數控機床精度檢測及對刀裝置

劉 源

（南京航空航天大學工程訓練中心，江蘇 南京 211106）

數控切削加工傳統對刀方式有對刀儀對刀、手動試切法對刀兩種方式。對刀儀價格昂貴，多配備于高檔數控機床，對刀精度較高。試切法對刀簡單易操作，但要求機床處于啟動狀態，存在一定安全隱患。操作不當，易發生安全事故。

試切法對刀目的是為了獲取刀具在Z軸和X軸向的偏差補償值。對刀精度受人為因素影響較大，直接影響數控車床的加工精度和加工零件的質量［6－8］。

用于普通車削加工和工程訓練的數控機床，多為滿足功能要求的普通數控機床，為降低成本，一般并未配備自動對刀儀。因此在使用過程中，基本都采用傳統的手動試切法進行對刀。對于初次接觸數控車床和缺少操作經驗的人員，由于操作不熟練、緊張或疏忽大意等因素導致在試切工件進行對刀時，刀架移動速度、方向、位置等控制不準確，易出現撞刀現象，進而釀成事故。同時，由于普通數控車床多采用前置式、轉塔式刀架，體積較大。操作人員在試切對刀時必須將頭伸進機床的防護門（如圖1所示）才能勉強看到刀尖試切情況，對人身安全構成威脅。

針對傳統對刀方式在數控車削加工中的對刀困難及安全性問題，及現有對刀方式在對刀效率和裝置成本等方面的不足，本文介紹了一種易操作、低成本的對刀裝置。

圖1 試切法對刀需探頭觀察存安全隱患

1 對刀裝置的結構及特點

該對刀裝置結構如下頁圖2所示，主要由主體、百分表（含觸頭）、上壓蓋、氣泡水平儀等部分構成。2個百分表水平固定在一個由鋁合金材料制成的殼體內；對刀裝置上安裝氣泡水平儀，用以保證對刀裝置在主軸卡盤上處于水平放置。裝置的上蓋上設計了一個方孔，以方便調節百分表的刻度盤。對刀時，用車刀刀尖與百分表的觸頭接觸，并觀察2個百分表上的指針讀數，從而獲取刀具在X軸、Z軸方向的偏置值。為了節省對刀時間，提高對刀效率，可更換百分表的觸頭，使其增大刀尖與觸頭的接觸面積。

對刀裝置具有的特點：

1）簡單易操作。在使用過程中，只需將主體部分當做工件插入車床卡盤，即可進行Z軸和X軸方向的對刀調節，簡單易操作。

2）安全穩定。相對于試切法手動對刀，本裝置無需在機床啟動的狀態下，可以完成對刀操作；同時，在對刀過程中，操作者無需將頭伸進床身內部觀察對刀情況。這樣提高了對刀操作的安全性，降低安全事故的發生率。

3）高效。將百分表的觸頭用較大的零部件代替，增大了刀尖和觸頭的接觸面積，縮減對刀時間，提高對刀的效率。

4）成本低廉。本裝置主要有主體部分和百分表構成，加工簡單，相對于自動對刀儀，成本低廉。

圖2 對刀裝置結構

2 對刀裝置的使用方法

數控車削加工與普通車削加工的區別：普通車床加工零件時，操作者通過量具與機床手輪相互配合來確立刀具與工件的位置關系，當刀具位置不確定時，操作者可以隨時加以調整；而數控加工過程中，工件是一次性裝夾，一般是多刀位的連續加工，所以確定各刀具刀位點與工件的加工位置關系尤為重要，這一過程就是對刀。對刀操作就是獲取刀具X軸、Z軸方向的偏置補償值，對刀精度直接影響零件加工精度。

圖3是對刀裝置的實物圖及在使用過程中的裝夾圖。對刀裝置在使用前要進行調試：通過對百分表盤讀數調試對零，事先獲取兩個百分表讀值為零觸頭的X軸、Z軸機床坐標值。

圖3 對刀裝置實物及現場應用

假設Z軸方向長度為142mm，X軸方向直徑是54mm。對刀裝置調試完成后，開始對刀操作。將對刀裝置裝夾在數控車床三爪卡盤上，通過觀察水平水柱并調節裝置，直至水平水柱顯示對刀裝置放置水平。在無需啟動主軸狀態下，移動刀架，將刀具刀尖緩緩的靠近百分表觸頭。刀尖接觸Z軸方向的百分表觸頭時，觀察百分表指針，當指針指向預先調試好的位置時，將百分表上顯示的Z軸方向數值讀出，處理后輸入對應的刀具偏置寄存器中。對刀裝置觸頭對零時，距離卡爪面的長度（142mm）與零件毛坯實際要伸出的長度有一個差值。偏置寄存器中的數值即為該差值。如果毛坯需要伸出60mm，則此差值為142－60＝82（mm）。則此時輸入Z軸方向82mm于偏置寄存器，按下顯示器上的測量鍵，保存Z軸方向的偏置值。此差值，也顯示在數控車床的顯示器上，可直接讀出。

X軸方向對刀原理同上，刀尖接觸到X軸上百分表觸頭，觀察百分表讀數。直到指針指向預先調試的位置時，直接在刀具偏置寄存器中輸入X軸方向54mm，按下顯示器上的測量鍵，X軸方向的偏置值就被輸入保存。

3 對刀裝置的應用效果和范圍

將對刀裝置進行性能測試。在本校工程訓練中心3臺不同數控車床上重復進行多次對刀實驗，對比手工試切對刀結果與本裝置對刀結果（如表1所示），X軸和Z 軸方向的誤差均不超過0.1mm。在實驗過程中，操作者無需將頭伸進數控車床內部就能觀察對刀過程中的軸向和徑向誤差，并作出實時調整，直至對刀結果滿足數控車床的精度要求。

表1 兩種對刀方式精度對比 mm

實驗結果表明，該對刀裝置在滿足安全性的同時完全滿足傳統對刀方式對機床的精度要求。安全適用，具有很大的應用價值和推廣價值。

該對刀裝置還可以作為數控車床的刀架的重復定位精度和反向間隙精度的檢測。目前在檢測以上精度時通常都采用磁力表架和百分表來檢測，這種方法會出現由于表座磁力不夠或表架桿松動而引起測量過程產生誤差。另外還要在對X方向進行檢測后重新調節表座以及表桿的位置和方向，才能對Z方向進行檢測。過程較為復雜，而采用該對刀裝置裝在卡盤上進行檢測就可以避免上述問題，并且能夠做到方便和快捷。

4 結語

針對傳統對刀方式在數控機床對刀過程中存在的不足，設計了一款簡單可靠的對刀裝置。給出了該裝置詳細的結構設計，分析其使用原理和使用方法。利用該對刀裝置在不同數控機床上進行了一系列對刀實驗，同時結合企業使用的反饋效果，表明該對刀裝置的對刀精度，對刀效率相對于傳統的試切法對刀具有更多的優勢。該對刀裝置也可用于車床刀架重復定位精度和反向間隙精度的檢測，具備簡單、高效、安全、經濟等特點。

［1］ 魏學光.基于機器視覺的數控機床自動對刀技術研究［D］.北京：北方工業大學，2014.

［2］ 張傳劍.基于非接觸式的滾珠螺母內滾道磨削自動對刀技術研究［D］.南京：南京理工大學，2013.

［3］ 黃繼永.數控車床用自動對刀儀的研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2005.