數控銑床/加工中心上對刀方法擇析

錢袁萍

（沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

對刀操作是數控加工中最重要的一步。本文以FANUC 數控系統為例來說明。

數控銑床或加工中心建立工件坐標系的指令是G54~G59，根據程序中所用的不同坐標系指令，需要在刀具補償畫面的子畫面 【工件系】 中相應的G54~G59里面設定相應的數值，這個數值是工件坐標系原點位置在機床坐標系中的坐標值。以下均以G54 為例來說明。

在對刀之前必須要進行過返回參考點操作，即建立了機床坐標系，否則對刀數據將變得無意義。以下的對刀實例全部假定機床已經進行過返回參考點操作。

1 矩形毛坯的對刀

1.1 試切法對刀

（1）單邊試切法對X、Y、Z 軸。設某工件毛坯為（100×100×50）mm 長方體。將工件坐標系原點設在毛坯的一個角點上，采用Φ10 直柄立銑刀。假設先對X 軸，步驟如下： ①切換到 【手動】 或 【手輪】 工作方式，將刀具快速移動到工件左側 （即X 軸負方向） 位置，刀具落到工件以下約10mm（如圖1），主軸正轉；②切換到【手輪】 模式下，將刀具沿X 軸正方向靠近工件，在刀具非常接近工件時要轉換到小倍率移動，以提高對刀精度，觀察到刀具一旦接觸工件立即停止移動。切到工件越少對刀精度越高；③計算現在的X 軸坐標?？紤]到這條邊是要設定X0 位置，而刀具半徑為5mm，所以此位置刀具中心的坐標應該是X-5.；④打開刀補畫面下的 【坐標系】 子畫面，移動光標至G54 的X位置（如圖2），在輸入緩沖區輸入X 軸的當前坐標X-5.（注意加小數點），點擊【測量】 軟鍵。

同理對Y 軸 （刀具移到工件前側），最后打開刀補畫面下的【坐標系】子畫面，移動光標至G54 的Y 位置，在輸入緩沖區輸入Y 軸的當前坐標Y-5.，點擊 【測量】軟鍵。

圖1 對刀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tool

同理對Z 軸 （刀具移到工件上方），最后打開刀補畫面下的 【坐標系】 子畫面，移動光標至G54 的Z 位置，在輸入緩沖區輸入Z 軸的當前坐標Z0.，點擊 【測量】 軟鍵，對刀完成，注： 如果使用刀具較多時，一般Z 軸對刀設定在 【補正】 畫面下的刀具長度補償H 中，用G43 調用。

注意事項： ①試切法對刀精度受操作者操作水平和經驗影響較大。另外，單邊試切法對刀精度還與銑刀本身的精度有關。據筆者實踐，在對刀表面比較光滑的鋼件上用試切法對刀，對刀精度可以控制在0.05mm；②對刀時先對哪個軸后對哪個軸，并不影響最后對刀結果；③試切法對刀過程中會切到工件表面，所以，試切法對刀適合于對刀的基準表面比較粗糙，或允許有切傷的工件表面（比如對刀表面加工完畢后會被切除）；④試切法對刀方法快捷簡單，不需要其他工具，在對刀后不用換刀即可直接進行加工操作，是一些對刀精度要求不高的工件常用的對刀方法。

（2）雙邊試切法對X、Y、Z 軸。設某工件毛坯為（100×100×50）mm 長方體。將工件坐標系原點設在毛坯的上表面中心，采用Φ10 直柄立銑刀。對刀過程如下：

假設先對X 軸： 步驟①、②同單邊試切法；③將X軸的相對坐標清零；④【手動】或【手輪】工作模式下，將刀具抬起高于工件，然后移動到工件的右側 （即X 軸的正方向） 位置，刀具落到工件以下約10mm 位置；⑤切換到 【手輪】 模式下，將刀具沿X 軸負方向靠近工件，在刀具非常接近工件時要轉換到小倍率移動，觀察到刀具一旦接觸工件立即停止移動；⑥觀看X 軸的相對坐標值（假設讀數為X109.8），計算中間值（計算結果為X54.9），抬起刀具，手動移動刀具到X 坐標的中間位置（X54.9）；⑦打開刀補畫面下的 【坐標系】 子畫面，移動光標至G54 的X 位置，在輸入緩沖區輸入X0，點擊 【測量】軟鍵。

再對Y 軸，操作步驟類似于雙邊法對X 軸，Z 軸的對刀同單邊試切法，這里不再贅述。

圖2 刀補畫面Fig.2 Cutter compensation picture

注意事項： ①在試切X 軸兩邊的過程中，一般Y軸不要移動，同樣在對Y 軸的時候，X 軸位置不要移動，這樣能夠減少由于毛坯面的不對稱度引起的對刀誤差；②雙邊試切取中可以抵消刀具直徑誤差對對刀精度的影響，同時也會抵消刀具切入工件深淺的一部分誤差，所以對刀精度較單邊試切法要高許多；③雙邊試切法可以不用考慮工件的實際尺寸大小而將零點設在工件的中心，這個特點十分適合于不必明確知道毛坯尺寸的工件；④雙邊試切法同樣會切傷工件，所以試切的位置也要選擇允許有切痕的地方；⑤各軸試切的先后順序并不影響對刀結果。

1.2 剛性靠棒法對刀

如果要進行無切痕的對刀，最簡單的方法是用剛性靠棒。剛性靠棒是一根光滑直棒，直徑和表面粗糙度都要達到一定精度，將這根光滑直棒裝夾到主軸上，配合塞尺進行對刀。塞尺是一些若干標準厚度的鋼片，可以利用這些標準厚度的鋼片來檢測靠棒距離工件表面的距離。

（1）單邊靠棒。工件及所設坐標同試切法，現以對X軸為例說明對刀的步驟和方法。假設所用剛性靠棒直徑為10mm。

首先，類似單邊試切法，在 【手動】 或 【手輪】 方式下將剛性棒移動到工件左側X 軸負方向，將靠棒底部移動到工件以下；然后，在 【手輪】 工作方式下向X 軸正方向移動，靠近工件的對刀邊界，注意速度不要太快而碰到工件，在離工件距離大約0.5mm 時，用0.5mm 的塞尺往靠棒與工件夾縫中塞，如果能順利塞進去說明靠棒離工件邊界大于0.5mm，再繼續移動機床X 軸靠近工件，直到塞尺不能順利塞進去。可以通過X 軸的負方向的移動來尋找0.5mm 塞尺正好塞進去而沒有空隙這樣一個臨界點 （移動時手輪倍率打到小倍率，以提高對刀精度）；接下來，計算當前靠棒中心的坐標：靠棒半徑5mm，塞尺0.5mm，對刀的邊界坐標為X0，所以當前坐標應為X-5.5；最后，打開【刀補】畫面，【坐標系】子畫面，將光標移動到G54 的X 軸上，輸入X-5.5，按【測量】軟鍵。

說明： ①剛性靠棒對刀時主軸要在停轉狀態 （如果主軸有準停功能，最好在主軸準停狀態）；②與試切法相比剛性靠棒對刀精度高，且不傷工件表面。但要求對刀的表面光滑且平面度要高，所以比較適合于已加工的表面對刀；③與尋邊器對刀相比，其操作較為費時，但對刀所需要的工具較易得到。

（2）雙邊靠棒：對于工件坐標系原點在毛坯中間的情況，也可用剛性靠棒找兩邊取中的方法對刀。其對刀方法類似于試切法兩邊取中的方法對刀，不同的是剛性靠棒是用塞尺判斷是否到達工件表面，并且主軸不轉。具體步驟可以參考雙邊試切取中法對刀，這里不再贅述。

Z 軸的對刀： 由于各刀具長度不同，所以不能利用剛性靠棒來對Z 軸，但是Z 軸在對刀的時候可以類似于剛性靠棒的方法來對Z 軸而不傷工件表面，方法步驟如下： ①將要對的刀具安裝在主軸上，并保持主軸停轉狀態；②在 【手動】 或 【手輪】 方式下移動刀具靠近工件上表面 （這里假定工件上表面是Z0 位置）；③在離工件上表面即Z0 位置大約0.5mm 時停止移動，用0.5mm 的塞尺試驗刀具底部距工件距離，通過手輪調節到刀具底部距工件上表面0.5mm 位置，此處的Z 坐標應為Z0.5；④打開 【刀補】 畫面，【坐標系】 子畫面，將光標移動到G54 的Z 軸上，輸入Z0.5，按 【測量】 軟鍵。

1.3 尋邊器對刀

尋邊器對刀也是一種非切削式對刀方式。常用的尋邊器有偏心尋邊器和光電尋邊器兩種。

（1）偏心尋邊器。偏心尋邊器（如圖3(a)）是一種利用偏心軸的原理尋邊的儀器。偏心尋邊器由固定端和測量端兩部分組成。固定端由刀具夾頭夾持在機床主軸上，中心線與主軸軸線重合。在測量時，主軸以400r/min~600r/min 的速度旋轉。通過手動方式，使尋邊器向工件對刀基準面移動靠近，讓測量端接觸基準面 （注意:不能是固定端）。在測量端未接觸工件時，固定端與測量端的中心線不重合，兩者呈偏心狀態。當測量端與工件接觸后，偏心距逐漸減小，這時使用點動或手輪方式微調進給，尋邊器繼續向工件移動，偏心距逐漸減小。當測量端與固定端的中心線重合的瞬間，測量端會產生明顯的滑移，出現偏心狀態。這時主軸中心線位置距離工件基準面的距離等于測量端的半徑值。

偏心尋邊器對刀方法類似于剛性靠棒，但在對刀過程中不用塞尺進行測量，對刀簡便快捷。一般的偏心尋邊器的尋邊精度能達到0.02mm。

數控銑床/加工中心上各種對刀方法、特點及應用場合詳見表1。

表1 數控銑床/加工中心上各種對刀方法、特點及應用場合Tab.1 All kinds of methods,characteristics and applications of machining center/CNC milling machine

（2）光電尋邊器。光電尋邊器（圖3（b））的一端安裝在機床主軸上，另一端有一個測頭，當測頭碰觸到工件對刀表面時，尋邊器的指示燈會發光 （有的伴有聲音）。光電尋邊器對刀尋邊精度高，對刀速度快，但價格較貴。

圖3 尋邊器Fig.3 Edge detector

2 圓形工件的對刀

圓形工件（包括外圓形和內圓形）的對刀即尋找圓心位置，簡單說就是讓主軸的中心移動到圓形工件的圓心處。常用方法有兩種： 一種是左右分中法；另一種是利用百分表或杠杠百分表尋找圓心。

（1）左右分中法。左右分中法類似于雙邊試切或雙邊靠棒法對矩形工件。如果工件對刀精度要求不是很高并且對刀處允許有切痕時，可采用左右試切法找到中間位置，否則用剛性靠棒或尋邊器來進行左右對刀取中。

圖4 圓形工件Fig.4 The round workpiece

圖5 尋邊器位置Fig.5 The position of edge detector

現以一外圓柱外表面為例來說明對刀方法。如圖4所示圓形工件安裝在工作臺上，工件坐標系的原點設在圓柱上面的圓心處。①在主軸上安裝尋邊器；②將尋邊器沿X 向移動到接近直徑的位置，進行左右尋邊 （如圖5 所示位置），在左右尋邊過程中要保持Y 坐標不要變化；③分中，利用相對坐標清零找到所對X 向的中間位置（此時不一定是X 向的最大直徑處）；④用同樣的方法對Y軸進行分中，此時找到的一定是Y 方向圓的中心。在工件坐標系G54 設定畫面中，輸入Y0，按 【測量】 軟鍵；⑤再次對X 向進行分中，此次找到的一定是X 方向圓的中心，在工件坐標系G54 設定畫面中，輸入X0，按 【測量】 軟鍵。

（2）用百分表或杠桿百分表來對刀。將百分表或杠桿百分表利用磁力表座等工具吸附或安裝在主軸上，并讓表頭離主軸的偏心距離大約有所找圓形邊界的半徑大小。手動將主軸中心移動到大約圓柱工件圓心位置，并調節百分表讓百分表的測頭盡量垂直地壓在圓柱表面，手動轉動主軸觀察百分表指針的變化情況，移動X、Y軸，讓主軸在轉動一圈的時候百分表的刻度變化在允許的范圍內。這個位置便是圓柱形工件的圓心位置，打開G54 設定畫面中，輸入X0，按 【測量】 軟鍵，再輸入Y0，按 【測量】 軟鍵，X、Y 軸同時對好。

3 總結

通過上述對刀方法的描述可見，數控銑床/加工中心上對刀方法靈活，應根據毛坯類型、加工精度要求、加工現場條件等綜合確定。只有合理選擇對刀方法，才能保證工件的加工質量和提高加工效率。

[1] 鹿昆. 數控銑/加工中心操作工[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 韓鴻鸞. 數控銑削工藝與編程一體化教程[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3] 吳明友. 數控銑床（FANUC）考工實訓教程[M]. 北京：化學工業出版社，2006.