通過調(diào)研工程機(jī)械行業(yè)對(duì)刀方式及常用對(duì)刀儀的使用情況，提出一種適合大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)件刀具測(cè)量的自動(dòng)對(duì)刀儀，并在公司內(nèi)大型加工中心進(jìn)行了可行性及使用效果試驗(yàn)。實(shí)踐表明，在線對(duì)刀儀可快速檢測(cè)刀具長(zhǎng)度、直徑以及刀具破損情況，提升了大型結(jié)構(gòu)件對(duì)刀效率。
1序言
對(duì)刀是機(jī)床在加工過程中，為了確定坐標(biāo)原點(diǎn)及控制加工精度，對(duì)刀具長(zhǎng)度及刀具直徑進(jìn)行測(cè)量、調(diào)節(jié)的一種操作。對(duì)刀是數(shù)控加工中重要的操作內(nèi)容，其準(zhǔn)確性將直接影響零件的加工精度及數(shù)控加工效率。傳統(tǒng)的對(duì)刀大多數(shù)采用試切法，即對(duì)每一把刀都進(jìn)行試切、工件尺寸測(cè)量、計(jì)算及輸入補(bǔ)償值等操作，此法對(duì)操作人員技術(shù)水平要求高，且每次更換刀具均需反復(fù)上述操作，因此，對(duì)刀是占用數(shù)控機(jī)床輔助時(shí)間最長(zhǎng)的操作之一，同時(shí)人為試切帶來的隨機(jī)性誤差大、安全性差、占用機(jī)時(shí)較多，影響數(shù)控機(jī)床的利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，一個(gè)工件的加工，純機(jī)動(dòng)時(shí)間大約只占總時(shí)間的55%，裝夾及對(duì)刀等輔助時(shí)間約占45%，因此，為提升數(shù)控機(jī)床的加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的功能，對(duì)刀儀便顯示出極大的優(yōu)越性。
2工程機(jī)械制造行業(yè)對(duì)刀方式及發(fā)展趨勢(shì)
目前工程機(jī)械行業(yè)大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)件對(duì)刀的方式主要有試切法、機(jī)外對(duì)刀儀對(duì)刀、ATC對(duì)刀及數(shù)控機(jī)床自動(dòng)對(duì)刀4種方式[1]，具體的操作方法如下。
2.1試切法
根據(jù)數(shù)控機(jī)床所用的位置檢測(cè)裝置不同，試切法分為相對(duì)式和絕對(duì)式兩種[2]。相對(duì)式試切法對(duì)刀可采用如下3種方法。
1）用量具（如鋼板尺等）直接測(cè)量，對(duì)準(zhǔn)對(duì)刀尺寸，此對(duì)刀方式操作簡(jiǎn)便，但對(duì)刀精度低。
2）手動(dòng)移動(dòng)刀具，直到刀尖與定位塊的工作面對(duì)齊，并將坐標(biāo)顯示值清零，再回到起始位，讀取坐標(biāo)值，此對(duì)刀方式的準(zhǔn)確度取決于刀尖與定位塊工作面對(duì)齊的準(zhǔn)確度。
3）將工作面加工一刀，測(cè)量出工件尺寸，再間接計(jì)算出對(duì)刀尺寸，此方式包括讓刀修正，對(duì)刀相對(duì)較精確。在絕對(duì)式試切法對(duì)刀中，先定義基準(zhǔn)刀，再用直接或間接的方法測(cè)量出被測(cè)刀具刀尖與基準(zhǔn)刀尖的距離，作為其他刀具的設(shè)定刀補(bǔ)值。
在絕對(duì)式試切法對(duì)刀中，先定義基準(zhǔn)刀，再用直接或間接的方法測(cè)量出被測(cè)刀具刀尖與基準(zhǔn)刀尖的距離，作為其他刀具的設(shè)定刀補(bǔ)值。上述對(duì)刀方式通過試切工件來實(shí)現(xiàn)，采用“試切—測(cè)量—調(diào)整（補(bǔ)償）”的對(duì)刀模式，故占用機(jī)床時(shí)間較多，對(duì)刀效率低，但對(duì)刀方法簡(jiǎn)單，無需特殊輔助對(duì)刀設(shè)備，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型低檔數(shù)控機(jī)床中。
2.2機(jī)外對(duì)刀儀對(duì)刀
機(jī)外對(duì)刀儀對(duì)刀是指刀具在安裝之前，在對(duì)刀儀上進(jìn)行預(yù)調(diào)整和測(cè)量實(shí)際參數(shù)，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，此類對(duì)刀儀對(duì)環(huán)境的要求較高，多安置在車間工具室內(nèi)，對(duì)刀儀距離機(jī)床較遠(yuǎn)，需由操作人員使用推車將待測(cè)刀具從機(jī)床工具箱轉(zhuǎn)至對(duì)刀儀室進(jìn)行對(duì)刀，轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)，對(duì)刀周期較長(zhǎng)。
機(jī)外對(duì)刀儀（見圖1）可反映刀具靜態(tài)幾何參數(shù)，當(dāng)?shù)毒咛幱谛D(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，其動(dòng)態(tài)幾何尺寸發(fā)生變化，與靜態(tài)幾何尺寸有差別。機(jī)外對(duì)刀儀可滿足工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件的加工要求，但當(dāng)精度要求很高時(shí)，機(jī)外對(duì)刀儀則無法滿足對(duì)刀要求。
2.3 ATC對(duì)刀
ATC對(duì)刀是指在機(jī)床上安裝一個(gè)顯微鏡，顯微鏡的十字線中心位于機(jī)床坐標(biāo)系的一固定點(diǎn)上，測(cè)量時(shí)用手動(dòng)脈沖發(fā)生器微移刀具，使假象刀尖與刀鏡中心點(diǎn)重合，數(shù)控系統(tǒng)便能自動(dòng)計(jì)算出到位點(diǎn)相對(duì)機(jī)床原點(diǎn)的距離，并存入相應(yīng)的刀補(bǔ)區(qū)域。該對(duì)刀方式需拆卸對(duì)刀鏡，對(duì)刀過程仍為手動(dòng)操作及目視，因此會(huì)產(chǎn)生一定的對(duì)刀誤差。
2.4在線對(duì)刀
在線對(duì)刀即機(jī)床自動(dòng)對(duì)刀，是利用CNC裝置自動(dòng)地測(cè)量出刀具參數(shù)的一種對(duì)刀方式，能自動(dòng)修正刀具補(bǔ)償值，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)控加工，對(duì)刀效率高且精度高。此外，在線對(duì)刀儀還存在以下優(yōu)勢(shì)。
（1）刀具破損檢測(cè)當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度后，可根據(jù)刀具允許的磨損量，設(shè)定一個(gè)“門檻值”，一旦全自動(dòng)對(duì)刀儀監(jiān)測(cè)到的刀具誤差超過門檻值，即認(rèn)為刀具已破損或超過了允許的磨損值，則機(jī)床自動(dòng)報(bào)警停機(jī)，然后強(qiáng)制進(jìn)行刀具的更換，可提升工件加工質(zhì)量，同時(shí)可保護(hù)刀具及機(jī)床。
（2）刀具動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)床在工作循環(huán)過程中，產(chǎn)生各種熱量，導(dǎo)致機(jī)床產(chǎn)生變形，特別是絲杠的熱伸長(zhǎng)，使刀尖位置發(fā)生變化，其結(jié)果是加工工件的尺寸精度會(huì)受到影響。在線對(duì)刀儀可精確測(cè)量刀具動(dòng)態(tài)參數(shù)，提升刀具測(cè)量精度。
隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，以及在線對(duì)刀儀優(yōu)勢(shì)的逐漸顯現(xiàn)，在線對(duì)刀已成為一種趨勢(shì)。利用安裝在加工中心上的對(duì)刀儀，可對(duì)刀具長(zhǎng)度、直徑進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，生成刀補(bǔ)值，并自動(dòng)輸入至數(shù)控系統(tǒng)中，可自動(dòng)、實(shí)時(shí)、快速地檢測(cè)刀具參數(shù)，并反饋至數(shù)控系統(tǒng)中。
3在線對(duì)刀儀應(yīng)用
3.1在線對(duì)刀儀結(jié)構(gòu)
在線對(duì)刀儀系統(tǒng)由對(duì)刀儀、防水通信電纜及宏程序?qū)Φ盾浖M成，如圖2所示。
對(duì)刀儀的核心部件是由一個(gè)傳感器，一個(gè)高硬度、高耐磨的硬質(zhì)合金對(duì)刀探針和一個(gè)信號(hào)傳輸接口器組成[3]。探針用于與刀具進(jìn)行接觸，并通過安裝在其下的撓性支撐桿，把力傳至傳感器，傳感器發(fā)出的通、斷信號(hào)通過信號(hào)傳輸接口器傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，進(jìn)行刀具方向的識(shí)別、運(yùn)算、補(bǔ)償和存取等。
當(dāng)?shù)毒哂|碰對(duì)刀探針并向下移動(dòng)時(shí)，觸動(dòng)對(duì)刀儀內(nèi)的高精度開關(guān)，通過通信電纜向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)接收信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償。
3.2在線對(duì)刀儀工作原理
在線對(duì)刀儀是一種刀尖位置檢測(cè)裝置[4]，在刀具更換、磨損時(shí)可檢測(cè)刀尖的長(zhǎng)度、直徑誤差，通過校正對(duì)刀原點(diǎn)保證加工精度；在工件加工時(shí)，在需要使用多把刀具加工時(shí)，以一把刀為基準(zhǔn)建立工件坐標(biāo)系，然后將基準(zhǔn)刀對(duì)到對(duì)刀儀表面，記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，在刀具更換后，通過使用對(duì)刀儀對(duì)刀，自動(dòng)修正刀具高度差，代替手工對(duì)刀，提高加工中心對(duì)刀效率及對(duì)刀精度（精度可達(dá)2μm），對(duì)刀儀長(zhǎng)度方向校準(zhǔn)工作原理如圖3所示。
3.3在線對(duì)刀儀安裝、調(diào)試
通過調(diào)研，在公司雙面臥式鏜銑加工中心進(jìn)行了在線對(duì)刀儀試驗(yàn)，加工中心使用SINUMERIC840D數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了兩組測(cè)頭信號(hào)的輸入端子，可滿足在線對(duì)刀儀的安裝。在線對(duì)刀儀安裝分為硬件安裝、測(cè)量軟件安裝及測(cè)量程序調(diào)試3個(gè)步驟，具體操作如下。
（1）硬件安裝通過支架（底面及安裝面精銑加工）將對(duì)刀儀固定在機(jī)床的工作臺(tái)上，如圖4所示。通過防水通信電纜將對(duì)刀儀與機(jī)床X121插頭連接，如圖5所示，在與西門子840D/810D系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)頭信號(hào)的連接時(shí)，把測(cè)頭的輸出信號(hào)接到X121的第9（或第28）腳，把X121的第10（或第29）腳接到信號(hào)的參考地。
（2）測(cè)量軟件安裝測(cè)量軟件由5個(gè)子程序組成，程序名稱及功能見表1。
表1測(cè)量軟件程序名稱及功能
將上述5個(gè)子程序的軟件安裝包拷貝至機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，通過測(cè)量軟件包內(nèi)提供的功能來完成測(cè)頭的標(biāo)定，可找出探針測(cè)量面在正常使用條件下的觸發(fā)位置，標(biāo)定的結(jié)果被自動(dòng)存儲(chǔ)到宏程序變量中為刀具測(cè)量程序使用。
測(cè)量軟件采用二次觸發(fā)的原理進(jìn)行測(cè)量，第一次觸發(fā)以較快的速度進(jìn)行，然后從觸發(fā)位置后退一微小距離，再以較慢的速度進(jìn)行第二次觸發(fā)，既可提升測(cè)量效率，又可提升測(cè)量精度。
（3）測(cè)量程序調(diào)試具體有如下3步。
1）測(cè)頭的標(biāo)定。為使測(cè)頭得到預(yù)期的測(cè)量精度，除對(duì)探針的各表面進(jìn)行找正外，還須對(duì)刀具測(cè)頭進(jìn)行全方位的標(biāo)定，標(biāo)定的目的是確定測(cè)頭的準(zhǔn)確位置和探針的精確尺寸。刀具測(cè)頭的標(biāo)定通常使用標(biāo)準(zhǔn)芯棒進(jìn)行（見圖6），用來標(biāo)定測(cè)頭的芯棒的長(zhǎng)度和直徑均準(zhǔn)確已知，標(biāo)定的內(nèi)容為長(zhǎng)度標(biāo)定和直徑標(biāo)定。
2）刀具尺寸測(cè)量。通過調(diào)用刀具測(cè)量子程序，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)刀具長(zhǎng)度測(cè)量（程序號(hào)：L967）、半自動(dòng)刀徑測(cè)量（程序號(hào)：L968）、全自動(dòng)刀具長(zhǎng)度測(cè)量（程序號(hào)：L969）及刀具破損檢測(cè)（程序號(hào)：L969）。下面以全自動(dòng)刀具尺寸測(cè)量為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
使用全自動(dòng)刀具測(cè)量子程序，可完全自動(dòng)完成刀具的尺寸測(cè)量，程序按下列步驟（見圖7）完成整個(gè)測(cè)量過程：①從刀庫中選刀、換刀。②在探針上方移動(dòng)X、Y坐標(biāo)。③快速保護(hù)移動(dòng)到快速高度（高度值a）并激活被測(cè)刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償。④測(cè)量刀長(zhǎng)（輸入R7=1或R7=3）。⑤測(cè)量刀徑（輸入R7=2或R7=3）。⑥Z軸快速返回到換刀位置。調(diào)用程序如下。
a）直徑測(cè)量b）直徑+長(zhǎng)度測(cè)量
圖7全自動(dòng)刀具測(cè)量移動(dòng)過程示意
L960
R3=s R7=w[R1=t HTN=“刀具名稱”R4=e R5=f]L969
3）刀具測(cè)量驗(yàn)證。使用預(yù)調(diào)節(jié)為直徑139mm的粗鏜刀進(jìn)行刀具直徑測(cè)量驗(yàn)證（見圖8），執(zhí)行L968測(cè)量程序，可快速測(cè)出刀具直徑尺寸（見圖9），測(cè)量結(jié)果為f 139.446mm。
測(cè)量程序如下。
L960
R1=1
R3=139
L968
4結(jié)束語
通過調(diào)研工程機(jī)械行業(yè)對(duì)刀方式及常用對(duì)刀儀的使用情況，提出一種適合大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)件刀具測(cè)量的自動(dòng)對(duì)刀儀，并在公司內(nèi)大型加工中心進(jìn)行了可行性及使用效果試驗(yàn)。實(shí)踐表明，在線對(duì)刀儀可快速檢測(cè)刀具長(zhǎng)度、直徑以及刀具破損情況，提升了大型結(jié)構(gòu)件的對(duì)刀效率。
