数控加工中心常用对刀方法及其应用（图文教程）

    摘要：阐述数控加工中心加工中常用的几种典型对刀的操作方法 ,对在对刀过程中功能模块进行描述比较 ,并对其在数控编程和加工中的应用进行介绍。

    关键词：对刀  测量仪器  编程原点  工件坐标系

1.前言

    随着科学技术和社会生产的迅速发展 ,机械产品日趋复杂,社会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。传统的普通机床逐渐被高精度高效率高自动化的数控机床所代替。数控机床的普及使用以及计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术的迅速发展 ,大幅度地缩短了产品的制造周期,提高了产品的加工质量和市场竞争力 ,因而具有广泛的发展前景和显著的经济效益。而在数控加工中 ,对刀是很关键的一步 ,对刀操作的不正确 ,将直接影响零件的加工质量。也可能导致刀具与数控机床发生碰撞 ,造成不良后果。本文主要叙述数控立式铣加工中心加工中常用的机内对刀方法 ,并与数控编程有机的结合起来。

2.数控加工中的对刀原理

    工件在机床上定位装夹后 ,必须确定工件在机床上的正确位置 ,以便与机床原有的坐标系联系起来。确定工件具体位置的过程就是通过对刀来实现的,而这个过程的确定也就是在确定工件的编程坐标系 (即工件坐标系 ),编程加工都是参照这个坐标系来进行的。在零件图纸上建立工件坐标系 ,使零件上的所有几何元素都有确定的位置 ,而工件坐标系原点是以零件图上的某一特征点为原点建立坐标系 ,使得编程坐标系与工件坐标系重合。

     对刀操作实质包含三方面内容 :第一方面是刀具上的刀位点与对刀点重合；第二方面是编程原点与机床参考点之间建立某种联系；第三方面是通过数控代码指令确定刀位点与工件坐标系位置。其中刀位点是刀具上的一个基准点 (车刀的刀位点为刀尖 ,平头立铣刀的刀位点为端面中心 ,球头刀的刀位点通常为球心 ),刀位点相对运动的轨迹就是编程轨迹 ,而对刀点就是加工零件时 ,刀具上的刀位点相对于工件运动的起点。一般来说,对刀点应选在工件坐标系的原点上 ,这样有利于保证对刀精度,也可以将对刀点或对刀基准设在夹具定位元件上 ,这样有利于零件的批量加工。

     在数控立式铣加工中心加工操作中 ,对刀的方法比较多 ,本文介绍常用的几种机内对刀操作方法。对刀过程流程图如图 1:

3.对刀方法及其特点

    立式铣加工中心 XY方向对刀和 Z方向对刀的方法以及对刀仪器是不相同的 ,下面把它们区分开来进行描述。

    在实际对刀之前 ,要确保机床已经返回了机床参考点 (机床参考点是数控机床上的一个固定基准点 ),各坐标轴回零 ,这样才能建立起机床坐标系 ,对刀以后才能将机床坐标系和编程坐标系有机的结合起来。

3.1 XY方向对刀

    XY方向机内对刀主要有寻边器对刀、试切法对刀和杠杆百分表对刀等几种方法。

3.1.1寻边器对刀

    寻边器对刀精度较高 ,操作简便﹑直观﹑应用广泛。采用寻边器对刀要求定位基准面应有较好的表面粗糙度和直线度 ,确保对刀精度。常用的寻边器有标准棒 (结构简单、成本低、校正精度不高 )﹑机械寻边器 (要求主轴转速设定在 500左右 )(精度高、无需维护、成本适中 )和光电寻边器 (主轴要求不转 )(精度高,需维护 ,成本较高 )等。在实际加工过程中考虑到成本和加工精度问题一般选用机械寻边器来进行对刀找正。图 2为机械寻边器简图。

     当工件原点在工件中心时通常采用对称分中法进行对刀 ,其步骤如下 :( 1)装夹工件 ,将机械寻边器装上主轴 ;( 2)在 MDI模式下输入 S500M03并启动 ,使主轴转速为 S500;( 3)用“手轮”方式 ,通过不断改变倍率使机械寻边器靠近工件 X负向表面(操作者左侧 ),测量记录 X1,同样运动机械寻边器至工件 X正向表面 (操作者右侧 ),测量记录 X2(测量记录 X值时 ,必需到 POS-->综合 -->机械坐标系中读取 ) ;( 4)采用同样的方法分别在 Y正向 (远离操作者 )负向 (正对操作者 )表面找正 ,记录 Y1、Y2;( 5)计算 (X1+X2)/2,(Y1+Y2)/2,分别将计算结果填入 OFFSETSETTING-->坐标系 -->G54的 X和 Y中 ;( 6)提升主轴 ,在 MDI模式下运行 “ G90G54G0X0Y0”,检查找正是否正确。

    当工件原点在工件某角 (两棱边交接处 ),其步骤如下 :( 1)如果四边均为精基准 ,或者要求被加工形状与工件毛坯有较高的位置度要求 ,采用先对称分中 ,后平移原点的方法 ;( 2)只有两个侧面为精基准时 ,采用单边推算法。

3.1.2试切法对刀

    试切法对刀方法简单 ,但会在工件上留下痕迹 ,对刀精度较低 ,适用于零件粗加工时的对刀。其对刀方法与机械寻边器相同。

3.1.3杠杆百分表对刀

    杠杆百分表的对刀精度较高 ,但是这种操作方法比较麻烦,效率较低 ,适应于精加工孔 (面)对刀 ,而在粗加工孔则不宜使用。对刀方法为 :用磁性表座将杠杆百分表吸在加工中心主轴上 ,使表头靠近孔壁 (或圆柱面 ),当表头旋转一周时 ,其指针的跳动量在允许的对刀误差内 ,如0.02mm,此时可认为主轴的旋转中心与被测孔中心重合 ,输入此时机械坐标系中 X和 Y的坐标值到 G54中。

3.2  Z方向对刀

    考虑到对刀的工艺性 ,通常将工件的上表面作为工件坐标系 Z方向的原点。当零件的上表面比较粗糙不能用做对刀精基准时 ,也有以虎钳或工作台为基准作为工件坐标系 Z方向的原点,然后在 G54或扩展坐标系中向上补正工件高度填入。Z方向机内对刀主要有 Z向测量仪对刀、对刀块对刀和试切法对刀等几种方法。

3.2.1  Z向测量仪对刀

    Z向测量仪对刀精度较高 ,特别在铣削加工中心多把刀具在机上对刀时 ,对刀效率较高 ,投资少 ,适合于单件零件加工。图 3为 Z向测量仪的简图。

3.2.1.1加工中心单刀加工时 Z向对刀

    加工中心单刀加工 ,类似于数控铣床对刀不存在长度补偿的问题 ,步骤如下 :( 1)换上将用于加工的刀具 ;( 2)运动刀具到工件正上方 ,用 Z向测量仪测量工件与刀具之间的距离 ,记录下当前机床 (机械 )坐标系的 Z轴读数 Z;( 3)将 Z值扣除此时 Z向测量仪的高度 (如 50.03mm) ,然后将测量值填入OFFSETSETTING-->坐标系 -->G54的 Z项中 ;( 4)运行 G90G54 G0X0Y0Z100;检查找正是否正确。

3.2.1.2加工中心多刀加工时 Z向对刀和长度补偿方法一

(1)XY方向找正设定如前,将 G54中的 XY项输入偏置值,Z项值零;

(2)将用于加工的刀具 T1换上主轴 ,用 Z向测量仪找正 Z向值 ,记录下当前机床坐标系 Z项值 Z1,扣除 Z向测量仪高度后,填入长度补偿值 H1中;

(3)将刀具 T2装上主轴 ,用 Z向测量仪找正读取 Z2,扣除 Z向测量仪高度后填入 H2;

(4)依次类推将所有刀具 Ti用 Z向测量仪找正 ,将 Zi扣除 Z向测量仪高度后填入 Hi;

(5)编程时 ,采用如下方法补偿 :

     G91G28Z0;

     T1M6;

     G43H1;

     G90G54G0X0Y0Z100;

     ……(一号刀加工内容 )

     G91G28Z0;

     T2M6;

     G43H2;

     G90G54G00X0Y0Z100;

     ……(二号刀加工内容 )

     ……M5;

     M30;

    检查多刀找正结果 :

    G91G28Z0;

    T1M6;

    G43H1;

    G90G54G0X0Y0Z100;

    Z5;

    M1; ……(根据刀具数量 ,分别编写相应类似程序段)。

3.2.1.3加工中心多刀加工时 Z向对刀和长度补偿方法二

(1)事先在刀具测量仪上测量并记录刀具(连刀柄)长度h1、h2、h3……;

(2)找正时将上述刀具选择其一 Ti,装上主轴 (通常选择端铣刀 );

(3)移动 Z向位置 ,用 Z向测量仪找正 Z向值 ,记录当前机床坐标系中的 Z向读数 Z1;

(4)将 Z1扣除 Z向测量仪高度 ,再扣除 Ti的长度 hi,将计算结果填入 G54的 Z项中 ;

(5)将各刀长度 h1、h2、h3……,分别填入机床长度补偿存储器 H1、H2、H3中;

(6)编程方法及刀具长度补偿调用格式同前述。

    多刀加工方法一简便 ,无需购买额外设备 ,但当加工程序刀具较多时 ,稍显麻烦 ,每次更换零件需要多次重复对刀。多刀加工方法一的工件坐标系原点为工件中心正上方 ,当长度补偿取消后相对安全。多刀加工方法二工件坐标系原点位于工件上表面与主轴底端紧贴时的位置 ,当长度补偿取消后存在潜在危险。

3.2.2采用对刀块对刀

    为了避免损伤已加工的工件表面 ,在刀具和工件之间采用标准芯轴和块规对刀 ,其对刀过程类似 Z向测量仪对刀 ,完全凭经验手感使对刀块与工件表面轻微接触 ,计算时应将对刀块的厚度扣除 ,可见对刀精度不够高。

3.2.3试切法对刀

    采用试切法对刀方法简单 ,但会在工件上留下痕迹 ,且对刀精度较低 ,适用于零件粗加工时对刀操作。其对刀方法与 Z向测量仪相同。

4.注意事项及解决措施

(1)对刀操作以前 ,必须先执行机床回参考点操作 ,否则出现危险 ;

(2)计算必须准确 ;

(3)用 G54设定工件坐标系 ,应在 MDI方式下进行 ;

(4)使用对刀程序 ,可以防止由于对刀不准确等原因出现危险。

5.结束语

   本文阐述了数控加工中心加工中对刀方法在数控程序编程中的应用。机床操作者采用何种方式对刀取决于编程人员根据现场情况。零件加工阶段和操作者的习惯协调 ,可以使整个对刀操作简洁 ,并能保证零件加工质量。