式测量比较直观。但容易损伤表头和切削刃。
非接触式测量用得较多的是投影光屏。投影物镜放大倍数有8、l0、 15和 30 倍等。由于光屏的质量、测量技巧、视觉误差等因素，其测量精度在0.005mm左右。非接触式测量不太直观，但可以综合检查切削刃质量。
3、Z、X轴尺寸测量机构。
通过对带测头部分的两个坐标轴的移动，测得Z轴和X轴尺寸，即为刀具的轴向尺寸和半径尺寸。两轴使用的实测元件有许多种：机械式的有游标刻线尺、精密丝杠和刻线尺加读数头；电测量的有光栅数显、感应同步器数显和磁尺数显等。
4、测量数据处理装置。
由于柔性制造技术的发展，对数控机床的刀具测试数据需要进行有效管理，因此在对刀仪上再配置计算机及附属装置，用来存储、输出、打印刀具预调数据，并与上一级管理计算机(刀具管理工作站、单元控制器)联网，形成供柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)使用的有效刀具管理系统。