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一种简易的数控刨床自动对刀和刀具磨损自动补偿方法
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摘要:介绍了一种简易的数控刨床自动对刀和刀具磨损自动补偿方法。在该方法中自动对刀和刀具磨损自动补偿采用同一套装置,装置结构简单,操作方便。刀具磨损的自动补偿不需要有刀具磨损量的反馈信息。功能的实现不需要在数控系统中外加另外的接口电路。
采用数控刨床加工平面和简单的零件时,通常不存在刀具的精确定位和刀具磨损的补偿问题,但当用来加工截面轮廓线是复杂曲线的零件时(如罗茨泵转子的截面轮廓线由四段圆弧、四段外摆线和四段渐开线组成,大型水环泵叶轮叶片的轮廓线由多段直线和圆弧组成,它们对工件的尺寸精度、型线位置精度和形状精度都有较高的要求),刀尖相对于工件的起始位置直接影响工件的加工精度。由于工件尺寸大、余量大,粗精加工经常又是在同一台机床上进行,粗精加工要使用不同的刀具,刀具崩刃现象时有发生,因此既使加工同一个工件,刀具有时也需要多次更换。每一次装换刀,都要求刀具的刀尖位于同一起始位置。另外,用同一把刀加工多个工件或一个大型工件,在加工过程中刀具的磨损有时也会超过允许的程度,不进行刀具磨损的补偿,工件的尺寸会出现超差。要实现工件的高精度加工,刀具的精确定位和刀具磨损的补偿问题必需得到很好的解决。一般数控刨床在刀具初装和更换后的定位问题通常有两种解决方法:一是试切法;二是用对刀块调整法。但两个方法不是精度差,就是操作不方便。刀具的磨损补偿,通常是在知道刀具磨损量的情况下才能进行,但刀具磨损的在线检测本身就是一个不好实现的复杂的问题。为此,研究了结构简单、操作方便的自动对刀和刀具磨损自动补偿装置。

图1 对刀和刀具磨损补偿装置

图2 对刀信号检测电路

1 装置的结构

图1 所示就是作者设计的数控刨床自动对刀和刀具磨损自动补偿装置。该装置的结构非常简单,由对刀块、绝缘体和底座三部分组成。整个装置由底座通过螺钉固定在工作台上。对刀装置与工作台一起通过X向的伺服电机做水平方向的移动,刀具由Z向伺服电机控制做上下移动。对刀块和底座各有一个接线端,两者之间由绝缘体来绝缘。对刀块的凹槽由两个斜面和一个平面组成,称为对刀斜面和对刀底面。其中对刀底面与工作台的台面平行,对刀斜面与刨刀的前后移动方向平行。为了保证对刀的精度,对刀块的斜面和底面都要求有较高的平面度和低的粗糙度。
对刀信号检测电路,如图2示。它主要由一个光电耦合器件和两个限流电阻组成。对刀块上的两条信号输出线作为输入信号分别接信号检测电路的两个输入端,形成一个开关电路,输出信号接数控系统的并行接口8155。从电路上看,在图1中由于底座通过工作台、床身与刀具相连,接线端2也就与刀尖相连。当刀尖与任一对刀面接触时,信号检测电路光藕器的发光二极管会导通、发光, 光敏三极管亦导通, 输出端电平会由高变低。当刀尖离开对刀面后, 发光二极管的通路被关断,发光停止,输出端又恢复为高电平。这个信号作为数控系统的输入信号,数控系统根据输入信号电平的高低判断刀尖与对刀块是否接触。

2 对刀方法

对刀就是在装刀和换刀时,通过对刀具位置的调整使其刀尖置于相对于工件某一确定的空间位置(对刀原点)。如果工件安装在工作台上的位置确定,那么只要刀尖相对工作台的位置确定,刀尖相对于工件的位置也就确定。因此通过调整刀具相对于工作台的位置同样可以达到对刀的目的。刨床的对刀,要求在两个方位上确定刀尖的位置,一是垂直方位,另一个是水平方位。对于图1所示的对刀装置来说,刀尖垂直方位由刀尖相对于对刀底面的位置来确定,水平方位由刀尖相对于两对刀斜面的位置来确定。
对刀的过程就是用刀尖寻找对刀底面之上和对刀斜面之间某一中点的问题。设对刀原点在对刀块两对刀斜面中间上方的20mm处,对刀方法如下:
  1. 首先控制工作台和刀具移动,使刀具处于对刀底面的上方(高度不限);
  2. 控制刀具下移,并在下移过程中,每向下走一步,检测一次刀尖和底对刀面是否接触。当检测到刀尖接触对刀面的信号时, 控制刀具停止下移,将Z坐标值清零,然后控制刀具向上移5mm;
  3. 控制工作台左移,使右对刀斜面移向刀具,当检测到刀尖接触右对刀斜面时, 工作台停止移动,X坐标值清零;
  4. 控制工作台反方向移动,同时,记录沿此方向的位移量L。当检测到刀头接触到左对刀斜面时, 工作台停止移动。
  5. 控制工作台左移至两侧对刀面的中间位置(即L/2处)。
  6. 控制刀具上移15mm, 将X、Z两个坐标值清零。 此时刀尖所在的位置即是设定的对刀原点。
在以上的六个步骤中,第一步要用数控系统的手动功能来完成,其他的步骤要设计一个对刀程序来自动完成。

3 刀具磨损补偿

刀尖的纵向磨损, 会使刀具刀尖最低点的位置上移,相当于对刀原点上移;刀尖横向的磨损会造成刀具刀尖中心位置的左偏或右偏,相当于对刀原点左偏或右偏。通过对刀,可以使对刀原点自动得到恢复,刀具的磨损也就得到了自动补偿。在刀具磨损速度比较快的情况下,在加工的过程中,可用多次对刀的办法来实现刀具磨损的在线补偿。
对刀和刀具磨损的自动补偿功能,要在设计数控系统时作为一个功能模块来设计。对于采用PC机作主机的数控系统,如果没有对刀程序,也可以单独设计一个对刀程序。一般PC机和各种数控系统都有并行I/O接口,因此除了光电耦合器件外,实现这一功能不需要外加其它的接口电路。
在了解了对刀和刀具磨损补偿的思路后,就可以设计一个程序来实现这一功能。对刀程序的设计不是一个困难的问题,具体程序的设计笔者在此就作不介绍了。

4 结束语

该对刀方法具有对刀装置结构简单、成本低、操作方便的特点,可以同时解决刀具的自动对刀和刀具磨损的自动补偿问题,且对刀和刀具磨损补偿的精度高,因此该对刀方法具有很强的使用性,在刨床数控系统中有较高的推广应用价值。该对刀方法已在作者研制的刨床数控系统中应用,并取得了很好的使用效果。
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