自制数控加工中心对刀仪1

自制数控加工中心对刀仪

广东省工商高级技工学校邱金土

【摘要】集合现代高新科学技术于一身的数控加工中心机床，它的主要特色之一是拥有刀具库。刀具库保证了机床切削时能快速换刀，减少辅助加工时间，同时能减少工件装夹次数，保证加工精度与效率。刀具库中的每一把刀具，其结构尺寸不相同，只有预先在数控系统中设好每把刀具的长度和直径方向的补偿值，才能使数控编程简单化，为此，测量每把刀的补偿值，是正确使用数控加工中心的基本工作。本文详细自介绍了完成这项基本工作任务时遇到的实际问题及解决方法。

【关键词】数控加工中心、对刀、刀补设定

【前言】随着机械加工制造业的发展，特别是为了加工各种形状结构复杂的工件，数控加工中心愈来愈受到生产企业的重视，并迅速在企业中得到普及。2004年秋，我校实习工厂购买了四台广州鑫泰科技有限公司生产的GSVM6540型数控加工中心。这种数控加工中心有容纳10把刀具的刀具库。通过两年多的使用，我们已经能熟练操作这种机床，并积累了一些生产经验。

合理使用数控加工中心的刀具库，使之正常运转，是确保加工中心高效率，高质量工作的基本前提。我们实际生产操作中，刀具库里一般安装高速钢铣刀，有四刃端面铣刀，有球头铣刀，有钻头，还有锥形铣刀等等。刀具是通过专用锥柄拉钉夹头（BT40）装夹，放在刀库中的，使用时由自动装置将刀具安置在主轴的BT40锥孔上，并由气动机构拉紧，如图一所示。

刀具库中的刀具，直径大小不相同，尽管每把刀具的夹头

型号一样，每把刀的刀尖到主轴鼻端面的距离是不相同的，也

就是说，每把刀的“长度”是不一样的。我们在给工件编制加

工程序时，为了编程方便，通常不管用到几把刀加工，都认为

每把刀工作时其刀尖都处在工件坐标系的同一起点上，也可理

解为每一把刀的“长度”一样。这样一来，我们就要在加工之

前先完成刀具库中每把刀具的对刀工作，设好每把刀的长度补

偿值。一些特殊的偏心刀具，还要完成直径方向的补偿值。这样，每把刀就能按加工程序正常参加切削，加工出尺寸合格的工件来。我们学校使用的刀具，全是圆柱形有对称轴心线的刀具，因此，只要做好长度方向补偿就可以了。

数控加工中心设置刀具长度补偿的对刀方法一般是用定点对刀法。传统的做法是：先将刀具库中的1号刀为基准刀，在工作台上选定一个平面作参考面，用手轮将1号刀沿Z轴方向慢慢靠近参考面，当刀尖刚接触到参考面时，停止Z轴进给，将此时的Z轴刀尖的相对坐标值设置为0；并将1号刀长度补偿值的参数也输入0；然后更换刀库中的2号刀，以同样的方法，让2号刀刀尖慢慢接近参考面，到刚接触时，停止其Z轴进给，观察其Z轴相对坐标的值，它就是2号刀与1号刀在长度方向的差值，也就是2号刀的长度刀补值，将这个值输入到数控加工中心的刀具补偿参数表中；以同样的方法，完成3号刀，4号刀，……，10号刀的长度补偿值设置工作。这样，

实际加工时，刀具库中的所有刀就能按同一程序、同一工件坐

标系的切削轨迹运行了。

在实践过程中，特别是对于刚学习操作机床的新同学来说，

用这种定点对刀方法时，他们难于判断每把刀接近参考面的位

置，因此，经常出现更换刀具后，刀具切削轨迹与预想的不一

致，造成Z轴方向工件尺寸过小或过大的现象，这就是刀具长

度补偿值没有正确测定所造成的。更换刀具后，工件Z轴方向

实际加工尺寸比预定值小，说明刀具补偿量太小；如果实际加

工尺寸比预定值大，说明刀具补偿量又过大。为了解决这个问

题，更直观地测量出每把刀的长度补偿值，经过摸索，我们自

己设计加工了一个“对刀仪”，如图二所示。

一、“对刀仪”的结构及主要零件加工

这个“对刀仪”由6个零件组成。零件5是测量砧板，主要作用是承接主轴上刀具，与刀尖接触，并将主轴Z轴的位移量传递给传动杆。零件4是弹簧，用φ1mm的钢丝绕制，起缓冲和复位作用。零件3是测量机构的传动杆，它负责将测量砧板接受到主轴Z轴的微小移动量传递到圆柱销（图中没有画出，它与传动杆成一整体），再由圆柱销传递给百分表，使百分表的测量杠移动。零件2是量程为0-5MM的百分表，当主轴Z轴的移动传递到百分表测量杠杆时，百分表的长针发生偏转，我们可以直观地观察主轴Z轴的移动情况，从而精确控制每把刀具到达定点测量位置，测出每把刀具的长度补偿值；零件1是“对刀仪”机座，它是整个“对刀仪”的基础，起到集合零件，固定机构，提供稳定测量位置的作用。

这个“对刀仪”结构简单，零件加工也容易。主要零件加工工艺情况如下：

机座是这个“对刀仪”体积最大的零件。我们根据自身的实际条件，选用HT20-40灰铸铁材料。这种材料价格低，容易得到，机械切削性能也好，同时也能很好满足实际测量需要。加工时，要把住两个质量关：1、保证该工件的外形尺寸和每个外表面形状、位置精度，并使每个外表面足够光滑，美观。2、保证该工件内孔及开槽处各部分与其它零件配合的精度：机座和百分表外壳是过盈配合好，与传动杆，测量砧是间隙配合。

机座的具体加工工序是：

①、粗加工外表面，留精加工余量每侧0.5MM。按零件图纸尺寸下好毛坯材料后。选择粗基准，划出加工界线，用机用虎钳装夹，在立铣床上铣削它的六个外表面及底部凹陷处。铣削前要对照加工界线找正工件，用直径为16MM的圆柱平面铣刀，主轴转速为400转/分钟，进给量为100MM/分钟。铣削方法是每铣削完一个面，即铣削其平行面，并及时检查其尺寸。然后铣削相邻垂直的平面，直至铣完所有平面。

②、精铣削加工外表面。核查粗加工后得到的尺寸，选择精基准，保证工件外形尺寸及各表面的平行度，垂直度要求，精铣削各部位至图纸要求最终尺寸。精铣加工时，更换一把刀刃锋利的新铣刀，主轴转速为800转/分钟，进给量保持100MM/分钟不变。

③、粗加工机座的两处内圆柱孔部位。划出加工界线，用立铣床钻安装传动杆和测量砧垂直方向的孔，并扩孔，留0.5MM精加工余量。再钻安装百分表的横方向孔，扩孔并留0.5MM加工余量。

④、精镗削机座两孔至图纸要求的尺寸和表面精度。工件加工完成后，要全面检查各部位的尺寸，保证质量合格，配合面到达精度要求。

传动杆和测量砧的加工。测量工作时，加工中心主轴不转动，并且是轻微缓慢向测量砧靠近的，因此，这两个零件受力轻微，同时，工作时它们的行程很小，一般不超过1MM，而且是低速移动，所以，对这两个工件的强度要求不高。我们选用AL0号铝材为原料，加工这两个零件，这样测量砧板对刀具还可以起到保护作用，不会伤害刀刃结构。这两个零件装配时，是靠过盈配合来连接成一整体的，这样可以简化结构，减少连接零件。它们的加工方法是：

这两个工件都是圆柱轴类型工件，因此采用车削工艺加工。铝材具有很好车削性能，可以通过一次装夹完成粗、精车削加工。用三爪卡盘一端装夹工件，粗车主轴转速选300转/分；精车主轴转速选700转/分。进给速度可选80MM/分。根据图纸尺寸要求，将两个工件车削成形。

传动杆车削完成后，在其中部，钻一个小孔，配上一个特制的圆柱销，使它方便与百分表的测量杆相连接。

二、对刀仪的装配与调试

所有零件加工完成后，就可以进行装配与调试。过程如下：

①、以机座为基础，先将传动杆3插入机座体的中心孔内，并使之靠紧机座顶面，其圆柱销水平朝正面，把弹簧置入测量砧板5的下端，再将测量砧板和传动杆用力压紧，并限制在机座体内部，使弹簧受一点轻微的压力。因为这两个零件都是铝材，过盈量只有0.10左右，因此不需要用太大力就可以将它们连接好。

②、将百分表圆形外壳压入机座体内（两者也是过盈配合），压入时，还要注意经常转动百分表刻

传动杆3的销子，用手轻轻压下测量砧，查检弹簧、百分表的

工作情况，务必使两者反应灵敏，否则，要仔细调节，直到轻

轻压下或松开测量砧时，百分表的长指示针都能立即转动，这

样装配工作才算顺利完成。

③、用数控加工中心的数控系统检查“对刀仪”的灵敏度。

将数控加工中心转换到手轮工作状态，将脉冲手轮设定到10

档，这样，脉冲手轮每转一格，加工中心的主轴Z轴移动0.01MM，

主轴压住的对刀仪的百分表长针也要转动一格。如果不行，就

要调节百分表游丝、缓冲弹簧4的预紧状态，消除装配产生的

无效间隙，直到两者完全读数一样。如图3所示。

调试合格后，即可给对刀仪喷油漆，增加保护层和美观性。

三、对刀仪工作原理及使用方法

这个“对刀仪”的工作原理是这样的：利用“对刀仪”的

百分表指针，精确指示刀库中每把刀的定点坐标位置，利用数

控加工中心的相对坐标系统，准确测定1号基准刀与其它所有刀具的长度差值，并将这些差值输入到数控系统的刀具长度补偿参数列表中，供数控系统运算和控制刀具运行使用。具体操作过程如下：首先，将“对刀仪”平稳地置于数控加工中心主轴的正下方，在数控系统面板输入换刀指令（M6T01），

将刀具库中的1号刀装入主轴（Z轴），不必让主轴旋转，用脉

板中心时，将手轮的Z轴脉冲调至1档，此时，脉冲手轮每转

一格，Z轴下降0.001毫米。小心使1号刀压住“对刀仪”的

测量砧板，并使弹簧4轻微受压，通过传动杠杆3，压住百分

表测量杆，使百分表长针偏转一定角度（大约90度就好，这

样可以消除百分表内部齿轮啮合间隙），用手转动百分表的外

表盘，使其长针所指的刻度线正好处于0刻度的位置，如图3

所示。

其次，在数控加工中心的数控系统中，将Z轴此时的相对

坐标值设定为0，如图四所示；1号刀是基准刀，不用补偿长

长度补偿参数列表中输入1号刀的长度补偿值“0”；如图五所

示。基准刀1号刀目前刀尖点是测量所有刀具的基准点，这个

点由百分表长针清楚地显示出来并固定好了。其它刀具只要将

这个对刀仪的测量砧板压住，使百分表长针指向这个0刻度，

就说明它的刀尖准确停到了1号基准刀刀尖的基准点位置了。

最后，用手轮快速（脉冲调至100档）升起Z轴，让百分

表长针自动复位，将1号刀放回刀具库，换2号刀到加工中心

的主轴中。并让主轴慢慢下降，使它接近“对刀仪”的测量砧

板，并改变手轮的Z轴脉冲至1档；慢慢转动脉冲手轮，使2

号刀刀尖压住“对刀仪”测量砧板，直到百分表的长针指到零刻度线上，这时，2号刀的刀尖位置就与

1号刀的基准0位重合了。此刻数控系统中显示的Z轴相对坐标值就是2号刀的长度补偿值，将此值输

入到数控系统的2号刀具长度补偿参数列表中，如图五所示，2号刀的长度补偿值是“-18.254MM”,这

就完成了2号刀的长度补偿对刀工作。

以同样的方法，完成3号、4号、…… 10号刀的长度补偿测量工作。图五中已经测定并输入了2

号刀、3号刀（-27.198MM）、4号刀(-19.676MM)的长度补偿值了,这些刀具都是圆柱形有对称轴线的刀

具，故其直径方向（形状D）补偿值都为“0”MM。

这样，整个刀具库10把刀的长度补偿值都可以准确地被测定，并输入到数控加工中心的补偿参数列表中，实现刀具的有效自动控制使用。

四、“对刀仪”使用效果

经过实践证明：这个“对刀仪”结构简单，制作容易，造价低廉，但实用效果很好，它使定点对刀工作由抽象变得直观，迅速，可靠。我们实习工厂的老师和同学用它进行过无数次对刀工作，每次都能获得精确的测量结果。这个“对刀仪”经受住了时间考验，深受老师和同学们的欢迎。我们也希望同行们能分享我们工作的喜悦和经验。

五、结束语

自制“对刀仪”成功解决了数控加工中心对刀的难题。从中我们体会到，高科技的数控加工设备增强了我们的生产能力，同时，也给我们提出了更高的要求。我们需要不断学习，细心观察，认真分析，多动脑，勤动手，不断提高自身的素质，才能更好地使用这些先进设备。技术改造与革新是实际生产活动中积极的要素。

参考资料： 1、《金属切削实用刀具技术》机械工业出版社

2、《机械制造技术》化学工业出版社

3、《FANUC oi Mzte-MC 操作说明书》