用于车削中心的刀具自动测量系统

摘　要：介绍了用于车削中心的接触式刀具自动测量系统的构成及应用。
关键词：刀具测量　车削中心

Automatic Measuring System for Cutters on Turning Centers

Zhou Yonglin

Abstract: The composition and application of the trigger-type automatic measuring system for cutters on turning centers are introduced.
Keywords: measurement of cutter　turning center

1.引言

　　数控机床及加工中心是通过数控系统以数字方式控制刀具的运动以实现对工件的切削,在加工过程中，需要将所用刀具的几何尺寸（如刀具的长度、直径等）输入数控系统，以确定并控制刀具的运动轨迹。如机床未配置刀具测量装置，则只能采用实切法来确定所用刀具的几何尺寸（即刀具刀补值），即通过测量加工出工件的实际尺寸来修正数控系统中的刀具补偿参数及相应的控制程序。对于需频繁换刀的小批量工件的加工，就会增加大量占机试切工时，使加工效率大大降低，且不利于实现自动化加工。为此，数控机床及加工中心大多配置了各种不同类型的对刀装置，如机外对刀仪、机内光学对刀仪、接触式自动对刀装置等。由于车削中心的刀具夹持标准化程度不高，因此采用机外对刀仪的对刀精度相对较低，实用性较差；而采用机内接触式自动对刀装置无疑是一种简便、快捷的对刀方法，它能方便地自动测量刀具的固定刀补值，大大减少对刀时间，提高机床的加工效率。本文以SCHAUBLIN 130-CNC车削中心上配置的Renishaw HPA高精度刀具自动测量系统为例，介绍刀具自动测量系统的构成及具体应用。

2．刀具自动测量系统的构成

　　车削中心接触式刀具自动测量系统一般由触发式测头、联接臂、安装底座及测量软件等组成，如图1所示。触发式测头外形为一个10mm×10mm×4mm的硬质合金方块，其测量精度为0.001mm。测头通过联接臂和底座固定在机床主轴旁，测头的垂直中心线分别与机床的X、Z轴平行。测量时，移动刀架，当刀具的刀尖部分与测头接触时，测头发出触发信号，通过信号连接线触发数控系统记下此时的刀具位置，然后通过相应的测量软件计算出对刀具的固定补偿值，并直接传送至相应的刀补单元。测量完毕后操作者即可使用该刀具进行加工。

图1　车削中心接触式刀具自动测量系统示意图

3．刀具自动测量系统的校准

　　刀具自动测量系统一般不是由机床生产厂生产，而是作为测量工具外购，如同数控系统一样可根据用户的不同需要选购，其测量软件也由数控系统或机床生产厂家根据各自需要而设计。刀具自动测量系统在使用前一般都要根据具体的机床零点和参考点进行初始校准，校准步骤如下。
(1)选择可以接触到方形测头四个面的校准刀具，最好选择两把精加工刀具，刀具类型为1和3或2和4，如图2所示。

图2　校准刀具的选择

（2）估算用于校准测头的刀具长度（刀补值），如图3所示。可采用手动方式粗略测量出每把刀具的X、Z向长度，其测量精度应控制在0.5mm以内。
（3）估算测头在机床上的坐标位置。采用手动方式移动刀架，使刀具与测头接触，并记下此时的坐标值，经过计算即可粗略得到测头两侧面和机床零点的X、Z向坐标值，如图4所示。

图3　刀补值的估算

图4　测头坐标位置的估算

（4）通过试切获得精确的刀具长度值（刀补值）。其中，X方向刀补值（即直径误差值）=理想尺寸－实际尺寸，如图5所示，刀具精确长度（即新刀补值）=旧刀补值+（±误差值/2）；Z方向的长度误差值可通过试切前、后工件端面到卡盘端面或三爪表面的尺寸误差来获得。

图5　刀补值的精确计算

　　通过以上步骤，再根据数控系统的刀具自动测量软件的要求修正测量软件中的相应参数，即完成了数控机床刀具自动测量系统的初始校准。

4．车削中心刀具的自动测量

　　在车削中心的实际加工中，某些零件的加工往往需要几把甚至几十把刀具才能完成，对于每把刀具，都必须确定其相对于刀架参考点的具体尺寸（即刀补值）才能进行加工。在车削中心加工中，根据加工需要，每一把刀具可以选择一个或几个刀补值存贮单元，数控系统对每个刀补单元都有编号，数控系统将根据刀补单元号调用所用刀具的刀补值。在采用刀具自动测量系统时，首先必须为每把刀具选定刀补单元，然后在其刀补单元中填入相应的内容，刀补单元中一般有10项内容，见下表。

表　刀补单元内容

刀
补
号
D_n0刀具号1刀具类型2X轴方向固定刀补值L₁3Z轴方向固定刀补值L₂4刀尖半径值R_a5L₁刀具磨损补偿值6L₂刀具磨损补偿值7R_a刀具磨损补偿值8L₁加长刀具修正9L₂加长刀具修正

　　表中L₁、L₂值的定义见图3，L₁、L₂值须先给出粗测值（误差≤±2mm）。表中刀具类型一般可分为8类，如图6所示。对于单刀架的车削中心，一般只使用第2、3、4、7、8类，其余用于具有双刀架的车削中心的下刀架。其中，第2类为镗刀，第3类为外圆车刀，第4类为反装外圆车刀，第7类为钻削类刀具，第8类为切刀、螺纹车刀及径向钻削类刀具。在刀补单元中填入表中相关内容后，装上自动对刀装置，调用刀具自动测量循环，即可快速、方便地实现刀具的自动测量，其测量值直接输入相应刀补单元中的刀补值L₁、L₂处。　

图6　车削中心刀具类型代码示意图

5．结语

　　车削中心刀具自动测量系统可在机床上自动实现刀具刀补值的测量，并自动将测量结果输入数控系统中，不需人工干预，避免了人为误差及换刀误差等，有些软件还具有刀具破损自动检测等功能。使用刀具自动测量系统可大大减少加工辅助时间，提高加工精度，减少废品率，第一次切削时即可获得合格产品，同时也提高了数控机床的智能化程度，因此刀具自动测量系统已成为数控机床必不可少的基本选件之一。