淺析UGL-30/CNC數控不落輪鏇床刀具補償調整方法

姚國宏

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床刀具補償調整的意義

UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床的核心技術由西門子840DSL數控系統與S7-300PLC可編程控制系統組成，硬件部分主要由西門子驅動模塊控制西門子伺服電機按照程序運動，來完成鏇修工作，通過絕對值編碼器的精準位置反饋作用，來實現伺服電機運動過程中的閉環管理。UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床的優點是車輛輪對在不落輪的情況下，對單個輪對進行鏇修加工，同樣對已落輪的單個轉向架或單個輪對，也可以實現鏇修加工作業，而且可以根據各種不同的車型來選擇不同的鏇修方式，不管是電動客車還是工程車，都可以達到輪對鏇修加工的目的，實現了多種工況下的鏇修工作，也實現了一臺鏇床能夠鏇修多種車輛輪對的目的，降低了鏇修成本，對保證車輛運行的安全性與舒適性都有著特別重要的意義。

在鏇修作業過程中，刀具按照程序設定的廓形進行鏇修，如果鏇床的鏇修精度與測量精度符合要求，則鏇修后車輪尺寸也符合標準，如果鏇床的坐標精度或刀具補償發生了改變，那么鏇床的精度也就隨之發生了變化，導致鏇修加工后的車輪尺寸不符合運行標準。為了保證鏇修后車輪的尺寸符合標準，對鏇床的精度與刀具補償的精度要求也就特別高，必須按照相關標準定期對鏇床的精度與刀具補償精度進行校驗。如果發現鏇床的精度不符合要求時，必須對鏇床的坐標軸與各軸的絕對值編碼器進行零點標定，坐標零點標定完畢后需進一步對刀具補償進行調整并驗證[1]。

2 UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床刀具的作用及運動坐標

UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床的刀具由立刀（T201、T301）與橫刀（T202、T302）組成，立刀負責鏇修車輪踏面及輪緣外側面，橫刀負責鏇修車輪的輪緣頂點與輪緣內側面。其作用是對車輪踏面與車輪輪緣進行鏇修加工，加工后使得車輪直徑、輪緣高度、輪緣厚度、徑向跳動、踏面擦傷剝離、QR（Quick Response）值、同車車輪直徑差，同轉向架車輪直徑差，同一輪對車輪直徑差都符合要求的尺寸標準[2]。

UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床的刀具安裝于X1軸與X2軸上，在鏇床上定義垂直方向的坐標為X，水平方向的坐標為Z，刀具有4個運動方向，分別為X（+）、X（-）、Z（+）、Z（-），X軸垂直向下的方向定義為X（+），垂直向上的方向定義為X（-），Z軸沿輪緣外側的方向定義為Z（+），沿輪緣內側的方向定義為Z（-），刀具在X軸與Z軸組成的二維平面內運動（如圖1所示）。

圖1 數控不落輪鏇床刀架系統坐標

X軸的垂直運動與水平運動都由伺服電機驅動，它的控制性能高，動態特性強，具有很大的調速范圍與位置控制精度，在伺服電機同軸安裝有位置反饋的絕對值編碼器，絕對值編碼器能夠讀取碼盤上的位置編碼來識別軸當前所處在的空間位置，能夠同步反饋伺服電機的運動情況與位置信息，來保證刀具加工時的精度[3]。

3 調整刀具補償的原因分析

由于UGL-30/CNC型數控不落輪鏇床在鏇修程序編寫時，兩組立刀與橫刀的刀位點都是按照LM型車輪踏面尺廓進行編寫的，在編寫刀具的運動軌跡程序時，無法考慮到不同尺寸刀具的刀位點，所以出現以下情況時就要通過調整相應的刀具補償來控制鏇修精度。

3.1 鏇床程序零點丟失或機械零點發生變化

由于鏇床軟件故障或數據丟失造成的程序零點改變，鏇床固定位置發生變化后機械零點改變時，刀具補償也隨之發生改變，所以對程序零點與機械零點重新標定后，要對刀具補償進行調整。

3.2 鏇修后車輪尺寸實際值與目標值存在偏差

鏇修后測量的車輪尺寸數據與目標值相對比，偏差超過允許范圍，主要有車輪直徑、輪緣厚度值、輪緣高度值及輪緣頂點廓形不符合要求時，就要對刀具補償量進行調整。

3.3 刀具尺寸的差異或刀具磨損過度

由于刀具生產批次或廠家的不同，所制造的刀具幾何尺寸不可能完全相同，還有刀具在加工過程中的磨損是不可避免的，這些因素都會導致刀具的尺寸發生變化，刀具的幾何尺寸發生變化后，與程序中編寫的刀具尺寸不符，加工完的車輪尺寸也會隨之發生變化，影響鏇修精度[4]。

綜合以上3種情況，由于鏇床的加工程序編寫后是固定不變的，如果通過改變程序來匹配不同尺寸的刀具，從工作強度與時間上都存在很大的困難，所以只能通過改變刀具的補償量來與鏇修程序相匹配，這樣就可以避免因刀具尺寸與位置變化帶來的加工缺陷。

4 數控不落輪鏇床各軸零點標定及注意事項

刀具補償調整前必須先確定刀具驅動軸（X軸）與測量軸（U軸）的零點位置，通過以下方式對X軸與U軸零點進行標定（如圖2所示）。

圖2 數控不落輪鏇床X軸、U軸零點標定示意圖

4.1 數控不落輪鏇床刀具驅動軸的零點標定

（1）拆下X1軸與X2軸機加工刀架及襯套，將平尺搭放在鏇床固定軌道的上平面，固定軌道的上平面作為零點位置的參考面要求絕對水平，將框式水平儀（水平儀精度0.02 mm/m）放置于平尺上方，測量固定軌道的水平情況，如果固定軌道上平面的水平度不符合要求，就要對鏇床的固定軌道位置進行調整，直到固定軌道的水平度達到0.02 mm/m為止。

（2）在JOG模式下將X1軸運行至平尺下端面，緩慢向上移動X1軸，在X1軸快要與平尺下端面接觸時，使用0.05 mm厚的塞尺測量X1軸與平尺下端面之間的間隙，當測量的間隙值正好為0.05 mm時取出塞尺，再將X1軸向上移動0.05 mm且不能破壞平尺的水平狀態，此時X1軸所處的位置便是機械零點位置[5]。

（3）X1軸的機械零點位置確定后，就要對其零點坐標進行標定。在HMI終端的調試界面中找到機床數據（AX1:X1）并設置X1軸坐標的NC數據，在X1軸頁面搜索34100代碼，將MD34100[0]數值設置為0，按復位鍵數據生效，MD34100設置的參考點位置即為X1軸的零點坐標位置。

（4）X1軸的零點標定完成后繼續標定X2軸的零點，標定方法與X1軸相同。

4.2 數控不落輪鏇床測量軸零點標定

（1）拆下U1軸與U2軸的測量探頭，只保留探頭支架，在MDA模式下執行G53 X0 G0 G90 M30指令，將X軸快速移動到零點位置后，將平尺搭放在X1與X2軸上方，以X軸的零點為參考點來標定U軸的零點位置。

（2）在U1軸測量探頭座上方設置高為100 mm的標準墊塊，在JOG模式下移動U1軸直到標準墊塊與平尺即將接觸時，使用0.05 mm厚的塞尺測量標準墊塊與平尺之間的間隙，同時邊向上移動U1軸邊測量，塞尺剛好通過標準墊塊與平尺之間的間隙時取出塞尺，再將U1軸向上移動0.05 mm且不能破壞平尺的水平狀態，此時U1軸機械零點位置已確定。

（3）U1軸的機械零點位置確定后，就要對其零點坐標進行標定，其標定方法與X軸的基本相同，需要特別注意的是U1軸標定時使用了100 mm高的標準墊塊，MD34100[0]的值應設置為100。

（4）U1軸的零點標定完成后繼續標定U2軸的零點，標定方法與U1軸完全相同。

（5）U軸零點標定完畢后，安裝測量探頭，安裝完畢后要對測量探頭的精度進行校驗，將磁吸式百分表固定在測量探頭處，分別向上移動U1軸與U2軸，使測量探頭緩慢靠近百分表，直到測量探頭與百分表輕輕接觸時停止移動，此時便可以通過Z軸的橫向移動來檢查測量探頭的精度了，如果橫向移動時百分表的指針擺動過大，說明測量探頭精度不符合要求，需對測量探頭的位置進行調整，直到百分表的指針擺動范圍在0.05 mm以內時，測量探頭的精度校驗完畢，調整時必須注意要微調，如果用力過大，不但達不到調整的效果，反而還會損壞測量探頭。

4.3 數控不落輪鏇床各軸絕對值編碼器零點標定

X軸與U軸的零點確定后，分別對其絕對值編碼器的零點進行標定。

（1）首先對X1軸絕對值編碼器零點進行標定，在機床數據搜索欄搜索34210程序代碼，將34210[0]數值2更改為1，使絕對值編碼器進入到標定狀態，開始標定X1軸絕對值編碼器，加載X1軸的進給使能，進給倍率設為零，在數控單元鍵盤上按下JOG和REF.POINT（機床參考點零檢索鍵），同時按下X1（軸+）方向鍵，這時DM34210數值將由1自動變為2，X1軸絕對值編碼器零點標定完成[6]。

（2）X1軸絕對值編碼器零點標定完成后，按順序依次標定X2、U1、U2軸的絕對值編碼器零點，標定方法與X1軸相同。

5 刀具補償調整方法分析

調整刀具補償前，首先使用鏇床對試鏇輪進行鏇修加工，加工后須按順序檢查車輪直徑、輪緣厚度值、輪緣高度值是否滿足尺寸標準，并使用LM型輪對樣板尺檢查輪緣尺廓，通過檢查分析出輪緣尺寸不符合標準的位置，并對相對應的刀具補償進行調整，調整時須按順序進行。

5.1 立刀刀具補償的調整方法

立刀刀具補償調整時，首先沿X軸方向調整，然后沿Z軸方向調整（如圖3所示）。

圖3 立刀刀具補償調整示意圖

（1）立刀沿X軸方向調整刀具補償時，首先查看粗加工后的測量數據，對比車輪的實際直徑與目標直徑，如果兩者的值很接近，則精加工后實際直徑就會小于目標直徑，此時需要將T201（T301）刀具沿X軸正向X（+）調整刀具補償；如果兩者的差值較大，則精加工后實際直徑就會大于目標直徑，此時則需要沿X軸負向X（-）調整刀具補償。精加工完畢后繼續檢查測量數據，如果實際直徑仍然小于（大于）目標直徑時，還需繼續調整沿X方向的刀具補償[7]。

（2）立刀沿Z軸方向調整刀具補償時，需精加工完畢并對車輪尺寸進行測量，對比實際輪緣厚度與目標輪緣厚度，如果實際輪緣厚度小于目標輪緣厚度，使用標準樣板尺檢查輪對廓形，確定是因輪緣外側鏇修過度導致輪緣厚度偏小時，需要將T201（T301）刀具沿Z軸正向Z（+）調整刀具補償；相反確定是因輪緣外側鏇修量不足導致輪緣厚度偏大時，需要沿Z軸負向Z（-）調整刀具補償。

5.2 橫刀刀具補償的調整方法

橫刀刀具補償調整前需精加工完畢并對車輪尺寸進行測量，使用標準樣板尺檢查輪對廓形，首先沿X軸方向調整，然后沿Z軸方向調整（如圖4所示）。

圖4 橫刀刀具補償調整示意圖

（1）橫刀沿X軸方向調整刀具補償時，如果輪緣頂點沿輪緣內側方向出現凹入現象，是因橫刀沿X軸的鏇修量過度引起，需要將刀具T202（T302）沿X軸正向X（+）調整刀具補償；相反如果輪緣頂點沿輪緣內側方向出現凸起現象，則是因橫刀沿X軸的鏇修量不足引起，需要沿X軸負向X（-）調整刀具補償。

（2）橫刀沿Z軸方向調整刀具補償時，使用標準樣板尺檢查輪緣內側面，如果樣板尺與輪緣內側面之間存在間隙，是因橫刀沿Z軸的鏇修量過度引起，需要將T202（T302）刀具沿Z軸負向Z（-）調整刀具補償；相反則需要沿Z軸正向Z（+）調整刀具補償。

6 刀具補償調整時補償量的范圍控制

立刀沿X軸方向調整刀具補償時決定車輪直徑的精度，調整的補償量是指實際鏇修減少或增加的切屑量，補償量的2倍則為鏇修后減少或增加的直徑值。粗加工完畢后先進行一次調整，精加工后繼續測量直徑偏差，如果直徑偏差超過允許范圍時，還需繼續調整，調整的補償量為實際直徑與目標直徑差值的二分之一。

立刀沿Z軸方向調整刀具補償時決定輪緣外側面的切屑量，切屑量的大小直接影響輪緣厚度，調整刀具補償時需要特別注意補償量的大小控制。如果調整補償量過大，加工完畢后會出現輪緣厚度值與標準值偏差過大的情況，造成輪緣偏薄，再次恢復標準的輪緣厚度值時，車輪直徑方向就要加大切屑深度，直徑方向每損耗約4 mm，輪緣厚度才能增加1 mm，所以為避免造成車輪直徑不可挽回的損失，在調整立刀沿Z軸方向的刀具補償時，調整的補償量一次要控制在0.5 mm的范圍內，實際值與目標值偏差較小時，調整的補償量控制在0.01 mm的范圍內，須經過多次調整才能將實際值與目標值調整至正常范圍，切勿盲目追求調整速度，避免造成不必要的損失[8]。

橫刀沿X軸方向調整刀具補償時決定車輪輪緣頂點加工精度，當刀具補償量不符合要求時，就會出現輪緣頂點靠近輪緣內側的方向出現凹入或凸起的情況，直接影響著輪緣高度值。橫刀沿Z軸方向調整刀具補償時決定輪緣內側面的加工精度，當刀具補償量不符合要求時，除影響輪緣厚度值，還會造成輪緣內側切屑過度的危險情況，如果輪緣內側切屑過度，將會導致車輪使用壽命減短甚至報廢的情況。所以出現以上情況調整刀具補償時，更需要特別注意補償量的控制，調整的補償量一次也要控制在0.5 mm的范圍內，實際值與目標值偏差較小時，需要將調整的補償量控制在0.01 mm左右的范圍內，必須經過多次調整確認才能將實際值與目標值調整至正常范圍。