本文就是一篇非常實用的文章，文中首先介紹了數(shù)控車床常用的“試切對刀法”的原理及對刀思路；接著，介紹了華中世紀(jì)星車削數(shù)控系統(tǒng)的四種手動試切對刀方法；為改進(jìn)其對刀精度，根據(jù)“自動試切→測量→誤差補(bǔ)償”的思路，設(shè)計出了用程序控制的自動試切法，并總結(jié)介紹了四種精確對刀方法
1數(shù)控車試切對刀法的原理及對刀思路
深入理解數(shù)控車床的對刀原理對于操作者保持清晰的對刀思路、熟練掌握對刀操作以及提出新的對刀方法都具有指導(dǎo)意義。對刀的實質(zhì)是確定隨編程而變化的工件坐標(biāo)系的程序原點(diǎn)在唯一的機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。對刀的主要工作是獲得基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)和確定非基準(zhǔn)刀相對于基準(zhǔn)刀的刀偏置。
本文作以下約定來說明試切法對刀的原理與思路：使用華中世紀(jì)星教學(xué)型車削系統(tǒng)HNC-21T（應(yīng)用軟件版本號為5.30）；以工件右端面中心為程序原點(diǎn)，用G92指令設(shè)定工件坐標(biāo)系；直徑編程，程序起點(diǎn)H的工件坐標(biāo)為（100，50）；刀架上裝四把刀：1號刀為90°外圓粗車刀、2號基準(zhǔn)刀為90°外圓精車刀、3號刀為切斷刀、4號刀為60°三角螺紋刀（全文所舉實例均與此相同）。
如圖1所示，基準(zhǔn)刀按照“手動試切工件的外圓與端面，分別記錄顯示器（CRT）顯示試切點(diǎn)A的X、Z機(jī)床坐標(biāo)→推出程序原點(diǎn)O的機(jī)床坐標(biāo)→推出程序起點(diǎn)H的機(jī)床坐標(biāo)”的思路對刀。根據(jù)A點(diǎn)與O點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)的關(guān)系：XO= XA－Φd，ZO =ZA，可以推出程序原點(diǎn)O的機(jī)床坐標(biāo)。再根據(jù)H相對于O點(diǎn)的工件坐標(biāo)為(100,50)，最后推出H點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)：XH=100－Φd，ZH= ZA+50。這樣建立的工件坐標(biāo)系是以基準(zhǔn)刀的刀尖位置建立的工件坐標(biāo)系。
圖1 手動試切對刀示意圖
如圖2所示，由于各刀裝夾在刀架的X、Z方向的伸長和位置不同，當(dāng)非基準(zhǔn)刀轉(zhuǎn)位到加工位置時，刀尖位置B相對于A點(diǎn)就有偏置，原來建立的工件坐標(biāo)系就不再適用了。此外，每把刀具在使用過程中還會出現(xiàn)不同程度的磨損，因此各刀的刀偏置和磨損值需要進(jìn)行補(bǔ)償。獲得各刀刀偏置的基本原理是：各刀均對準(zhǔn)工件上某一基準(zhǔn)點(diǎn)（如圖1的A點(diǎn)或O點(diǎn)），由于CRT顯示的機(jī)床坐標(biāo)不同，因此將非基準(zhǔn)刀在該點(diǎn)處的機(jī)床坐標(biāo)通過人工計算或系統(tǒng)軟件計算減去基準(zhǔn)刀在同樣點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)，就得到了各非基準(zhǔn)刀的刀偏置。
圖2 刀具的偏置和磨損補(bǔ)償
受多種因素的影響，手動試切對刀法的對刀精度十分有限，將這一階段的對刀稱為粗略對刀。為得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，如圖3所示，加工前在零件加工余量范圍內(nèi)設(shè)計簡單的自動試切程序，通過“自動試切→測量→誤差補(bǔ)償”的思路，反復(fù)修調(diào)基準(zhǔn)刀的程序起點(diǎn)位置和非基準(zhǔn)刀的刀偏置，使程序加工指令值與實際測量值的誤差達(dá)到精度要求，將這一階段的對刀稱為精確對刀。
由于保證基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)處于精確位置是得到準(zhǔn)確的非基準(zhǔn)刀刀偏置的前提，因此一般修正了前者后再修正后者。
綜合這兩個階段的對刀，試切法對刀的基本操作流程如下：用基準(zhǔn)刀手動試切得到對刀基準(zhǔn)點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)→人工計算或自動獲得各非基準(zhǔn)刀的刀偏置→基準(zhǔn)刀處于大概的程序起點(diǎn)位置→基準(zhǔn)刀反復(fù)調(diào)用試切程序，測量尺寸后，以步進(jìn)或MDI方式移動刀架進(jìn)行誤差補(bǔ)償，修正其程序起點(diǎn)的位置→非基準(zhǔn)刀反復(fù)調(diào)用試切程序，在原刀偏置的基礎(chǔ)上修正刀偏置→基準(zhǔn)刀處于準(zhǔn)確的程序起點(diǎn)不動。
圖3 多刀試切對刀示意圖
2幾種粗略對刀方法小結(jié)
下述每種方法的對刀準(zhǔn)備工作均相同：在系統(tǒng)MDI功能子菜單下按F2鍵，進(jìn)入刀偏表；用▲、鍵移動藍(lán)色亮條到各刀對應(yīng)的刀偏號位置，按F5鍵；將刀偏號為#0000、#0001、#0002、#0003、#0004的X偏置、Z偏置的數(shù)據(jù)均修改為零，再按下F5鍵。
1. 選定基準(zhǔn)刀為標(biāo)準(zhǔn)刀，自動設(shè)置刀偏置法
如圖1、圖4所示，對刀步驟如下：
1)用▲、鍵移動藍(lán)色亮條對準(zhǔn)2號基準(zhǔn)刀的刀偏號#0002位置處，按F5鍵設(shè)置2號刀為標(biāo)準(zhǔn)刀具，則所在行變成紅色亮條。
2)用基準(zhǔn)刀試切工件右端面，記錄試切點(diǎn)A的Z機(jī)床坐標(biāo)；試切工件外圓，記錄A點(diǎn)的X機(jī)床坐標(biāo)，退刀后停車，測量已切削軸段外徑ΦD。
3)基準(zhǔn)刀按記錄值通過“點(diǎn)動+步進(jìn)”方式重回A點(diǎn)，在刀偏表的試切直徑和試切長度欄內(nèi)分別輸入ΦD和零。
4)退刀，選擇非基準(zhǔn)刀的刀號手動換刀，讓各非基準(zhǔn)刀的刀尖分別在主軸轉(zhuǎn)動下通過“點(diǎn)動+步進(jìn)”方式目測對準(zhǔn)A點(diǎn)，然后分別在相應(yīng)刀偏號的試切直徑欄和試切長度欄內(nèi)輸入ΦD和零，則各非基準(zhǔn)刀的刀偏置會在X、Z偏置欄處自動顯示。
5)基準(zhǔn)刀重回A點(diǎn)后，MDI運(yùn)行“G91 G00/或G01 X[100-ΦD] Z50”，使其處于程序起點(diǎn)位置。
圖4 基準(zhǔn)刀為標(biāo)刀自動設(shè)置刀偏置示意圖
2.將基準(zhǔn)刀在對刀基準(zhǔn)點(diǎn)處坐標(biāo)置零，自動顯示刀偏置法
如圖1、圖5所示，對刀步驟如下：
1)與前述步驟（2）相同。
2)基準(zhǔn)刀按記錄值通過“點(diǎn)動+步進(jìn)”方式重回試切點(diǎn)A。
3)在圖4界面按F1鍵“X軸置零”，按F2鍵“Z軸置零”，則CRT顯示的“相對實際坐標(biāo)”為（0，0）。
4)手動換非基準(zhǔn)刀，使其刀尖目測對齊A點(diǎn)，這時CRT上顯示的“相對實際坐標(biāo)”的數(shù)值，就是該刀相對于基準(zhǔn)刀的刀偏置，用▲、鍵移動藍(lán)色亮條到非基準(zhǔn)刀的刀偏號，分別將其記錄并輸入到相應(yīng)位置。
5)與前述步驟（5）相同。
圖5 基準(zhǔn)刀在對刀基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)置零自動顯示刀偏置示意圖
3多刀試切外圓軸段，人工計算獲得刀偏置法
如圖6所示，系統(tǒng)在手動狀態(tài)下對好1、2、4號刀，并切出一個臺階軸，分別記錄各刀切削終點(diǎn)（如圖6中F、E、D點(diǎn)）的機(jī)床坐標(biāo)，并測量各段的直徑和長度。換3號切斷刀，切一退刀槽，以切斷刀的右尖點(diǎn)對刀，記錄B點(diǎn)坐標(biāo)，測量圖示的ΦD3和L3。獲得了上述數(shù)據(jù)后，根據(jù)各刀對應(yīng)的F、E、D、B點(diǎn)與程序原點(diǎn)O的坐標(biāo)增量關(guān)系，可知基準(zhǔn)刀的程序起點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)為（ X2-ΦD2+100，Z2-L2+50）；而且可以推出各非基準(zhǔn)刀對應(yīng)程序原點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)并通過人工計算獲得刀偏置，計算方法如表1所示，將記錄值和計算值填入相應(yīng)空格處。這里要注意：試切長度是指工件坐標(biāo)零點(diǎn)至試切終點(diǎn)之間Z方向的有向距離，按坐標(biāo)軸方向確定正、負(fù)方向。
圖6 多刀手動試切示意圖
表1 非基準(zhǔn)刀的刀偏置計算表
此法試切過程簡單，省去了目測對齊試切點(diǎn)的步驟，但刀偏置需要人工計算獲得。如果將含計算公式的計算表打印出來，數(shù)值填入其對應(yīng)空格內(nèi)計算，就能很快算出刀偏置。
圖7 世紀(jì)星車削數(shù)控系統(tǒng)自動對刀示意圖
4世紀(jì)星車削數(shù)控系統(tǒng)，多刀自動對刀法
上述對刀方法均為相對刀偏法。HNC-21T經(jīng)過專業(yè)人員進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和系統(tǒng)調(diào)試，還可以讓用戶選擇“絕對刀偏法”對刀。絕對刀偏法在加工程序編制上與前述相對刀偏法略有不同，不必要用G92或G54建立工件坐標(biāo)系，也不用取消刀補(bǔ)，實例可參見程序O1005。其對刀步驟如下：系統(tǒng)回零后，如圖6所示，讓各刀分別手動試切一圓柱段，測量直徑與長度尺寸后，按圖7所示填入在各刀對應(yīng)刀偏號的試切直徑于試切長度欄內(nèi)，依據(jù)在“多刀試切外圓軸段，人工計算獲得刀偏置法”中講述的原理，系統(tǒng)軟件能自動算出各刀對應(yīng)程序原點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)，從而達(dá)到自動對刀的目的。這種對刀方法最快捷，特別適合于工業(yè)生產(chǎn)。
5幾種精確對刀方法小結(jié)
精確對刀階段總的思路是“自動試切→測量→誤差補(bǔ)償”。誤差補(bǔ)償分兩種情況：對于基準(zhǔn)刀MDI運(yùn)行或步進(jìn)移動刀架補(bǔ)償其程序起點(diǎn)位置；對于非基準(zhǔn)刀補(bǔ)償其刀偏置或磨損值。為避免記錄混亂，設(shè)計表2所示的表格記錄并計算數(shù)值。
表2 試切法對刀記錄表（單位：mm）
1. 基準(zhǔn)刀修正程序起點(diǎn)位置后，再單獨(dú)修調(diào)各非基準(zhǔn)刀刀偏置法
如圖3所示，對刀步驟如下：
1)基準(zhǔn)刀處于粗略對刀后的程序起點(diǎn)位置，將各非基準(zhǔn)刀刀偏置輸入到刀偏表的相應(yīng)位置。
2)調(diào)用加工ΦD2×L2的O1000程序試切。
3)測量切削軸段的直徑與長度，與程序指令值比較，求出誤差。
4)步進(jìn)移動或MDI運(yùn)行誤差值，修調(diào)程序起點(diǎn)位置。
5)根據(jù)測量尺寸，動態(tài)修改O1000程序下劃線的指令數(shù)值并保存程序，重復(fù)步驟(2)、(3)，直至基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)被修正在精度允許范圍內(nèi)為止，記錄修正后程序起點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)并將坐標(biāo)置零。
6)分別調(diào)用O1001（1、4號刀）、O1002（3號刀）程序試切，測量各段直徑ΦDi和長度Li（i=1，4，3）。
7)按表3所示方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
8)重復(fù)步驟(6)至步驟(7)，直至加工誤差在精度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)刀停在程序起點(diǎn)位置不再移動。
表3 自動試切圓柱軸段的實際測量尺寸與程序指令值的誤差補(bǔ)償舉例（單位：mm）
2. 各刀分別修調(diào)程序起點(diǎn)位置法
此法的對刀原理為：各刀均修正其程序起點(diǎn)位置，從而間接保證對準(zhǔn)同一程序原點(diǎn)位置。
如圖3所示，對刀步驟如下：
1) 2號基準(zhǔn)刀處于粗略對刀后的程序起點(diǎn)位置，且將各非基準(zhǔn)刀刀偏置記錄后均修改為零。
2)至(5)步與第一種精確對刀方法的同序號的對刀步驟相同。
(6)分別換非基準(zhǔn)刀，把粗略對刀記錄的刀偏置當(dāng)作非基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)的相對坐標(biāo)，調(diào)用O1000程序試切，分別測量各段直徑ΦDi和長度Li（i=1，4，3），與程序指令值比較，求出差值。
(7)步進(jìn)移動或MDI運(yùn)行刀架進(jìn)行誤差補(bǔ)償，分別修調(diào)各非基準(zhǔn)刀的程序起點(diǎn)位置。
(8)重復(fù)步驟（6）和（7），直至各非基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)的位置在精度允許范圍內(nèi)為止。
(9)將CRT顯示的相對坐標(biāo)當(dāng)作新刀偏置，輸入到刀偏表的對應(yīng)刀偏號的X、Z偏置欄內(nèi)。此法簡單方便，修正的刀偏置直接由CRT顯示的機(jī)床相對坐標(biāo)得到，避免了人工計算的失誤，對刀精度較高。
3. 修調(diào)基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)位置后，再同時修調(diào)全部非基準(zhǔn)刀刀偏置法
此方法與第一種精確對刀方法基本相同，唯一不同之處在于步驟(7)中調(diào)用的程序是同時調(diào)用了三把刀加工的O1003程序（O1004去掉2號刀加工段為O1003程序），其余步驟相同。
6四把刀同時修調(diào)法
如果采用相對刀偏法粗略對刀，先將得到的各非基準(zhǔn)刀的刀偏置輸入到刀偏表的相應(yīng)位置，運(yùn)行四把刀加工的O1004程序，分別測量各段直徑ΦDi和長度Li（i=2，1，4，3），求出加工誤差。對基準(zhǔn)刀，以MDI運(yùn)行或步進(jìn)移動刀架補(bǔ)償誤差值，修調(diào)程序起點(diǎn)位置；對非基準(zhǔn)刀，一方面在原刀偏置的基礎(chǔ)上修正刀偏置，將新的刀偏置重新輸入到刀偏表的X、Z偏置欄內(nèi)；另一方面還應(yīng)將基準(zhǔn)刀的加工誤差填入到該行的磨損欄內(nèi)。如果采用絕對刀偏法粗略對刀，調(diào)用O1005程序試切，將各刀的加工誤差補(bǔ)償在其對應(yīng)刀偏號的磨損欄內(nèi)。
