數控銑削加工Z軸自動對刀方法應用分析*

洪美琴

(湖南汽車工程職業學院 機電工程學院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

數控銑削加工時首先要通過對刀確定工件原點在機床坐標系的位置，當選用一把加工刀具進行X軸、Y軸和Z軸對刀后，在工件裝夾位置不變的情況下，更換其它加工刀具則只需進行Z軸對刀。目前大多數企業基本上還是手動完成對刀操作，即使有的企業采用機外對刀儀預先對刀具長度進行測量，但還是要手動輸入長度補償值到數控系統刀偏表中，所以加工刀具越多，對刀占機時間較多，手動輸入有時還會出錯。針對Z軸對刀的實際現狀，筆者提出了利用光電式Z軸設定器巧用宏程序實現Z軸半自動對刀的方法。另外結合宏程序還提出了利用G31指令控制刀具移動實現Z軸對刀全自動化的方法，以提高Z軸對刀的效率。

1 巧用宏程序實現Z軸半自動對刀方法

1.1 手動計算刀具長度差值法

手動Z軸對刀是用一把加工刀具試切工件表面或將刀具接近對刀表面再測量刀具與對刀表面間隙等方法來對刀，并將對刀結果輸入到數控系統的刀偏表中。通常稱已對刀的刀具為標準刀具，如換上其它加工刀具，要么再重復一次Z軸對刀，要么通過刀具長度補償功能來達到同等對刀效果。

調用長度補償值來達到同等對刀效果，首先要知道加工刀具與標準刀具的長度差值。假設把已對好刀的刀具長度設為h0，而其它刀具長度為h1、h2、h3、…hn，則其它刀具與已對好刀的刀具的長度差值為該把刀的長度補償值，長度補償值的計算式為(hn-h0)，當計算結果為正值時，表示該把刀具比標準刀具長。相反，為負值時，表示該把刀具比標準刀具短。把計算好的長度補償值輸入到刀偏表形狀(h)中，帶符號輸入，用G43Z-H-編程格式就能達到刀具長度補償功能。

對刀時利用Z軸設定器，如采用光電式Z軸設定器，當用手搖脈沖形式移動刀具觸碰到對刀接觸面，發出聲光信號時，此時停止刀具移動并手動記錄Z軸的坐標值。設標準刀具的Z軸坐標值為Z0，其它刀具用相同的移動方式、相同的移動速度移動觸碰到對刀接觸面使Z軸設定器指示燈亮時，停止移動，此時Z軸的坐標值為Z1、Z2、Z3、…Zn，則任一把加工刀具與標準刀具的Z軸坐標差值計算式如下：

ZΔ=Zn-Z0

當ZΔ為負值時，Zn

當ZΔ為正值時，Zn>Z0。Zn>Z0說明第n把刀具向下移動觸碰到Z軸設定器的對刀面時，向下移動的位移比標準刀具要小，Z坐標值要比標準刀具的坐標值大，說明此把刀具比標準刀具長。

將計算好的ZΔ輸入到刀偏表形狀(h)中，就完成Z軸對刀。借用Z軸設定器比試切工件上表面對刀方法操作要簡單，但手動計算長度補償值并輸入到刀偏表中仍然耗時并容易出錯。光電式Z軸設定器示意圖如圖1所示。

圖1 光電式Z軸設定器示意圖

1.2 宏程序自動計算刀具長度差值法

用手動方式控制刀具向下移動觸碰到到光電式Z軸設定器的對刀面，發出光電信號時刀具停止移動。此時利用宏程序系統變量讀取Z軸坐標值，并將當前坐標值賦給宏程序公共變量。以FANUC 0i系統為例，Z軸當前位置坐標值的系統變量為#5023，#2201～或#11001～為刀偏表中形狀H的系統變量，將ZΔ=Zn-Z0結果賦值給形狀H的系統變量，用以存儲長度補償值；選擇公共變量#500～#999作為存儲刀具Z軸當前位置坐標，避免斷電時數據丟失而要重復操作[1-3]。

執行程序時，要將操作面板上“單節”功能開啟，當刀具觸碰到對刀面發出聲光信號時，按“循環啟動”執行程序，對刀宏程序如下：

(選擇標準刀具觸碰到光電式Z軸設定器對刀面發出聲光信號時，單擊“循環啟動”)

#1=1(1號刀設為標刀)

#2=n(刀具總數)

N10 #[500+#1]=#5023(讀取標準刀具當前Z軸坐標值)

N20 G53 G91G0 Z-(加工刀具觸碰對刀面后抬刀到一定高度，為換刀做準備)

N30 M00(換上另一把加工刀具，并手動方式控制刀具向下移動觸碰光電式Z軸設定器對刀面至發出光電信號，單擊“循環啟動”)

#1=#1+1

N40 #[500+#1]=#5023(讀取n號刀具的Z軸位置坐標值)

N50 #[2200+#1]=#[500+#1]-#501 (計算兩把刀具的長度差值，即長度補償值，并存儲在刀偏表對應刀具號的形狀h中。)

N60 IF[#1LE#2]GOTO20(若已對刀數小于刀具總數，返回到N20程序段抬刀后再重復執行)

......

2 用G31指令實現Z軸全自動對刀方法

2.1 G31指令功能

G31指令也稱為跳轉功能指令[2]，通常用于測量功能。G31指令執行過程中，當跳轉信號即SKIP信號觸發時，在信號觸發點位置清除剩余的運動量，從而控制刀具停止移動，而當SKIP信號沒有觸發時，G31指令功能與G01功能一樣。G31指令功能需要外部信號輸入來觸發SKIP功能，外部輸入信號接入地址為X4.7。

G31指令在SKIP信號觸發點位置的坐標存儲在#5061～#5064數控宏程序系統變量中，其中#5063為對應Z軸的存儲地址，對刀時也可以通過#5063讀取信號觸發點Z軸位置坐標。

2.2 實現Z軸自動對刀的原理

當用光電式Z軸設定器半自動對刀時，要手動控制刀具觸碰Z軸設定器的對刀面發出聲光信號時刀具停止移動。而要實現全自動對刀，則必須使刀具往下移動某個對刀位置點時要觸發跳轉信號使G31指令控制刀具停止移動。

采用光電傳感器作為觸發跳轉信號的信號源，當G31指令控制刀具向下移動使光電傳感器發射端光源被遮擋時，光電傳感器的接收端就動作輸出一個開關控制信號，該信號作為外部輸入信號經具有電隔離功能的固態繼電器后再接入跳轉信號接點，跳轉信號在轉入PMC時，會同時高速跳轉進入系統，控制G31指令的執行[2]，信號觸發示意圖如圖2所示。圖2中當刀具向下移動阻擋光束時，光電傳感器接收端輸入控制信號使跳轉信號跳轉，刀具停止在當前位置，同時宏程序讀取Z軸當前位置坐標。

圖2 信號觸發示意圖

光電傳感器發射端和接收端的電氣接線圖如圖3所示。

圖3 光電傳感器接線圖

2.3 對刀宏程序

與利用光電式Z軸設定器進行Z軸半自動對刀相比，全自動進行Z軸對刀，其對刀宏程序是用G31指令來控制刀具移動，而不用M00程序停止方式來手動移動刀具向下運動。將半自動對刀程序其中的手動控制程序段進行修改，則程序如下：

#1=1(1號刀設為標刀)

#2=n(刀具總數)

N10 G53 G91G0 Z-(加工刀具對完刀后抬刀到一定高度，為換刀做準備)

N20 Z-(刀具下刀至對刀起始平面)

N30 G31 G91 Z-F100(從起始平面開始以工進速度下刀至對刀點，即圖1中光束點位置，觸發跳轉信號，控制刀具停止移動)

N40 #[500+#1]=#5063(讀取n號刀觸發點的Z軸位置坐標值)

N50 #[2200+#1]=#[500+#1]-#501(計算當前刀具與1號刀的長度差值，即長度補償值，并存儲在刀偏表對應刀具號的形狀h中。)

#1=#1+1

N60 IF[#1LE#2]GOTO10(若已對刀數小于刀具總數，返回到N10程序段抬刀后再重復執行)

......

對刀時為保證對刀精度，可以設置粗、精對刀操作，即第一次粗對刀后，再向上回退一定高度，后以較小的進給速度向下移動進行第二次觸發，以減少刀具運動慣性對對刀精度的影響。

3 結 語

數控銑削加工中Z軸對刀是避免不了的，但僅僅采用傳統的手動對刀方法不能提高對刀速度，在生產實踐中可以巧用Z軸設定器和宏程序來實現Z軸的半自動對刀，自動計算刀具長度補償值并輸入到刀偏表中。另外根據Z軸全自動對刀原理設計簡易Z軸對刀器，當刀具向下移動遮擋光電傳感器發射端的光束時觸發跳轉信號，G31指令控制刀具停止移動來讀取觸發點的Z軸位置坐標，實現Z軸的全自動對刀，這種對刀快捷，且不需要手動操作，省時省力。