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1、1 / 6 6. 8 加工中心 Z 向?qū)Φ斗桨冈O(shè)計(jì) 6. 8. 1 機(jī)床、刀具、工件的位置點(diǎn)及 Z 向?qū)Φ秵栴}執(zhí)行加工程序控制機(jī)床對(duì)工件加工 前，一個(gè)重要的前提是在機(jī)床的坐標(biāo)系 里，明確機(jī)床、工件和刀具所組成的加工 系統(tǒng)中相互位置，以便數(shù)控系統(tǒng)掌握足夠 的信息，正確地理解人的加工意圖，從而 代替人準(zhǔn)確地控制加工運(yùn)動(dòng)。 如圖6-8-1，以某立式加中心機(jī)床為 例，該機(jī)床設(shè)計(jì)機(jī)床參考點(diǎn) R與機(jī)床零點(diǎn)M 重合，各軸回正向極限時(shí)找到機(jī)床零點(diǎn)，回零時(shí)， 圖 6-8-1 立式加中心回零時(shí)的 Z 向高度各點(diǎn) 位于主軸孔端面中心的刀具參考點(diǎn) F亦與R、M重合，且刀具參考點(diǎn)與刀位點(diǎn)同在回轉(zhuǎn)主軸中心線上，那么，刀位
2、點(diǎn) X、Y向的位置 與刀具參考點(diǎn)重合，但 Z向位置不重合，可見，回零操作不能讓 CNC直接測(cè)量到刀位點(diǎn)的 Z 向位置。因此，機(jī)床零點(diǎn)、工件零點(diǎn)、刀位點(diǎn)在 Z向（刀長(zhǎng)方向）位置需要用別的方法來 確定。 6. 8. 2 機(jī)床、刀具、工件在 Z 方向相對(duì)位置值及寄存 1. 加工系統(tǒng)中Z向相對(duì)位置尺寸 如圖6-8-2所示，某立式加工中心機(jī)床 中，回零后，主軸端面中心（刀具參考點(diǎn)）正 位于機(jī)床原點(diǎn)位置，這是 Z軸正向行程的限位 開關(guān)位置，也是所有加工中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀所 在的位置。此時(shí)，切削刀具、工件上表面以及 工件高度在Z軸方向的位置關(guān)系如圖 2所示, Z軸方向共有a、b、c、d、e五個(gè)尺寸。 尺寸a
3、回零時(shí)，主軸端面中心到工作臺(tái)的最大距離，是機(jī)床生產(chǎn)廠家確定已知 值，也是b、c、d三個(gè)尺寸的總和。 尺寸b主軸端面中心和刀位點(diǎn)之間的距離。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)控刀具，可通過機(jī)外對(duì) 刀儀精確測(cè)量得到 T1/R/F 匸具奪考血占機(jī).宋 71 （4 A .工件| 圖 6-8-2 加工中心回零后，Z 向四個(gè)尺寸 2 / 6 這一尺寸。 尺寸c刀具刀位點(diǎn)到工件零點(diǎn) （ZWO）之間的距離。在刀具裝上主軸和工件定位裝 夾后，通過機(jī)內(nèi)對(duì)刀測(cè)量得到，反映刀具與工件間的最大 Z向相對(duì)位置值。 尺寸d工件相對(duì)工作臺(tái)的高度（工作臺(tái)上表面和工件 ZWO之間的距離）。在工件定3 / 6 位裝夾后，操作工可通過手動(dòng)操作機(jī)床測(cè)量得到
4、的。 尺寸e工件ZWO相對(duì)機(jī)床零點(diǎn)的高度距離， a=d+e，在工件定位裝夾后，操作工 可通過手動(dòng)操作機(jī)床測(cè)量得到的。 2. Z向相對(duì)位置尺寸的寄存 圖6-8-2中所示的五個(gè)尺寸，它們通常是已知的給定尺寸或可通過測(cè)量獲得，在機(jī)床 的精密調(diào)試中起相當(dāng)關(guān)鍵的作用。加工前，調(diào)整測(cè)量機(jī)床、工件和刀具在加工系統(tǒng)中 Z向 相對(duì)位置尺寸后，還需“告知”數(shù)控系統(tǒng)它們的位置關(guān)系， “告知”方法一般有如下方 式： 1、 在程序中用位置寄存器指令“告知”，如：把加工前刀具刀位點(diǎn)相對(duì)工件 Z0的位 置值用格式為：“ G92 Z丄”指令存儲(chǔ)到位置寄存器。 2、 把測(cè)量到的某些 Z向相對(duì)位置尺寸手動(dòng)輸入于工件偏置寄存器，如
5、，把機(jī)床零點(diǎn)與 工件零點(diǎn)Z向間的尺寸存儲(chǔ)于工件偏置寄存器 G54下的Z，用來調(diào)整機(jī)床零點(diǎn)的參考位 置和程序零點(diǎn)參考位置間的 Z向關(guān)系。 3、 把測(cè)量到的某些 Z向相對(duì)位置尺寸用 MDI方式存儲(chǔ)于刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償寄存器，用來 調(diào)整刀位點(diǎn)Z向高度位置。在程序中，刀具的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償用“ HXX ”表示，XX是某刀 具的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償編號(hào)；操作工相應(yīng)地在刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償寄存器的 HXX號(hào)下輸入測(cè)量長(zhǎng)度 補(bǔ)償值。 這些Z向相對(duì)位置尺寸如何定義、以何種名義存儲(chǔ)、存儲(chǔ)于何處，關(guān)系到 Z向?qū)Φ斗?案的設(shè)計(jì)。 下面將列舉加工中心的種種 Z向?qū)Φ斗桨覆⒎治鲋?6. 8. 3 基于機(jī)外對(duì)刀的 Z 向方案（方案 1） 如圖6
6、-8-3所示，這是一種最直接地以刀 位點(diǎn)到刀具參考點(diǎn)的 Z向刀長(zhǎng)作為刀具長(zhǎng)度補(bǔ) 償值，并把坐標(biāo)系的零點(diǎn)高度偏置到工件零點(diǎn) 高度的對(duì)刀方案。刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值絕對(duì)值就是 圖6-8-2中的尺寸b, Z向工件偏置值可最簡(jiǎn)單 地設(shè)成工件零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的 Z值一一圖 6-8-2中的e尺寸。 這種方法的Z向確定刀具與工件位置關(guān)系 的對(duì)刀原理是： 值，使用工件偏置（G54G59），并要求在與程序選定的工件偏置指令如（ G54）相應(yīng)的工 件偏置寄存器的位置（G54）下填寫設(shè)定的Z向工件偏置值。1、在保證刀具Z向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)不超程的前提下, 設(shè)定如圖 6-8-3所示的Z向工件偏置 圖 6-8-3 機(jī)外對(duì)刀的補(bǔ)償、偏
7、置方案 4 / 6 2、刀長(zhǎng)（刀位點(diǎn)到刀具參考點(diǎn)的 Z向距離）作為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值并輸入數(shù)控系統(tǒng)。 操作人員對(duì)所用的各把刀具編號(hào)；填寫刀具的調(diào)整單；將按刀號(hào)把刀具放置到刀庫的 相應(yīng)的刀位；使用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤顯示刀補(bǔ)畫面；為各把刀選適當(dāng)?shù)钠锰?hào)，并將各刀具 長(zhǎng)度作為補(bǔ)償值登記到刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償寄存器中相應(yīng)位置。 若程序中的刀具補(bǔ)償指令為 G43，刀長(zhǎng)作為補(bǔ)償值應(yīng)是一個(gè)正值，每個(gè)補(bǔ)償值都應(yīng)以 H偏置值的形式輸入到刀具長(zhǎng)度偏置顯示屏上。例如，設(shè)置刀具長(zhǎng)度的偏置值為 120 mm, 該刀具的偏置號(hào)為“ H05 ”，操作人員在偏置顯示屏上的“ 05”號(hào)下輸入測(cè)量長(zhǎng)度 “120”。 圖6-8-3中，可用箭頭方向
8、來判斷刀長(zhǎng)補(bǔ)償值和零點(diǎn)偏置值的正、負(fù)，箭頭方向指正 向?yàn)檎?，箭頭方向指負(fù)向?yàn)樨?fù)值。 當(dāng)CNC機(jī)床執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，所有切削刀具均可放置在刀具預(yù)調(diào)儀上測(cè)量，當(dāng)加工另 一不同的工件時(shí)，刀具補(bǔ)償值也不必在機(jī)床上重新進(jìn)行檢測(cè)，這是因?yàn)榈段稽c(diǎn)到刀具基準(zhǔn) 點(diǎn)的Z向距離作為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值是固定不變的。 因此，這一對(duì)刀方案顯示的明顯優(yōu)越 是：減少了對(duì)刀過程中的占用機(jī)床的非生產(chǎn)時(shí)間。當(dāng)數(shù)控設(shè)備臺(tái)數(shù)較多的情況，利用一臺(tái) 刀具預(yù)調(diào)儀為多臺(tái)數(shù)控機(jī)床對(duì)刀服務(wù)，是比較經(jīng)濟(jì)合理的。 機(jī)外對(duì)刀需要刀具預(yù)調(diào)儀，當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工任務(wù)不多的用戶，是否一定要購買刀具預(yù) 調(diào)儀來使用這種方法？下面討論一種在工件安裝過程中通過接觸測(cè)量法完成
9、切削刀具的 Z 向設(shè)置的對(duì)刀方案。 6. 8. 4 接觸法測(cè)量刀具 Z 向長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)膶?duì)刀方法（方案 2） 如圖6-8-4所示，接觸法測(cè)量刀具 Z向長(zhǎng)度補(bǔ)償值的對(duì)刀方法這是一種靠使用手動(dòng)操 作機(jī)床，在機(jī)內(nèi)讓刀具刀位點(diǎn)與工件接觸，測(cè)量加工某工件的各把刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的方 法，是一種典型的機(jī)內(nèi) Z向?qū)Φ斗椒?。值得注意的是：盡管每把刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值用 MDI方 式存儲(chǔ)于刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償寄存器的方法與方案一相似，但這種方法測(cè)量的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值所 表示的Z向關(guān)系與在機(jī)外對(duì)刀儀測(cè)量的刀具長(zhǎng)度不是同一個(gè)概念。 這種方法的Z向確定刀具與工件位置關(guān)系的對(duì)刀原理是: 當(dāng)?shù)毒邊⒖键c(diǎn)位于機(jī)床參考點(diǎn)位置，此時(shí)的機(jī)床坐標(biāo) Z值為零
10、，手動(dòng)操作機(jī)床測(cè)量刀 具刀位點(diǎn)到程序原點(diǎn)的 Z向距離，作為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值并輸入數(shù)控系統(tǒng)。若程序中的刀具 補(bǔ)償指令為G43，這種刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值（即刀具位點(diǎn)到程序原點(diǎn)之間的距離 ）應(yīng)取負(fù)值，并 被輸入到控制系統(tǒng)的刀具長(zhǎng)度偏置寄存器菜單 下相應(yīng)的H偏置號(hào)里。 因?yàn)闇y(cè)量的刀位點(diǎn)起點(diǎn)為當(dāng)?shù)毒邊⒖键c(diǎn)位 于機(jī)床參5 / 6 考點(diǎn)位置時(shí)的高度位置，因此工件偏 置Z值（G54G59）應(yīng)設(shè)為Z0.0000。但有時(shí)為保證刀具 Z向補(bǔ)償或取消補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)時(shí)不超程 或碰撞，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的測(cè)量往往是從刀具的基準(zhǔn)點(diǎn)離開機(jī)床零點(diǎn)一段距離的位置開 始，如從機(jī)床坐標(biāo)為 Z=-50 的高度開始測(cè)量刀位點(diǎn)到程序原點(diǎn)之間的距離，那么工件
11、偏置 Z值（G54G59）應(yīng)設(shè)為Z-50.000。顯然從刀具參考點(diǎn)位于機(jī)床坐標(biāo)位置 Z=-50開始調(diào)整測(cè) 量測(cè)量的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值與刀具參考點(diǎn)位于機(jī)床參考點(diǎn)位置開始測(cè)量的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值是 不一樣的。 從這里可以看出 :接觸法測(cè)量的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值隨各刀具參考點(diǎn)起始點(diǎn)的高度位置的不 同而不同，又隨不同工件零點(diǎn)的高度位置的不同而不同。因此用這種方法對(duì)刀，批量生產(chǎn) 同一零件時(shí)，宜用固定的夾具把工件零點(diǎn)的高度位置限定在同一高度，以避免隨著同批加 工工件的變換需要重新對(duì)刀測(cè)量。當(dāng)然，從某一加工批次變換到另一不同批次對(duì)的工件加 工，刀庫中所有要用到的刀具，其刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值必須重新測(cè)量，這是這種方法最大的缺 陷
12、。 而且， 使用手動(dòng)操作測(cè)量刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的過程往往占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)， 會(huì)引起機(jī)床加工效 率的降低。 為克服該方案對(duì)刀占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，且隨加工工件轉(zhuǎn)換時(shí)，必須重新對(duì)刀測(cè)量的缺陷，應(yīng) 尋找更好的方案對(duì)刀，以減少機(jī)內(nèi)對(duì)刀時(shí)間，并適合加工工件轉(zhuǎn)換。 685 設(shè)定基準(zhǔn)刀的接觸法 Z 向?qū)Φ叮ǚ桨?3） 為克服方案二機(jī)內(nèi)對(duì)刀時(shí)間長(zhǎng)，加工工件轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)刀麻煩的缺陷，設(shè)計(jì)以一把刀作為 基準(zhǔn)刀，并用它測(cè)量調(diào)整工件的 Z 向偏置值，其它刀與之的長(zhǎng)度差作為其刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償 值，這是一種較為有效的方法，即主刀法。 使用基準(zhǔn)刀的對(duì)刀方法 （通常是最長(zhǎng)的刀 ），可以顯著加快使用接觸測(cè)量法時(shí)的刀具測(cè) 量速度?；鶞?zhǔn)刀可以是長(zhǎng)期安裝在刀庫
13、刀套上具的定長(zhǎng)的 Z 向?qū)Φ秲x具。 對(duì)基準(zhǔn)刀而言，當(dāng)基準(zhǔn)刀的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值的測(cè)量是從當(dāng)?shù)毒邊⒖键c(diǎn)位于機(jī)床參考點(diǎn) 位置開始測(cè)量時(shí)，工件偏置Z值（54G59）仍設(shè)為0值，刀長(zhǎng)補(bǔ)償值仍是其刀位點(diǎn)到工件零 點(diǎn)的距離。 區(qū)別在于：當(dāng)工件改變了，只要進(jìn)行基準(zhǔn)刀的對(duì)刀，測(cè)量其刀長(zhǎng)補(bǔ)償值，其它刀具不 必重新對(duì)刀，其它刀具的刀長(zhǎng)補(bǔ)償值由基準(zhǔn)刀刀長(zhǎng)補(bǔ)償值和基準(zhǔn)刀長(zhǎng)與其它的刀長(zhǎng)的刀長(zhǎng) 差進(jìn)行加減計(jì)算得到。 女口： T02與基準(zhǔn)刀T01的刀長(zhǎng)差絕對(duì)值為： L2，測(cè)得的基準(zhǔn)刀（最長(zhǎng)刀）刀長(zhǎng)補(bǔ)償 值為：-L1，貝U T02的刀補(bǔ)值應(yīng)為：-L1- L2。該值的實(shí)質(zhì)仍是 T02刀的刀位點(diǎn)到工件零點(diǎn) 的距離，只不過，它不需要實(shí)
14、際測(cè)量而只是計(jì)算。很明顯，這樣做節(jié)省了對(duì)刀占機(jī)的時(shí) 間，某刀具與基準(zhǔn)刀的刀長(zhǎng)差可在無加工任務(wù)時(shí)機(jī)床內(nèi)測(cè)得或在機(jī)外預(yù)調(diào)儀上測(cè)得。 可見方案三彌補(bǔ)了方案二在不同類工件的加工變換中，需要對(duì)所有要用刀具的長(zhǎng)度重 新對(duì)刀的最大缺陷。 68 6 優(yōu)化的基準(zhǔn)刀對(duì)刀（方案 4）6 / 6 如圖6-8-5方案四的原理是：對(duì)工件偏置 Z值定義為基準(zhǔn)刀(最長(zhǎng)刀)到工件零點(diǎn)的 距離。對(duì)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值定義為基準(zhǔn)刀長(zhǎng)與其它的刀長(zhǎng)的刀長(zhǎng)差。這不僅具備方案三的任 何好處，而且對(duì)刀方案的思路簡(jiǎn)潔明了，便于操作。步驟如下: 1) 取出主刀并將其安裝到主軸上。 2) Z軸回參考點(diǎn) 3) 測(cè)量基準(zhǔn)刀的刀位點(diǎn)到工件零點(diǎn)的距離作為 Z向
15、工件偏置值(負(fù)值)。 4) 測(cè)量基準(zhǔn)刀長(zhǎng)與其它的刀長(zhǎng)的刀長(zhǎng)差。 5) 將刀長(zhǎng)差作為刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值，比主刀短的刀具，它通常為負(fù)值。 這一方法不僅能縮短調(diào)試時(shí)間，另 一個(gè)好處是：如果使用一組刀具來加工 另一批量工件，那么對(duì)于新的工件高 度，只需要用基準(zhǔn)刀重定義工件偏置 Z 值，其它刀具補(bǔ)償值只與基準(zhǔn)刀相關(guān)， 保持不變。刀長(zhǎng)差可以在機(jī)外預(yù)調(diào)測(cè)量 并做減法計(jì)算得到，或在非生產(chǎn)時(shí)間機(jī) 內(nèi)測(cè)量，即使在沒有機(jī)外預(yù)調(diào)的情況 下，對(duì)刀的方便性也幾乎接近于用機(jī)外 對(duì)刀儀的對(duì)刀。 6. 8. 7 機(jī)外對(duì)刀儀上的刀具測(cè)量 隨著技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)控銃床、加工中心的機(jī)床用刀具日益標(biāo)準(zhǔn)化，尤其刀柄的標(biāo)準(zhǔn) 化、精度、與主軸內(nèi)孔
16、的連接的精確性，創(chuàng)造了必要的條件，使刀具的半徑、長(zhǎng)度的測(cè)量 完全可在機(jī)外對(duì)刀儀上測(cè)量。預(yù)調(diào)儀上刀具刀柄定 位基準(zhǔn)是測(cè)量的基準(zhǔn)，要求它和機(jī)床主軸定位基準(zhǔn) 的精度要求十分接近，這才能保證刀長(zhǎng)可以在機(jī)外 預(yù)調(diào)時(shí)精確測(cè)定。 機(jī)外刀具測(cè)量?jī)x在機(jī)床的外部對(duì)刀具的長(zhǎng)度、 直徑進(jìn)行測(cè)量與調(diào)整，還能測(cè)量出刀具的幾何角 度，測(cè)量時(shí)不占機(jī)動(dòng)時(shí)間。能有效地提高數(shù)控機(jī)床 的使用率，尤其在數(shù)控設(shè)備臺(tái)數(shù)較多的情況， 利用 一臺(tái)對(duì)刀儀為多臺(tái)數(shù)控機(jī)床對(duì)刀服務(wù)， 是最經(jīng)濟(jì)合 理的，所以，隨著數(shù)控機(jī)床的普及，它必將會(huì)更廣 泛地被采用。這里通過常用對(duì)刀儀示意圖 6-8-6說明對(duì)刀儀的基本組成和測(cè)量方法: 1、刀柄定位機(jī)構(gòu) 刀柄定位基
17、準(zhǔn)是測(cè)量的基準(zhǔn)，所以有很高的精度要求，一般都要和機(jī)床主軸定位基準(zhǔn) 的要求接近，這樣才能使測(cè)量數(shù)據(jù)接近在機(jī)床上使用的實(shí)際情況。定位機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè) 回轉(zhuǎn)精度很高、與刀柄錐面接觸很好帶拉緊刀柄機(jī)構(gòu)的對(duì)刀儀主軸，該主軸的軸向尺寸基 準(zhǔn)面與機(jī)床主軸相同 ，主軸能高精度回轉(zhuǎn)，便于找出刀圖 6-8-6 常用機(jī)外對(duì)刀儀的示意圖 7 / 6 具上刀刃的最高點(diǎn)。對(duì)刀儀主軸中 心線對(duì)測(cè)量軸 z、 X 很高的平行度和垂直度要求。 2、測(cè)頭部分： 有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量用百分表 （ 或扭簧儀 ） 直接測(cè)量刀刃最高 點(diǎn)，測(cè)量精度可達(dá) 0.0020.001 mm左右，接觸式測(cè)量比較直觀。但容易損傷表頭和切
18、削 刃。 非接觸式測(cè)量用得較多的是投影光屏。投影物鏡放大倍數(shù)有 8、l0 、 15 和 30 倍等。 由于光屏的質(zhì)量、測(cè)量技巧、視覺誤差等因素，其測(cè)量精度在 0.005mm 左右。非接觸式測(cè) 量不太直觀，但可以綜合檢查切削刃質(zhì)量。 3、 Z、X軸尺寸測(cè)量機(jī)構(gòu)。 通過對(duì)帶測(cè)頭部分的兩個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)，測(cè)得 Z 軸和 X 軸尺寸，即為刀具的軸向尺寸 和半徑尺寸。兩軸使用的實(shí)測(cè)元件有許多種：機(jī)械式的有游標(biāo)刻線尺、精密絲杠和刻線尺 加讀數(shù)頭；電測(cè)量的有光柵數(shù)顯、感應(yīng)同步器數(shù)顯和磁尺數(shù)顯等。 4、 測(cè)量數(shù)據(jù)處理裝置。 由于柔性制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床的刀具測(cè)試數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效管理，因此在對(duì) 刀儀上再配置計(jì)算機(jī)及附屬裝置，用來存儲(chǔ)、輸出、打印刀具預(yù)調(diào)數(shù)據(jù)，并與上一級(jí)管理 計(jì)算機(jī)（刀具管理工作站、單元控制器 ）聯(lián)網(wǎng)，形成供柔性制造單元 （FMC）、柔性制造系統(tǒng) （FMS）使用的有效刀具管理系統(tǒng)。
4種加工中心對(duì)刀方案設(shè)計(jì)絕無僅有
