數控銑床對刀儀的設計和應用
2023-3-15 來源： 山東華宇工學院 作者：張慶貞
摘要：設計一款適合設置數控銑床和加工中心零點偏置值的對刀儀，能夠完成 X、Y、Z 共 3 個坐標軸方向零點偏置值的設定，利用閉合回路原理，對刀儀具有警示裝置，當對刀儀與工件接觸時，警示裝置會發光進行提示。
關鍵詞：數控銑床；對刀儀；刀具偏置
0 引言
CNC 銑床加工工件前，首先需要設定工件坐標系零點偏置值，就是設定工件坐標系零點在機械坐標系里的 X、Y、Z 坐標值[1]。雖然確定工件坐標系零點偏置值的方法多種多樣，但可歸納為兩類：
（1）用刀具和墊塊設定零點偏置值。
（2）用專業對刀工具確定零點偏置值[2]。
用刀具和墊塊確定零點偏置值時，要使刀具逐漸接近工件，在刀具和工件之間距離接近墊塊厚度時，中間放置墊塊，反復拉動墊塊，憑著操作者的感覺判定刀具、墊塊、工件完全接觸時，設定工件坐標系零點偏置值。這種方法非常考驗操作者的經驗與技巧，花費時間較多且精度不高，操作不當時就會引起撞刀的風險，從而增加維修成本。用專業對刀工具確定零點偏置值雖然比較方便和安全，但現有的專業對刀工具功能比較單一，只能完成 X、Y 坐標值零點偏置值設定和 Z 坐標值的零點偏置設定之中的一項，如要完成所有坐標的零點偏置值的設定，需要更換不同的對刀工具，花費時間較多；另外專業對刀工具價格比較昂貴，對機床性能要求較高，一般的數控銑床難以達到要求，需要對機床進行升級改造，成本較高，不適合一些中小
企業采用。
設計一款對刀儀，能夠同時完成 X、Y、Z 坐標值的零點偏置值，結構簡單，成本低廉，操作方便，精度較高，能夠滿足數控銑床和加工中心設定工件坐標系零點偏置值的問題。
1、數控銑床對刀儀結構設計
1.1 總體結構設計
該數控銑床刀儀主要包括兩部分，分別為夾頭和指示器。其中，夾頭主要包括卡爪、筒形外殼和夾頭芯，卡爪的中心位置設置有夾持空間，夾持空間用于夾持刀具；指示器主要由連接軸、絕緣套、電池、發光二極管、彈簧、指示管、連接桿、觸頭等組成。指示管內部有電源和發光裝置，指示管側壁上設置有透光孔，通過此孔可觀測到發光裝置是否發光；連接軸與電源連接，電源與發光件連接；發光件與觸頭連接，且觸頭與夾持空間同軸設置[3]。
設定工件坐標系零點偏置值時，把夾頭體的卡爪夾持安裝在機床上的刀具上，且指示器的觸頭與工件接觸時，組成閉合回路，指示器的發光件能夠發光，達到對刀的目的。精操作簡便，安全可靠。
1.2 指示器結構設計
指示器主要包括連接軸、絕緣套、電池、發光二極管、彈簧1、指示管，連接桿、彈簧 2、觸頭組成。指示器的下端為球形的觸頭，球頭通過彈簧固定在連接桿底部的弧形孔內，徑向受力時能夠左右擺動，撤去外力時，能夠恢復原狀，當觸頭側面接觸工件時，能夠緩沖工件對數控銑床對刀儀作用力，避免引起對刀儀的變形和損壞，導致對刀儀精度下降。觸頭的材料為具有高硬度和耐磨性的金屬導體，避免觸頭經常接觸工件導致磨損，使觸頭的尺寸變化，又能作為導體進行導電。
連接桿的整體外形為 T 形臺階軸狀，中間有臺階孔，大孔安放彈簧、小孔連接導線；T 形直徑較大的圓柱面位于指示管內部圓柱孔內，采用 IT5～IT7 級的 H/g 較小的間隙配合方式，較大的圓柱上面安裝有壓縮彈簧，使連接桿始終固定在指示管下端的卡口上，在軸向受力時，能夠上下滑動，外力消除時恢復原狀。當對刀儀下端的觸頭接觸工件的上表面時，使連接桿能夠往上移動，緩沖工件對對刀儀的作用力，防止對刀儀變形或損壞（圖 1）。
圖 1 對刀儀和指示器
彈簧的上端為透明絕緣管，透明絕緣管里安裝發光二極管和 CR1025 電 池 ，發光二極管的正負極用導線分別連接著觸頭電池，當發光二極管和電池之間形成閉合回路時，發光二極管就會亮起。電池的上端連接著連接軸的接觸柱，連接軸固定在絕緣圈的中間孔內，用普通三角細牙螺紋連接，連接軸上端通過螺紋旋入進夾頭一端的螺紋孔內，進行位置固定[4]。
1.3 夾頭結構設計
夾頭體由夾頭芯、錐形螺紋圈、卡爪、筒形外殼組成[5]。鉆夾芯上有卡爪容納孔、錐形螺紋圈容納槽。卡爪螺紋端安裝在鉆夾芯上的卡爪容納孔里，與鉆夾芯上的容納槽里的錐形螺紋圈通過螺紋連接，3 根卡爪的不帶螺紋端組成夾持空間，用來夾持刀具，錐形螺紋圈由兩個半圓圈組成一個整圓圈，嵌入錐形螺紋圈容納槽里。鉆夾芯外面鑲嵌著筒形外殼，筒形外殼與錐形螺紋圈之間采用較小的過盈 H7/p6 配合，能夠傳遞力矩。旋轉筒形外殼時，帶動錐形螺紋圈轉動，錐形螺紋圈帶動卡爪伸縮，使卡爪之間的容納孔大小發生變動，便于安裝不同直徑大小刀具和鎖緊刀具。筒形外殼與鉆夾芯之間除去與錐形螺紋圈連接部分外，筒形外殼與鉆夾芯之間能夠相對轉動，沒有特殊的配合要求，采用較大間隙的 H9/d9 公差配合，夾頭結構如圖 2 所示。
圖 2 夾頭結構
2、數控銑床對刀儀使用方法
以 FANUC Series Oi Mate 數控銑床為例，介紹數控銑床對刀儀的使用方法（圖 3）：旋轉數控銑床對刀儀的筒形外殼，使 3個卡爪之間的容納孔增大，把刀柄上的刀具深入到 3 個卡爪之間的容納孔內，使刀尖與容納孔的底部接觸，然后在反方向旋轉數控銑床對刀儀的筒形外殼，卡爪伸出，容納孔變小，使對刀儀和刀具的相互位置固定。
圖 3 對刀儀安裝
設定 Z 軸方向零點偏置時，操作數控機床，使對刀儀的觸頭逐漸接近工件零點上表面，當對刀儀的警示亮起時，在數控銑床操作面板上按“OFFSET”按鈕，找到零點偏置設定界面，在緩沖區輸入數控銑對刀儀的固有長度值，按“測量”按鈕或讀出此時機床顯示的機械坐標值，與對刀儀的固有長度值相加，把所得數值輸入到零點偏置設定界面，就完成 Z 軸零點的偏置設定。
設定 X 軸方向零點偏置時，操作數控機床，使對刀儀的觸頭逐漸接近工件的 X 軸方向的側表面，當對刀儀的警示亮起時，在零點偏置設定界面的緩沖區輸入對刀儀在工件坐標系里的坐標值，按“測量”按鈕，完成 X 軸方向零點的偏置設定。Y 軸方向的零點偏置設定方法與 X 軸方向零點偏置設定方法相同[6]。
3 、數控銑床對刀儀工作原理
當觸頭與工件接觸時，電流會從指示器內部的電池正極流出，經過連接軸，到達對刀儀的夾頭部分，夾頭連接著刀具，刀具安裝在刀柄上，刀柄安裝在機床上，機床上固定著工件，工件接觸觸頭，觸頭連接著連接桿，連接桿通過導線連接著發光二極管的正極，發光二極管負極通過導線連接著電池負極，形成一個封閉的回路、使二極管亮起，觸頭離開工件時，電路斷開、發光二極管滅掉。控制電路原理如圖 4 所示。
圖 4 電路原理
4、結束語
為了解決數控銑床零點偏置設定問題，設計一款數控銑床對刀儀，能夠完成數控銑床工件坐標系零點在 X、Y、Z 軸方向零點偏置值設定，同時介紹對刀工具的使用方法。該數控銑床對刀儀主要包括夾頭和指示器，指示器裝有紐扣電池作為電源，裝有發光二極管作為警示裝置。當設定銑床零點偏置時，使用夾頭上的卡爪把對刀儀固定在銑床刀具上，當對刀儀的觸頭接觸工件時，機床、工件、刀具、對刀儀組成一個閉合回路，警示裝置發光，在數控銑床的零點偏置界面里輸入刀具在機械坐標系里的坐標值，完成數控銑床零點偏置設定。使用該對刀儀能有效節約零點偏置設定時間，提高生產率，因為對刀儀里面有彈性裝置，避免操作不當撞刀的危險，降低維修成本，結構簡單，操作方便。
基金項目：山東華宇工學院 2019 年校級科研平臺：數控刀具制造工藝技術研發中心；德州市企業研發計劃項目：數控銑床用對刀裝置研究與實踐（DZSKJ202008）
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