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