數(shù)控車床前對(duì)刀原理及對(duì)刀方法

    對(duì)刀是數(shù)控加工中的主要操作和重要技能。在一定條件下，對(duì)刀的精度可以決定零件的加工精度，同時(shí)，對(duì)刀效率還直接影響數(shù)控加工效率。
    僅僅知道對(duì)刀方法是不夠的，還要知道數(shù)控系統(tǒng)的各種對(duì)刀設(shè)置方式，以及這些方式在加工程序中的調(diào)用方法，同時(shí)要知道各種對(duì)刀方式的優(yōu)缺點(diǎn)、使用條件（下面的論述是以FANUC OiMate數(shù)控系統(tǒng)為例）等。 1  為什么要對(duì)刀

       一般來(lái)說(shuō)，零件的數(shù)控加工編程和上機(jī)床加工是分開(kāi)進(jìn)行的。數(shù)控編程員根據(jù)零件的設(shè)計(jì)圖紙，選定一個(gè)方便編程的坐標(biāo)系及其原點(diǎn)，我們稱之為程序坐標(biāo)系和程序原點(diǎn)。程序原點(diǎn)一般與零件的工藝基準(zhǔn)或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，因此又稱作工件原點(diǎn)。
      數(shù)控車床通電后，須進(jìn)行回零（參考點(diǎn)）操作，其目的是建立數(shù)控車床進(jìn)行位置測(cè)量、控制、顯示的統(tǒng)一基準(zhǔn)，該點(diǎn)就是所謂的機(jī)床原點(diǎn)，它的位置由機(jī)床位置傳感器決定。由于機(jī)床回零后，刀具（刀尖）的位置距離機(jī)床原點(diǎn)是固定不變的，因此，為便于對(duì)刀和加工，可將機(jī)床回零后刀尖的位置看作機(jī)床原點(diǎn)。
在圖1中，O是程序原點(diǎn)，O'是機(jī)床回零后以刀尖位置為參照的機(jī)床原點(diǎn).
      編程員按程序坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)編制刀具（刀尖）的運(yùn)行軌跡。由于刀尖的初始位置（機(jī)床原點(diǎn)）與程序原點(diǎn)存在X向偏移距離和Z向偏移距離，使得實(shí)際的刀尖位置與程序指令的位置有同樣的偏移距離，因此，須將該距離測(cè)量出來(lái)并設(shè)置進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)據(jù)此調(diào)整刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。
所謂對(duì)刀，其實(shí)質(zhì)就是側(cè)量程序原點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)之間的偏移距離并設(shè)置程序原點(diǎn)在以刀尖為參照的機(jī)床坐標(biāo)系里的坐標(biāo)。 2  試切對(duì)刀原理
       對(duì)刀的方法有很多種，按對(duì)刀的精度可分為粗略對(duì)刀和精確對(duì)刀；按是否采用對(duì)刀儀可分為手動(dòng)對(duì)刀和自動(dòng)對(duì)刀；按是否采用基準(zhǔn)刀，又可分為絕對(duì)對(duì)刀和相對(duì)對(duì)刀等。但無(wú)論采用哪種對(duì)刀方式，都離不開(kāi)試切對(duì)刀，試切對(duì)刀是最根本的對(duì)刀方法。
    以圖2為例，試切對(duì)刀步驟如下：
    ①在手動(dòng)操作方式下，用所選刀具在加工余量范圍內(nèi)試切工件外圓，記下此時(shí)顯示屏中的X坐標(biāo)值，記為Xa。（注意：數(shù)控車床顯示和編程的X坐標(biāo)一般為直徑值）。
    ②將刀具沿＋Z方向退回到工件端面余量處一點(diǎn)（假定為α點(diǎn)）切削端面，記錄此時(shí)顯示屏中的Z坐標(biāo)值，記為Za。
    ③測(cè)量試切后的工件外圓直徑，記為φ。
    如果程序原點(diǎn)O設(shè)在工件端面（一般必須是已經(jīng)精加工完畢的端面）與回轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)，則程序原點(diǎn)O在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為
    Xo＝Xa-φ(1）
    Zo＝Za
    注意：公式中的坐標(biāo)值均為負(fù)值。將Xo、Zo設(shè)置  進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)即完成對(duì)刀設(shè)置。3  程序原點(diǎn)（工件原點(diǎn)）的設(shè)置方式
    在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中，有以下幾種設(shè)置程序原點(diǎn)的方式：①設(shè)置刀具偏移量補(bǔ)償；②用G50設(shè)置刀具起點(diǎn)；③用G54~G59設(shè)置程序原點(diǎn)；④用“工件移”設(shè)置程序原點(diǎn)。
    程序原點(diǎn)設(shè)置是對(duì)刀不可缺少的組成部分。每種設(shè)置方法有不同的編程使用方式、不同的應(yīng)用條件和不同的工作效率。各種設(shè)置方式可以組合使用。
    （1)設(shè)置刀具偏移量補(bǔ)償車床的刀具補(bǔ)償包括刀具的“磨損量”補(bǔ)償參數(shù)和“形狀”補(bǔ)償參數(shù)，兩者之和構(gòu)成車刀偏移量補(bǔ)償參數(shù)。試切對(duì)刀獲得的偏移一般設(shè)置在“形狀”補(bǔ)償參數(shù)中。
    試切對(duì)刀并設(shè)置刀偏步驟如下：  ①用外圓車刀試車-外圓，沿＋Z軸退出并保持X坐標(biāo)不變。
    ②測(cè)量外圓直徑，記為φ。
    ③按“OFSET SET”（偏移設(shè)置）鍵→進(jìn)入“形狀”補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定界面→將光標(biāo)移到與刀位號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置后，輸人Xφ（注意：此處的φ代表直徑值，而不是一符號(hào)，以下同），按“測(cè)量”鍵，系統(tǒng)自動(dòng)按公式（1)計(jì)算出X方向刀具偏移量（如圖3所示）。
    注意：也可在對(duì)應(yīng)位置處直接輸人經(jīng)計(jì)算或從顯示屏得到的數(shù)值，按“輸人”鍵設(shè)置。④用外圓車刀試車工件端面，沿＋X軸退出并保持Z坐標(biāo)不變。
    ⑤按“OFSET SET”鍵→進(jìn)人“形狀”補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定界面→將光標(biāo)移到與刀位號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置后，輸人Zo，按“測(cè)量”鍵，系統(tǒng)自動(dòng)按公式（1)計(jì)算出Z方向刀具偏移量。同樣也可以自行“輸入”偏移量。
    ⑥設(shè)置的刀具偏移量在數(shù)控程序中用T代碼調(diào)用。
    這種方式具有易懂、操作簡(jiǎn)單、編程與對(duì)刀可以完全分開(kāi)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在各種組合設(shè)置方式中都會(huì)用到刀偏設(shè)置，因此在對(duì)刀中應(yīng)用最為普遍。
    (2）用G50設(shè)置刀具起點(diǎn)
    ①用外圓車刀試車一段外圓，沿＋Z軸退至端面余量?jī)?nèi)的一點(diǎn)（假定為a點(diǎn)）。
    ②測(cè)量外圓直徑，記為φ。
    ③選擇“MDI”（手動(dòng)指令輸入）模式，輸人GO1 U一φF0. 3，切端面到中心（程序原點(diǎn)）。
    ④選擇“MDI”模式，輸人G50 X0 ZO,按“啟動(dòng)”按鈕。把刀尖當(dāng)前位置設(shè)為機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（0,0），此時(shí)程序原點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)重合。
    ⑤選擇“MDI”模式，輸入GO X150 2200，使刀尖移動(dòng)到起刀點(diǎn)。該點(diǎn)為刀具離開(kāi)工件、便于換刀的任意位置，此處假設(shè)為b點(diǎn)，坐標(biāo)為（1.50、200)。
    ⑥加工程序的開(kāi)頭必須是G50 X150 2200，即把刀尖所在位置設(shè)為機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)(150,200)。此時(shí)刀尖的程序坐標(biāo)（150，200)與刀尖的機(jī)床坐標(biāo)（150，200)在同一位置，程序原點(diǎn)仍與機(jī)床原點(diǎn)重合。
    ⑦當(dāng)用G50 X150 2200設(shè)置刀具起點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，基準(zhǔn)刀程序起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置必須相同，即在程序結(jié)束前，需用指令GO X150 2200使基準(zhǔn)刀具回到同一點(diǎn)，才能保證重復(fù)加工不亂刀。
    ⑧若用第二參考點(diǎn)G30，并在數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)里將第二參考點(diǎn)設(shè)為起刀點(diǎn)位置，能保證重復(fù)加工不亂刀，此時(shí)程序開(kāi)頭為：G30 UO WO; G50 X150 Z200。   

    ⑨若不用上述③、④、⑤步驟中的GO1 U~φF0.3、G50 XO ZO.GO X150 2200指令來(lái)獲得起刀點(diǎn)位置，也可用下述公式計(jì)算指定起刀點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系（顯示屏）中的坐標(biāo)：
    Xb=Xa-φ＋150（2)
    Zb=Za+200
    然后用點(diǎn)動(dòng)或脈沖操作，使刀尖移動(dòng)到（Xb，Zb）位置。
   注意：運(yùn)行程序前要先將基準(zhǔn)刀移到設(shè)定的位置。
    在用G50設(shè)置刀具的起點(diǎn)時(shí)，一般要將該刀的刀偏值設(shè)為零。
    此方式的缺點(diǎn)是起刀點(diǎn)位置要在加工程序中設(shè)置，且操作較為復(fù)雜。但它提供了用手工精確調(diào)整起刀點(diǎn)的操作方式，有的人對(duì)此比較喜歡。
    (3)用G54~G59設(shè)置程序原點(diǎn)
    ①試切和測(cè)量步驟同前述一樣。
    ②按“OFSET SET”鍵，進(jìn)人“坐標(biāo)系”設(shè)置，移動(dòng)光標(biāo)到相應(yīng)位置，輸入程序原點(diǎn)的坐標(biāo)值，按“測(cè)量”或“輸入”鍵進(jìn)行設(shè)置。如圖4所示。
    ③在加工程序里調(diào)用，例如：G55 X100 Z5...。G54為默認(rèn)調(diào)用。
    注意：若設(shè)置和使用了刀偏補(bǔ)償，最好將G54~G59的各個(gè)參數(shù)設(shè)為0，以免重復(fù)出錯(cuò)。對(duì)于多刀加工，可將基準(zhǔn)刀的偏移值設(shè)置在G54~G59的其中之一，將基準(zhǔn)刀的刀偏補(bǔ)償設(shè)為零，而將其它刀的刀偏補(bǔ)償設(shè)為其相對(duì)于基準(zhǔn)刀的偏移量。
    這種方式適用于批量生產(chǎn)且工件在卡盤上有固定裝夾位置的加工。銑削加工用得較多。
    執(zhí)行G54~G59指令相當(dāng)于將機(jī)床原點(diǎn)移到程序原點(diǎn)。
    (4)用“工件移”設(shè)置程序原點(diǎn)
    ①通過(guò)試切工件外圓、端面，測(cè)量直徑，根據(jù)公式（1)計(jì)算出程序原點(diǎn)（工件原點(diǎn)）的X坐標(biāo)，記錄顯示屏顯示的原點(diǎn)Z坐標(biāo)。
    ②按“OFSET SET”鍵，進(jìn)入“工件移”設(shè)置，將光標(biāo)移到對(duì)應(yīng)位置，分別輸入得到的X. Z坐標(biāo)值，按機(jī)床MDI鍵盤上的“INPUT”鍵進(jìn)行設(shè)置。如圖5所示。
    ③使X、Z軸回機(jī)床原點(diǎn)（參考點(diǎn)），建立程序原點(diǎn)坐標(biāo)。
    “工件移”設(shè)置亦相當(dāng)于將機(jī)床原點(diǎn)移到程序原點(diǎn)（工件原點(diǎn)）。對(duì)于單刀加工，如果設(shè)置了“工件移”，最好將其刀偏補(bǔ)償設(shè)為0，以防重復(fù)出錯(cuò)；對(duì)于多刀加工，“工件移”中的數(shù)值為基準(zhǔn)刀的偏移值，將其它刀具相對(duì)于基準(zhǔn)刀的偏移值設(shè)置在相應(yīng)的刀偏補(bǔ)償中。4  多刀對(duì)刀
    FANUC數(shù)控系統(tǒng)多刀對(duì)刀的組合設(shè)置方式有：①絕對(duì)對(duì)刀；②基準(zhǔn)刀G50＋相對(duì)刀偏；③基準(zhǔn)刀“工件移”＋相對(duì)刀偏；④基準(zhǔn)刀G54~G59＋相對(duì)刀偏。
    (1）絕對(duì)對(duì)刀所謂絕對(duì)對(duì)刀即是用每把刀在加工余量范圍內(nèi)進(jìn)行試切對(duì)刀，將得到的偏移值設(shè)置在相應(yīng)刀號(hào)的偏置補(bǔ)償中。這種方式思路清晰，操作簡(jiǎn)單，各個(gè)偏移值不互相關(guān)聯(lián)，因而調(diào)整起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單，所以在實(shí)際加工中得到廣泛應(yīng)用。
    (2）相對(duì)對(duì)刀所謂相對(duì)對(duì)刀即是選定一把基準(zhǔn)刀，用基準(zhǔn)刀進(jìn)行試切對(duì)刀，將基準(zhǔn)刀的偏移用G50,“工件移”或G54~G59來(lái)設(shè)置，將基準(zhǔn)刀的刀偏補(bǔ)償設(shè)為零，而將其它刀具相對(duì)于基準(zhǔn)刀的偏移值設(shè)置在各自的刀偏補(bǔ)償中。
    下面以圖2所示為例，介紹如何獲得其它刀相對(duì)基準(zhǔn)刀的刀偏值。
    ①當(dāng)用基準(zhǔn)刀試切完外圓，沿Z軸退到a點(diǎn)時(shí)，按顯示器下方的“相對(duì)”軟鍵，使顯示屏顯示機(jī)床運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)。
    ②選擇“MDI”方式，按"SHIFT"換檔鍵，按"XU"選擇U，這時(shí)U坐標(biāo)在閃爍，按“ORIGIN”置零，如圖6所示。同樣將w坐標(biāo)置零。
    ③換其它刀，將刀尖對(duì)準(zhǔn)a點(diǎn)，顯示屏上的U坐標(biāo)、W坐標(biāo)即為該刀相對(duì)于基準(zhǔn)刀的刀偏值。此外，還可用對(duì)刃儀測(cè)定相對(duì)刀偏值。5  精確對(duì)刀
    從理論上說(shuō)，上述通過(guò)試切、測(cè)量、計(jì)算；得到的對(duì)刀數(shù)據(jù)應(yīng)是準(zhǔn)確的，但實(shí)際上由于機(jī)床的定位精度、重復(fù)精度、操作方式等多種因素的影響，使得手動(dòng)試切對(duì)刀的對(duì)刃精度是有限的，因此還須精確對(duì)刀。

    所謂精確對(duì)刀，就是在零件加工余量范圍內(nèi)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的自動(dòng)試切程序，通過(guò)“自動(dòng)試切→測(cè)量→誤差補(bǔ)償”的思路，反復(fù)修調(diào)偏移量、或基準(zhǔn)刀的程序起點(diǎn)位置和非基準(zhǔn)刀的力偏置，使程序加工指令值與實(shí)際測(cè)量值的誤差達(dá)到精度要求。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。
    精確對(duì)刀偏移量的修正公式為：
    記:δ=理論值（程序指令值）-實(shí)際值（測(cè)量值），則
    xo2=xo1 ＋δx（3）
    Zo2=Zo1-δZ
    注意：δ值有正負(fù)號(hào)。
    例如：用指令試切一直徑40、長(zhǎng)度為50的圓柱，如果測(cè)得的直徑和長(zhǎng)度分別為040.25和49.85，則該刀具在X、Z向的偏移坐標(biāo)分別要加上-0.25和-0.15,當(dāng)然也可以保持原刀偏值不變，而將誤差加到磨損欄。6  結(jié)束語(yǔ)
 筆者設(shè)計(jì)了一段多刀加工程序，在FANUC Oi數(shù)控車削系統(tǒng)上驗(yàn)證了上述幾種組合對(duì)刀設(shè)置方式，取得了相同的效果。對(duì)其它數(shù)控系統(tǒng)也具有一定推廣價(jià)值。