数控车床精确对刀方法的研究

1、井冈山大学毕业论文题 目: 数控车床精确对刀方法的研究 姓 名： 钟修虹 学 号： 80621004 指导老师： 胡茶根 学科专业： 数控专业 所属院系： 工学院机械系目 录摘 要1 前 言 1一、为什么要对刀 11.1基本的坐标关系 11.2为什么要对刀 2二、对刀的基本概念 22. 1 刀位点 22. 2 对刀 2三、数控车床的对刀方式 23. 1、一般方式对刀 23. 2、机外对刀仪对刀 23. 3、自动对刀 2四、对刀的基本形式 44. 1、没有对刀器的对刀 44. 2、有对刀器的对刀 4五、数控车床基本坐标关系与对刀的基本方法 45. 1、基本坐标关系 45. 2. 对刀的基本方法

2、4六、数控车床的试切对刀法 56. 1. 数控车床试切对刀法的原理及对刀思路 56. 2. 数控车床试切对刀法的方式步骤 56. 3. 数控车床试切对刀法的在数控系统中的操作 76. 4. 数控车床的刀具补偿 86. 5. 数控车床刀具的偏置 9七、几种精确对刀方法小结 117. 1 基准刀修正程序起点位置后，再单独修调各非基准刀刀偏置法 117. 2. 各刀分别修调程序起点位置法 127. 3. 修调基准刀程序起点位置后，再同时修调全部非基准刀刀偏置法 127. 4. 四把刀同时修调法 12八、总结 12参考文献 13 1数控车床精确对刀方法的研究摘要：对刀是数控加工中的主要操作和重要技能。

3、在一定程度上，在对刀的精确同时，对刀效率还直接影响数控加工效率。对刀的实质是确定随编程而变化的工件坐标系的程序原点在唯一的机床坐标系中的位置。对刀的主要工作是获得基准刀程序起点的机床坐标和确定非基准刀相对于基准刀的刀偏置。文章以数控车床为例主要介绍了的试切对刀法对刀的原理与步骤。关键词：数控车床 精确对刀 试切对刀法前言：对刀是数控加工中的重要准备过程，对刀的精确程度直接影响加工的精度。数控车床中的许多对刀方法中以试切对刀法应用的最为广泛，它不仅满足精度的要求，而且操作方便简捷，是一种非常实用的对刀方法。一、为什么要对刀1、基本的坐标关系一般来讲，通常使用的有两个坐标系：一个是机床坐标系 ；另

4、外一个是工件坐标系。机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点称为机床原点或机床零点。数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点（测量起点），机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点，以建立机床坐标系。为了计算和编程方便我们需要工件坐标系，我们通常将数控车床工件坐标系原点（也称为程序原点）设定在工件右端面的回转中心上，尽量使编程基准与设计、装配基准重合。2、为什么要对刀刀具刀位点的运动轨迹自始至终需要在机床坐标系下进行精确控制 , 因为机械坐标系是机床唯一的基准，但编程尺寸却是按工件坐标系确定的，这就需要在工件坐标系

5、和机床坐标系这两者之间建立起一种联系，即要确定工件坐标系在机床坐标系中的位置。这种联系的建立必须通过对刀操作来实现。所以对刀的实质是确定随编程而变化的工件坐标系的程序原点在唯一的机床坐标系中的位置。对刀的精度可以决定零件的加工精度，同时，对刀效率还直接影响数控加工效率。二、对刀的基本概念对刀是数控加工中较为复杂的工艺准备工作之一，对刀的好与差将直接影响到加工程序的编制及零件的尺寸精度。通过对刀或刀具预调，还可同时测定其各号刀的刀位偏差，有利于设定刀具补偿量。 1 刀位点 刀位点是指在加工程序编制中，用以表示刀具特征的点，也是对刀和加工的基准点。对于车刀，各类车刀的刀位点见下图：12 对刀 对刀

6、是数控加工中的主要操作。结合机床操作说明掌握有关对刀方法和技巧，具有十分重要的竟义。在加工程序执行前，调整每把刀的刀位点，使其尽量重合于某一理想基准点，这一过程称为对刀。理想基准点可以设定在刀具上，如基准刀的刀尖上；也可以设定在刀具外，如光学对刀镜内的十字刻线交点上。三、数控车床的对刀方式数控车削加工中，需要确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，这是通过对刀来实现的。对刀点可以设在零件上、夹具上或机床上，对刀时应使对刀点与刀位点重合。数控车床常用的对刀方法有三种：试切对刀、机械对刀仪对刀（接触式）、光学对刀仪对刀（非接触式）。1、一般方式对刀一般方式对刀是指在数控机床上使用相对位置检测的

7、手动对刀。下面以Z向对刀为例说明对刀方法，如图1所示。刀具安装后，先移动刀具手动切削工件右端面，再沿X向退刀，将右端面与加工原点距离N输入数控系统，即完成这把刀具Z向对刀过程。手动对刀是基本对刀方法，但它还是没跳出传统车床的“试切-测量-调整”的对刀模式，占用较多的在机床上时间。此方法较为落后。2、机外对刀仪对刀如图2所示，机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可以使用。3、自动对刀自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信

8、号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。自动对刀过程如图3所示。2图1 相对位置检测对刀 图2 机外对刀仪对刀 图3自动对刀自动对刀依据刀具与对刀仪是否接触分为：机械对刀仪对刀(图4所示)和光学对刀仪对刀图5所示)。机械对刀仪对刀光学对刀仪对刀3四、对刀的基本形式车床分有对刀器和没有对刀器,但是对刀原理都一样,先说没有对刀器。1、没有对刀器的对刀车床本身有个机械原点,对刀时一般要试切,比如车外径一刀后Z 向退出,测量车件的外径是多少,然后在G 画面里找到你所用刀号把光标移到X 输入X。按测量机床就知道这个刀位上的刀尖位置了,内径一样,Z 向就简单了,把每把刀都在Z 向碰一个地

9、方然后测量Z0 就可以了。这样所有刀都有了记录,确定加工零点在工件移里面(offshift),可以任意一把刀决定工件原点。但是这样对刀要记住对刀前要先读刀。还有一个比较方便的方法,就是用夹头对刀,我们知道夹头外径,刀具去碰了输入外径就可以,对内径时可以拿一量块用手压在夹头上对,同样输入夹头外径就可以了。2、有对刀器的对刀如果有对刀器就方便多了,对刀器就相当于一个固定的对刀试切工件,刀具碰了就记录进去位置了，所以如果是多种类小批量加工最好买带对刀器的。节约时间。要准确对刀 先要了解数控车床的几个基本坐标的关系。五、数控车床基本坐标关系与对刀的基本方法在数控车床的操作与编程过程中，弄清楚基本坐标关

10、系和对刀原理是两个非常重要的环节。这对我们更好地理解机床的加工原理，以及在处理加工过程中修改尺寸偏差有很大的帮助。1、基本坐标关系一般来讲，通常使用的有两个坐标系：一个是机械坐标系 ；另外一个是工件坐标系，也叫做程序坐标系。在机床的机械坐标系中设有一个固定的参考点(假设为(X，Z)。这个参考点的作用主要是用来给机床本身一个定位。因为每次开机后无论刀架停留在哪个位置，系统都把当前位置设定为(0，0)，这样势必造成基准的不统一，所以每次开机的第一步操作为参考点回归(有的称为回零点)，也就是通过确定(X，Z)来确定原点(0，0)。2. 对刀的基本方法为了计算和编程方便，我们通常将程序原点设定在工件右

11、端面的回转中心上，尽量使编程基准与设计、装配基准重合。机械坐标系是机床唯一的基准，所以必须要弄清楚程序原点在机械坐标系中的位置。这通常在接下来的对刀过程中完成。目前绝大多数的数控车床采用手动对刀，其基本方法有以下几种：1 定位对刀法 定位对刀法的实质是按接触式设定基准重合原理而进行的一种粗定位对刀方法，其定位基准由预设的对刀基准点来体现。对刀时，只要将各号刀的刀位点调整至与对刀基准点重合即可。该方法简便易行，因而得到较广泛的应用，但其对刀精度受到操者技术熟练程度的影响，一般情况下其精度都不高，还须在加工或试切中修正。2 光学对刀法 这是一种按非接触式设定基准重合原理而进行的对刀方法，其定位基准

12、通常由光学显微镜(或投影放大镜)上的十字基准刻线交点来体现。这种对刀方法比定位对刀法的对刀精度高，并且不会损坏刀尖，是一种推广采用的方法。3 试切对刀法4在以上各种手动对刀方法中，均因可能受到手动和目测等多种误差的影响以至其对刀精度十分有限，往往需要通过试切对刀，以得到更加准确和可靠的结果六、数控车床的试切对刀法1、数控车床试切对刀法的原理及对刀思路深入理解数控车床的对刀原理对于操作者保持清晰的对刀思路、熟练掌握对刀操作以及提出新的对刀方法都具有指导意义。对刀的实质是确定随编程而变化的工件坐标系的程序原点在唯一的机床坐标系中的位置。对刀的主要工作是获得基准刀程序起点的机床坐标和确定非基准刀相对

13、于基准刀的刀偏置。例如：以工件右端面中心为程序原点，用G92指令设定工件坐标系；直径编程，程序起点H的工件坐标为（100，50）；刀架上装四把刀：1号刀为90°外圆粗车刀、2号基准刀为90°外圆精车刀、3号刀为切断刀、4号刀为60°三角螺纹刀。如图1所示，基准刀按照“手动试切工件的外圆与端面，分别记录显示器（CRT）显示试切点A的X、Z机床坐标推出程序原点O的机床坐标推出程序起点H的机床坐标”的思路对刀。根据A点与O点的机床坐标的关系：XO= XAd，ZO =ZA，可以推出程序原点O的机床坐标。再根据H相对于O点的工件坐标为(100,50)，最后推出H点的机床坐标

14、：XH=100d，ZH= ZA+50。这样建立的工件坐标系是以基准刀的刀尖位置建立的工件坐标系。图1 手动试切对刀示意图2、数控车床试切对刀法的方式步骤方式一、使用G50、G92指令对刀在对刀时，我们可以通过设置刀具起点相对工件坐标系的坐标值来设定工件坐标系，如图1所示，对刀的目的就是将刀具的刀位点移至A点，这样，通过A点间接确定出工件的编程坐标系原点O的位置。对刀步骤如下：（1）使数控车床返回机床参考点。（2）使刀具原有的偏置量清零。（3）用“手轮”方式车削工件右端面和工件外圆。（4）使刀具退到工件右端面和外圆母线的交点，如图1所示中C点的位置。（5）让刀尖向Z轴正向退 mm（可使用相对坐标

15、清零方式操作）。5（6）停止主轴转动。（7）用外径千分尺测量工件外径尺寸d。（8）让刀尖向X轴正向退b-d。（9）则刀尖现在的位置就为程序中G50（G92）规定的位置。要求其程序形式为： O * * * *（程序号）N10 G50（G92） X bN20 至此，对刀工作全部结束，可以调出程序进行加工了。但要注意的是采用此种方法对刀，加工前必须将刀具的刀位点放在指定的位置上，而且此种对刀方法，仅适合一把刀具加工工件。方式二、使用G54/G55/G56/G57/G58/G59指令对刀我们可以使用现代数控车床提供的存储型零点偏置模式建立坐标系，它是将对刀特定点的当前机床坐标输入到数控系统零点偏置的存

16、储单元中，从而得到刀具当前刀位点的工件编程坐标。对刀步骤如下：（1）使数控机床返回机床参考点。（2）使刀具原有的偏置量清零。（3）用“手轮”方式车削工件右端面。（4）沿+X方向退刀，并停下主轴（不要在+Z方向上移动刀架）。（5）把当前该把刀的机床坐标系下的Z方向坐标值，输入到G54零点偏置存储单元上的Z方向坐标上。（6）用“手轮”方式车削工件外圆。（7）沿+ Z方向上退刀，并停下主轴（不要在+ X方向上移动刀架）。（8）测量车削后的外圆直径d。（9）读取当前该把刀的机床坐标下的X方向坐标值，并把此值减去外圆直径d后的坐标值，输入到G54零点偏置存储单元中的X坐标上。用同样的方法，可以把第2刀、

17、第3刀，对应的输入到G55、G56G59零点偏置存储单元中要求程序形式为：O * * * *（程序号）N10 T0101（调用已经设有刀偏量的1号刀）N20 G54 X M03 S600（调用通过G54设置的工件坐标系）N T0202（调用已经设有刀偏量的2号刀）N G55 X M03 S500（调用通过G54设置的工件坐标系）采用此种方法对刀，加工前无须将刀具放在一个特定点上，而且适合多把刀具加工工件。方式三、使用绝对型刀具位置补偿方式对刀数控系统通过对刀可以直接获得每把刀具的刀位点相对于工件编程坐标原点的机床绝对坐标，并将此坐标直接输入到数控系统的刀具位置存储单元中，在程序中调用带有刀具位

18、置补偿号的刀具功能指令后，即建立起工件的编程坐标系。对刀步骤如下：（1）使数控机床返回机床参考点。（2）用“手轮”方式车削工件右端面。（3）沿+X方向退刀，并停下主轴（不要在+Z方向上移动刀架）。（4）选择数控车床操作面板中的“刀补”键或是6“OFFSET”键，在相对应的刀号上输入Z=0。（5）用“手轮”方式车削工件外圆。（6）沿+ Z方向上退刀，并停下主轴（不要在+ X方向上移动刀架）。（7）测量车削后的外圆直径d。（8）选择数控车床操作面板中的“刀补”键或是“OFFSET”键，在相对应的刀号上输入X=d。 采用该种方法对刀，加工前无须将刀具放在一个特定点上，而且程序中并无G50、G54等指

19、令。方式四、使用相对补偿法对刀此种对刀方法是先确定一把刀作基准（标准）刀，并设定一个对刀基准点，把基准刀的刀补值设为零，然后使每把刀的刀尖与这一基准点接触，利用这一点为基准，测出各把刀与基准刀的X、Z轴的偏置值X、Z，。这样就得出每把刀的刀偏量，并把此值输入到数控系统当中。此种方法操作简便易行。采用该种方法对刀，加工前也无须将刀具放在一个特定点上，而且程序中也无G50、G54等指令。3、数控车床试切对刀法的在数控系统中的操作（以FANUC series oi mate TB系统为例）FANUC 系统确定工件坐标系有三种方法 第一种是：通过对刀将刀偏值写入参数从而获得工件坐标系。这种方法操作简单

20、，可靠性好，他通过刀偏与机械坐标系紧密的联系在一起，只要不断电、不改变刀偏值，工件坐标系就会存在且不会变，即使断电，重启后回参考点，工件坐标系还在原来的位置。 第二种是：用G50 设定坐标系，对刀后将刀移动到G50 设定的位置才能加工。对到时先对基准刀，其他刀的刀偏都是相对于基准刀的。第三种方法是MDI 参数，运用G54G59 可以设定六个坐标系，这种坐标系是相对于参考点不变的，与刀具无关。这种方法适用于批量生产且工件在卡盘上有固定装夹位置的加工。a、 直接用刀具试切对刀1) 用外圆车刀先试切一外圆，测量外圆直径后，按入“外圆直径值”，按 输 键，刀具“X”补偿值即自动输入到几何形状里。 输入

21、“Z 0”， 按2) 用外圆车刀再试切外圆端面，按键，刀具“Z”补偿值即自动输入到几何形状里。b、 用G50 设置工件零点1)外圆车刀先试切一段外圆，选择烁。按 按 ，这时“U”坐标在闪 键置“零”，测量工件外圆后，选择 “MDI”模式，输入G01U-××(××为测量直径)F0.3,切端面到中心。2) 选择3) 选择 MDI 模式，输入G50 X0 Z0，启动 键，把当前点设为零点。 MDI 模式，输入G00 X150 Z150 ，使刀具离开工件。4) 这时程序开头：G50 X150 Z150 。5) 注意：用G50 X150 Z150，程序起点和终点必

22、须一致即X150 Z150，这样才能保证 7重复加工不乱刀。c、用G54-G59 设置工件零点1)用外圆车刀先试车一外圆，测量外圆直径后，把刀沿Z 轴正方向退点，切端面到中心。2)把当前的X 和Z 轴坐标直接输入到G54-G59 里,输入与G50方法类似，程序直接调用如:G54X50Z50。3)注意:可用G53 指令清除G54-G59 工件坐标系。4、数控车床的刀具补偿如果在加工过程中按复位或急停健，可以再回到设定的G92 起点继续加工。但如果出意外如：X 或Z轴无伺服、跟踪出错、断电等情况发生，系统只能重启，重其后设定的工件坐标系将消失，需要重新对刀。如果是批量生产，加工完一件后回G92 起

23、点继续加工下一件，在操作过程中稍有失误，就可能修改工件坐标系，需重新对刀。鉴于这种情况，我们就想办法将工件坐标系固定在机床上。以下举例了几种方法。第一种方法：在对基准刀时，将显示的参考点偏差值写入9 号刀补，将对刀直径的反数写入8 号刀补的X 值。系统重启后，将刀具移动到参考点，通过运行一个程序来使刀具回到工件G92 起点，程序如下：N001 G92 X0 Z0;N002 G00 T19;N003 G92 X0 Z0;N004 G00 X100 Z100;N005 G00 T18;N006 G92 X100 Z100;N007 M30;程序运行到第四句还正常，运行第五句时，刀具应该向X 的负向

24、移动，但却异常的向X、Z的正向移动，结果失败。分析原因怀疑是同一程序调一个刀位的两个刀补所至。第二种方法：在对基准刀时，将显示的与参考点偏差的Z 值写入9 号刀补的Z 值，将显示的X 值与对刀直径的反数之和写入9 好刀补的X 值。系统重启后，将刀具移至参考点，运行如下程序：N001 G92 X0 Z0;N002 G00 T19;N003 G00 X100 Z100;N004 M30;程序运行后成功的将刀具移至工件 G92 起点。但在运行工件程序时，刀具应先向X、Z 的负向移动，却又异常的向X、Z 的正向移动，结果又失败。分析原因怀疑是系统运行完一个程序后，运行的刀补还在内存当中，没有清空，运行

25、下一个程序时它先要作消除刀补的移动。第三种方法：用第二种方法的程序将刀具移至工件G92 起点后，重启系统，不会参考 8点直接加工，试验后能够加工。但这不符合机床操作规程，结论是能行但不可行。第四种方法：在对刀时，将显示的与参考点偏差值个加上100 后写入其对应刀补，每一把刀都如此，这样每一把刀的刀补就都是相对于参考点的，加工程序的G92 起点设为X100 Z100，试验后可行。这种方法的缺点是每一次加工的起点都是参考点，刀具移动距离较长，但由于这是G00 快速移动，还可以接受。第五种方法：在对基准刀时将显示的与参考点偏差及对刀直径都记录下来，系统一旦重启，可以手动的将刀具移动到G92 起点位置

26、。这种方法麻烦一些，但还可行。5、数控车床刀具的偏置1) 零点偏置如图，以机床参考点和机床原点设为同一点的机床为例。当执行回参考点（回零）操作后，刀架参考点与机床原点重合，此时，机床坐标系追踪测量目标刀架参考点坐标值为（X0，Z0），此时，机床认为位置坐标是（X0，Z0）。如果手动操作机床移动刀架，使刀位点到达工件零点W，此时，工件坐标系追踪测量目标刀位点坐标值为（X0，Z0）。此时，工件坐标认为是（X0，Z0）。由图可见：刀位点到达工件零点W时，刀架参考点处于P，刀架参考点在此位置时，机床坐标系认为机床坐标是（X167.08×2，Z734.91）。由此可见，当刀具与工件如图安装时，

27、两坐标系显示坐标的差别是：XMXWA167.08×20167.08×2；ZMZW B734.910734.91可以这样设想，如果把机床的零点M偏置到P点，则刀位点就到达工件零点，机床坐标系认为机床坐标是（X0，Z0），工件坐标也认为是（X0，Z0），那么两坐标系坐标显示的差别就可以消除了，这就是零点偏置的意义。零点偏置的方法是：当刀具与工件安装后，手动操作机床测量的偏移值A、B，并把A、B值输入到CNC的零点偏置画面，如图8-2-4。执行程序时，CNC自动按给定值偏移机床零点，从而使机床坐标系显示坐标与工件坐标一致。加工程序如：“G54 G00 X60 Z5”，其中“G54

28、”9的功能是调用其中的零点偏置，操作工须预先测量输入的零点偏置。 零点偏置值的大小与机床零点位置、工件零点、刀位点位置相关。2) 长度补偿（几何尺寸偏移）如图8-2-5，当执行回参考点操作，刀架参考点与机床原点重合后，机床坐标认为是（X0，Z0）。但此时刀位点在工件坐标系的坐标是（X+167.08×2，Z+734.91）。可以这样设想，当机床坐标是（X0，Z0）后，如果把刀位点向X负向再移动2B（直径值），向Z负向再移动A，这样刀位点就到达了工件零点，使得工件坐标为（X0，Z0）。这就是长度补偿的意义。由此可见，零点偏置与长度补偿的方法，对弥补两个坐标系测量差别的方法不一样，但补偿或

29、偏置数值却是一样的。3) 刀具磨损偏置10七、几种精确对刀方法小结精确对刀阶段总的思路是“自动试切测量误差补偿”。误差补偿分两种情况：对于基准刀MDI运行或步进移动刀架补偿其程序起点位置；对于非基准刀补偿其刀偏置或磨损值。为避免记录混乱，设计表2所示的表格记录并计算数值。表2 试切法对刀记录表（单位：mm）1. 基准刀修正程序起点位置后，再单独修调各非基准刀刀偏置法(1)基准刀处于粗略对刀后的程序起点位置，将各非基准刀刀偏置输入到刀偏表的相应位置。(2)调用加工D2×L2的O1000程序试切。(3)测量切削轴段的直径与长度，与程序指令值比较，求出误差。(4)步进移动或MDI运行误差值

30、，修调程序起点位置。(5)根据测量尺寸，动态修改O1000程序下划线的指令数值并保存程序，重复步骤(2)、(3)，直至基准刀程序起点被修正在精度允许范围内为止，记录修正后程序起点的机床坐标并将坐标置零。(6)分别调用O1001（1、4号刀）、O1002（3号刀）程序试切，测量各段直径Di和长度Li（i=1，4，3）。(7)按表3所示方法进行误差补偿。(8)重复步骤(6)至步骤(7)，直至加工误差在精度范围内，基准刀停在程序起点位置不再移动。11表3 自动试切圆柱轴段的实际测量尺寸与程序指令值的误差补偿举例（单位：mm）2. 各刀分别修调程序起点位置法此法的对刀原理为：各刀均修正其程序起点位置，从而间接保证对准同一程序原点位置。(1) 2号基准刀处于粗略对刀后的程序起点位置，且将各非基准刀刀偏置记录后均修改为零。(2)至(5)步与第一种精确对刀方法的同序号的对刀步骤相同。(6)分别换非基准刀，把粗略对刀记录的刀偏置当作非基准刀程序起点的相对坐标，调用O1000程序试切，分别测量各段直径Di和长度Li（i=1，4，3），与程序指令值比较，求出差值。(7)步进移