你知道怎么對刀嗎？對刀視頻詳解數(shù)控機床“對刀”原理解析及應用
大家對數(shù)控機床中的“對刀”方法與操作早已“熟知”，然而，對其蘊含的“對刀基本原理”卻很少有人“深究”，本人結合自己多年數(shù)控機床操作與維修的經(jīng)驗，你知道怎么對刀嗎？對刀儀視頻詳解數(shù)控機床“對刀”原理解析及應用,100唯爾教育網(wǎng)小編就關于數(shù)控機床“對刀”的一些基本原理和應用，和讀者作一些探討交流。
一、相關對刀的一些數(shù)控機床概念
在我們進行闡述原理之前先介紹幾個基本概念術語，這些都和“對刀”相關，了解了這些概念之后，有助于我們對“對刀”原理更深層次的理解。
1.機床參考點：機床中的一固定點，是用來建立機床坐標系的基準，由機床生產(chǎn)廠家確定，對于采用非記憶型編碼器的機床開機后通常要執(zhí)行“回參考點”工作。
2.機床坐標系：由機床生產(chǎn)廠家確定，對于“有擋塊”的非“絕對編碼器”的機床而言，通常是通過回“參考點”之后進行確立，是機床確立自身部件的依據(jù)，在加工的過程中，其他坐標系都要通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部邏輯“換算關系”轉換成“機床坐標系”，即機床坐標系是數(shù)控系統(tǒng)唯一能夠“識別”的坐標系。
3.機床原點：即機床坐標系的零點，機床坐標系建立之后“零點” ( 即“機床原點”) 隨之確立，它可以和機床參考點重合一致( 即機床原點與機床參考點是同一點) ，也可以不一致，一般是可以通過數(shù)控機床“系統(tǒng)參數(shù)”進行設置確定。
4.工件坐標系： 是由編程人員確定，是編程坐標系，主要是考慮編程、加工及裝夾等方便而進行設置，是編制程序時的基準。
5.對刀點:：進行“對刀”操作時的參考基準點，是指程序起點處刀具刀位點；通常是以刀具的加工切削點( 一般是以刀具的刀尖) 為基準，通過對“對刀點”的操作與識別，使數(shù)控系統(tǒng)建立起機床坐標系與工件坐標系之間的聯(lián)系。對刀點可以設置在零件、夾具上或機床上面，盡可能設在零件的設計基準或工藝基準上；
6.刀位點：刀位點是刀具上的一個基準點，刀位點相對運動的軌跡即加工路線，也稱編程軌跡。圓柱銑刀的刀位點是刀具中心線與刀具底面的交點；球頭銑刀的刀位點是球頭的球心點；車刀的刀位點是刀尖或刀尖圓弧中心；鉆頭的刀位點是鉆頭頂點；立銑刀、端銑刀的刀位點是刀具軸線與刀具底面的交點；球頭銑刀刀位點為球心；鏜刀、車刀刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心；鉆頭是鉆尖或鉆頭底面中心；線切割的刀位點則是線電極的軸心與零件面的交點。
各類數(shù)控機床的對刀方法是不完全一樣的。
7.換刀點：則是指加工過程中需要換刀時刀具的相對位置點。也可以理解為換刀時的刀位點。換刀點往往設在工件的外部，以能順利換刀、不碰撞工件及其其它部件為準。
二、“對刀”概念及作用
1.對刀和對刀點
對刀是指操作員在啟動數(shù)控程序之前，通過一定的測量手段，使刀位點與對刀點重合?？梢杂脤Φ秲x對刀，其操作比較簡單，測量數(shù)據(jù)也比較準確。還可以在數(shù)控機床上定位好夾具和安裝好零件之后，使用量塊、塞尺、千分表等，利用數(shù)控機床上的坐標對刀。對于操作者來說，確定對刀點將是非常重要的，會直接影響零件的加工精度和程序控制的準確性。在批生產(chǎn)過程中，更要考慮到對刀點的重復精度，操作者有必要加深對數(shù)控設備的了解，掌握更多的對刀技巧
編程人員采用的是“工件坐標系”，而數(shù)控機床所能夠識別的是“機床坐標系”，如何讓數(shù)控系統(tǒng)能夠“明知”用戶建立的工件坐標系在“何處”，這就需要進行“對刀”操作，即“確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置”，進行“對刀”操作完畢之后，對刀點的移動軌跡應是編程人員指定工件坐標系中規(guī)定的移動路線軌跡。因此，“對刀”操作實際上是建立起了機床坐標系與工件坐標系之間的聯(lián)系，從而使它們之間可以相互轉換。即
工件裝夾方式在機床確定后，通過確定工件原點來確定了工件坐標系，加工程序中的各運動軸代碼控制刀具作相對位移。例如：某程序開始第一個程序段為N0010 G90 G00 X100 Z20 ，是指刀具快速移動到工件坐標下 X=100mm Z=20mm處。究竟刀具從什么位置開始移動到上述位置呢？所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標系下開始運動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時刀具相對于工件運動的起點，所以稱程序起始點或起刀點。此起始點一般通過對刀來確定，所以，該點又稱對刀點。
在編制程序時，要正確選擇對刀點的位置。對刀點設置原則是：
1）便于數(shù)值處理和簡化程序編制。
2）易于找正并在加工過程中便于檢查。
3）引起的加工誤差小。
對刀點可以設置在加工零件上，也可以設置在夾具上或機床上，為了提高零件的加工精度，對刀點應盡量設置在零件的設計基準或工藝基準上。例：以外圓或孔定位零件，可以取外圓或孔的中心與端面的交點作為對刀點。
實際操作機床時，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點放到對刀點上，即“刀位點”與“對刀點”的重合。所謂“刀位點”是指刀具的定位基準點，車刀的刀位點為刀尖或刀尖圓弧中心；平底立銑刀是刀具軸線與刀具底面的交點；球頭銑刀是球頭的球心，鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時間，提高對刀精度。
加工過程中需要換刀時，應規(guī)定換刀點。所謂“換刀點”是指刀架轉動換刀時的位置，換刀點應設在工件或夾具的外部，以換刀時不碰工件及其它部件為準。
三、對刀原理
由以上論述得知，“對刀”的最終任務是: 確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置，即確立二者之間的關系。為了闡述方便，繪制了圖1 進行說明。
設定工件坐標系與機床坐標系的關系為如圖1所示，工件坐標系的原點在機床坐標系中的坐標( X'，Z') 值為( Δa，Δb) ，則工件坐標系中的任一點A ( X，Z) 轉換成機床坐標系中的值為：工件坐標系中的坐標值與原點偏移值的代數(shù)和，即
因此，如果能夠確定了工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值( Δa，Δb) ，則程序中工件坐標系的值便可順利得轉換成機床坐標系的值，能夠被數(shù)控系統(tǒng)所識別。所以，數(shù)控系統(tǒng)也正是事先通過“對刀”操作，獲取并記錄“工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值( Δa，Δb) ”，然后再根據(jù)式( 1) 計算出機床坐標系的值，這正是“對刀原理”。
下面以華中世紀星數(shù)控車床為例，通過不同的“對刀方法”，分析數(shù)控系統(tǒng)是如何獲取偏移值( Δa，Δb) 進行“對刀”的。
(1) 試切對刀。設工件坐標系的建立如圖2 所示，X 軸在工件的右端面，Z 軸在主軸的中心線上，則“對刀”步驟為:
①Z 向對刀: 手動模式→試切工件端面→Z 方向不動，沿X 方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3 操作界面，按開始鍵將光標移至“試切長度”→輸入Z 方向工件坐標系的值( 因為此時工件坐標系的原點建立在工件的右端面，Z 向坐標值為0，即輸入0 即可; 如果不是在右端面，輸入相應的坐標值即可。) →按回車→系統(tǒng)自動計算出“Z 偏置”值( 工件坐標系的原點在機床坐標系中的Z 向坐標值) ，該刀Z 方向對刀完畢。
②X 向對刀: 試切外圓→X 方向不動，沿Z 方向退出→測量出工件直徑a ( 即X 向的工件坐標系的值，系統(tǒng)會自動計算出半徑值) →MDI F4→刀偏表F2，出現(xiàn)圖3 操作界面，按開始鍵將光標移至“試切直徑”→輸入測量的直徑a→回車→系統(tǒng)自動計算出“X 偏置”值( 工件坐標系的原點在機床坐標系中的X 向坐標值) ，該刀X 方向對刀完畢。
“試切對刀”的操作過程原理是: 機床回參考點后，系統(tǒng)能夠自動確立當前“對刀點”A ( X，Z)的機床坐標值→操作人員測量工件坐標系的值( X，Z) 輸入數(shù)控系統(tǒng)→數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)二者的關系計算出偏移值( Δa，Δb) →確定工件坐標系的零點在機床坐標系中的位置→建立起二者之間的聯(lián)系
在程序加工過程中系統(tǒng)根據(jù)式(1) 將工件坐標系的值換算成機床坐標系的值。其中X'、Z' 為對刀點的機床坐標值，X測、Z測值為對刀過程中的測量( 工件坐標系) 值，在測量過程中X測為直徑值的一半( 在直徑編程方式下輸入直徑值，系統(tǒng)會自動進行取半) ，Z測為試切長度。
(2) G92 指令建立。另外一種“對刀”方法是用指令G92，在程序中直接指定進行建立，格式為G92 X----，Z----，即建立起的坐標系使當前“對刀點”的坐標值為指令中指定的值，如圖4 所示: 當?shù)毒摺皩Φ饵c”走到A 點時，用指令“G92 X60，Z50”是確定了當前“對刀點”的坐標值是工件坐標系中X60、Z50 的位置，也就是分別距離當前對刀點“逆向”X 向60、Z 向50 的位置為工件坐標系的原點。假如當前點的機床坐標系中的值為X' = 150，Z' = - 200，則工件坐標系的零點在機床坐標系中的實際位置是X' = 90，Z' = - 250 ( 注: 為說明方便，X 向假設為半徑編程方式，直徑編程時原理相同，數(shù)值直接乘以2 即可) 。
此種方法也是系統(tǒng)已知機床坐標值，工件坐標系的值由G92 程序指令中指定( 不像“試切對刀”需要進行測量) ，根據(jù)式( 2) 系統(tǒng)很方便的計算出偏移值( Δa、Δb) ，完成“對刀”。
(3) 指定原點。第三種方法是: 用戶如果能夠確立工件坐標系與機床坐標系的關系，則可以直接在“對刀”操作界面圖3 “X 偏置”、“Z 偏置”欄中輸入工件坐標系在機床坐標系中的偏移值，這實際上是直接“告知”了系統(tǒng)“工件坐標系的原點在機床坐標系中的位置”，從而確立了二者之間的聯(lián)系。
四、數(shù)控對刀應用意義
(1) 只要“對刀點”位置未改變( 即保證刀具裝夾方式未改變，暫不考慮刀具磨損) ，工件坐標系的原點相對于機床原點位置未改變，多次重復加工時勿需重新“對刀”。
在實際批量生產(chǎn)中，刀具裝夾合適后，就不會隨意更換，如果不考慮刀具本身磨損，則可以保證“對刀點”不變，所以唯一可能改變的是工件坐標系的原點相對于機床原點位置。在數(shù)控車床中，建立的工件坐標系Z 軸一般與主軸中心重合( 臥式車床) ，其精度可用三爪卡盤準確定位進行保證，所以工件坐標系的原點X 向不會改變，而可能改變的是Z向，因為同樣是將工件坐標系的原點建立在工件的“右端面”，但由于工件裝夾時毛坯料伸出的長短不一致，可能導致“原點偏移”，此時如果不重新“對刀”則會造成多次加工的工件不一致。因此，為了保證Z 向“伸出材料長度”一致，避免“重新對刀”，通常的做法是: 首先，裝夾毛坯件時采用“樣板”粗定位( 即裝夾時用“樣板”作基準，或用專用夾具定位) ; 其次，在程序中加入“平整端面”的語句行，進行精確定位，以消除Z 向由于裝夾時帶來的“粗大誤差”。下面是常用的模板指令程序代碼：
(2) 用G92 建立的坐標系，多次重復運行時要防止“原點”可能“跑偏”。在實際程序加工過程中，由于G92 建立的坐標系是以刀具“當前點”為前提，“逆向反推”指令中指定的距離后得到工件坐標系的零點，所以，雖是同一條指令，但刀具“當前點”位置不同，最終的工件坐標系建立的原點也不同，這就要求同一程序反復使用時注意它們的“起刀點”位置要相同，否則，工件坐標系的零點位置會“跑偏”，如果不重新進行“對刀”操作，輕則加工出的零件精度不一致，零件尺寸錯誤產(chǎn)生“廢品”，重則產(chǎn)生“撞刀”，釀成事故，所以，在實際程序加工過程中，在程序結束前務必將“刀具”停留在建立工件坐標系“起始”的位置處。
(3) 采用直接輸入工件坐標系原點的方法時要特別“慎重”。第三種“對刀”方法實際上已知二者的關系時才會用到，它一般是在“首件試切”前，為了驗證“走刀路線軌跡”，確保刀具不會“撞到工件”的安全情況下，而又略去進行“試切對刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁瑣，所以通常是先手動進給軸至安全距離，然后記錄下“機床坐標系的坐標值”進行輸入，此種方法更多的是用在“調(diào)試程序”階段，在“空走刀”的情況下驗證其“軌跡”，由于此種方法往往在程序中設定進給速度很快，甚至在機床操作面板中設置“空運行”按鈕有效，所以輸入時一定要確保: “指令最大運行范圍值”在實際運行中處于“絕對安全范圍”內(nèi)，否則會因設置不當造成“撞刀”，甚至引發(fā)人身安全事故，對于初學者此種方法要“慎用”。
五、結語
由以上論述得知，數(shù)控機床工作過程中各坐標系的建立與轉換的相互關系為: 機床開機→回參考點→確立機床原點→確立機床坐標系; 編程人員→確立工件坐標系→對“對刀點”進行“對刀”操作→確立工件坐標系在機床坐標系中的位置→數(shù)控系統(tǒng)在零件加工過程中把工件坐標系轉換成機床坐標系。因此， “對刀”操作是數(shù)控加工過程中重要的一環(huán)。
“對刀”方法雖然形式多樣，但最終的目標只有一個: 確立工件坐標系的原點在機床坐標系中的偏移值?！霸嚽小睂Φ逗汀癎92 程序指令”的方法是告知系統(tǒng)當前的工件坐標系的值，讓系統(tǒng)“反推”出“偏移值”，只不過“試切”對刀的方法是通過操作人員的測量，而后者是直接在程序中指定; “直接輸入”的方法則是直接告知系統(tǒng)工件坐標系原點的信息。
本文中雖是以“華中數(shù)控”系統(tǒng)車床為例，但原理同樣適用于其他廠家的數(shù)控系統(tǒng)，不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)其“對刀”方法與步驟雖“略有不同”，但總體“大同小異”，其基本原理是“相通”的; 而對于銑床與加工中心，只不過是增加了第三或第四軸，所以，本文所講得“對刀原理”具有普遍的意義。
對“對刀原理”的深刻理解有助于我們更好的進行“對刀”操作，了解數(shù)控機床中坐標系的確立過程與零件加工、進給運動部件位置的精確定位原理，從而更加靈活的對機床進行操作及運用編程指令進行程序編制，更好的發(fā)揮機床的生產(chǎn)效率。
作者：華北機電學校 焦連岷
原文刊發(fā)于：《金屬加工（冷加工）》2014年第9期59頁，金屬加工版權所有
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