在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)制造產(chǎn)品零件的工藝過(guò)程中，影響零件質(zhì)量的因素很多，如數(shù)控機(jī)床精度、工件材料、工件熱處理、加工工藝、冷卻液、刀具等等諸多因素。其中，刀具參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置，一直以來(lái)卻很少被大家所關(guān)心和重視，這里將重點(diǎn)探討在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行準(zhǔn)確刀具設(shè)置的方法特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
基本的坐標(biāo)關(guān)系
一般來(lái)講，通常使用的有兩個(gè)坐標(biāo)系：一個(gè)是機(jī)床坐標(biāo)系，另外一個(gè)是工件坐標(biāo)系。機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床固有的坐標(biāo)系，機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)稱為機(jī)床原點(diǎn)或機(jī)床零點(diǎn)。
為了計(jì)算和編程方便，我們需要在機(jī)床坐標(biāo)系中建立工件坐標(biāo)系。將工件上的某一點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)（也稱為程序原點(diǎn)）建立坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系就是工件坐標(biāo)系。日常工作中，我們要盡量使編程基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)、裝配基準(zhǔn)重合。
通常情況下，一臺(tái)機(jī)床的機(jī)床坐標(biāo)系是固定的，而工件坐標(biāo)系可以根據(jù)加工工藝的實(shí)際需求分別建立若干個(gè)，例如由G54、G55等來(lái)選擇不同的工件坐標(biāo)系。
對(duì)刀的目的
進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，數(shù)控程序所走的路徑均是主軸上刀具的刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。刀具刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡自始至終需要在機(jī)床坐標(biāo)系下進(jìn)行精確控制，這是因?yàn)闄C(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床唯一的基準(zhǔn)。編程人員在進(jìn)行程序編制時(shí)不可能知道各種規(guī)格刀具的具體尺寸，為了簡(jiǎn)化編程，這就需要在進(jìn)行程序編制時(shí)采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)，然后在使用刀具進(jìn)行加工時(shí)，將刀具準(zhǔn)確的長(zhǎng)度和半徑尺寸相對(duì)于該基準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的偏置，從而得到刀具刀尖的準(zhǔn)確位置。所以對(duì)刀的目的就是確定刀具長(zhǎng)度和半徑值，從而在加工時(shí)確定刀尖在工件坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置。
常用對(duì)刀方法
機(jī)外對(duì)刀
刀具預(yù)調(diào)儀是一種可預(yù)先調(diào)整和測(cè)量刀尖長(zhǎng)度、直徑的測(cè)量?jī)x器，該儀器若和數(shù)控機(jī)床組成DNC網(wǎng)絡(luò)后，還可以將刀具長(zhǎng)度、直徑數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程輸入加工中心NC中的刀具參數(shù)中。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)先將刀具在機(jī)床外校對(duì)好，裝上機(jī)床即可以使用，大大節(jié)省輔助時(shí)間。但是主要缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果為靜態(tài)值，實(shí)際加工過(guò)程中不能實(shí)時(shí)地對(duì)刀具磨損或破損狀態(tài)進(jìn)行更新，并且不能實(shí)時(shí)對(duì)由機(jī)床熱變形引起的刀具伸縮進(jìn)行測(cè)量。
試切法對(duì)刀
試切法對(duì)刀就是在工件正式加工前，先由操作者以手動(dòng)模式操作機(jī)床，對(duì)工件進(jìn)行一個(gè)微小量的切削，操作者以眼觀、耳聽(tīng)為判斷依據(jù)，確定當(dāng)前刀尖的位置，然后進(jìn)行正式加工。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外投資添置工具設(shè)備，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。主要缺點(diǎn)是效率低，對(duì)操作者技術(shù)水平要求高，并且容易產(chǎn)生人為誤差。在實(shí)際生產(chǎn)中，試切法還有許多衍生方法，如量塊法、涂色法等。
機(jī)內(nèi)對(duì)刀
此種機(jī)內(nèi)對(duì)刀方式是利用設(shè)置在機(jī)床工作臺(tái)面上的測(cè)量裝置（對(duì)刀儀），對(duì)刀庫(kù)中的刀具按事先設(shè)定的程序進(jìn)行測(cè)量，然后與參考位置或者標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行比較得到刀具的長(zhǎng)度或直徑并自動(dòng)更新到相應(yīng)的NC刀具參數(shù)表中。同時(shí)，通過(guò)對(duì)刀具的檢測(cè)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損、破損或安裝型號(hào)正確與否的識(shí)別。
機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀
機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀的組成
機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀一般由傳感器、信號(hào)接口以及對(duì)刀宏程序軟件組成。
按照傳感器工作方式，機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀可以分為接觸式對(duì)刀儀和激光對(duì)刀儀兩類。其中的接觸式對(duì)刀儀自身的重復(fù)測(cè)量精度為1μm，又可以根據(jù)對(duì)刀儀信號(hào)傳輸方式的不同，進(jìn)一步細(xì)分為以下幾類：電纜式對(duì)刀儀；紅外線式對(duì)刀儀；無(wú)線電式對(duì)刀儀。
電纜式對(duì)刀儀，由于不需要對(duì)刀信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件而有最佳的單件性價(jià)比，因此在工作中最為常見(jiàn)，但是其缺點(diǎn)是有電纜線的拖曳，限制了該對(duì)刀儀的應(yīng)用場(chǎng)合，大多適用于中小規(guī)格的三軸銑床/加工中心。
紅外線式對(duì)刀儀，信號(hào)傳輸范圍一般在6m以內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是采用編碼的HDR（高速數(shù)據(jù)傳輸）紅外技術(shù)從而避免了電纜拖曳帶來(lái)的不便和潛在的安全威脅，對(duì)刀后可以隨時(shí)從工作臺(tái)面取下不占用加工空間，并且可以多臺(tái)機(jī)床共用一臺(tái)對(duì)刀儀從而降低綜合成本。其缺點(diǎn)是在小型加工中心上使用時(shí)性價(jià)比不高。由其特點(diǎn)決定，該類對(duì)刀儀多用于中型機(jī)床以及大型的數(shù)控立車等。
無(wú)線電式對(duì)刀儀，無(wú)線電信號(hào)傳輸范圍一般在10米以上。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線電信號(hào)傳輸范圍大并且不易受到環(huán)境影響，對(duì)刀后可以隨時(shí)從工作臺(tái)面取下不占用加工空間，并且可以多臺(tái)機(jī)床共用一臺(tái)對(duì)刀儀從而可以降低綜合成本。該類對(duì)刀儀多用于大型/重型機(jī)床。
激光對(duì)刀儀，如海克斯康的LTS35.60，該產(chǎn)品的基本原理為采用聚焦激光光束為觸發(fā)媒介，當(dāng)激光光束被旋轉(zhuǎn)的刀具遮蔽時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。和接觸式對(duì)刀儀有本質(zhì)不同的是激光對(duì)刀儀采用非接觸測(cè)量，在對(duì)刀時(shí)沒(méi)有接觸力，因而可以對(duì)極其細(xì)小的刀具進(jìn)行測(cè)量而不用擔(dān)心由于接觸力導(dǎo)致細(xì)小刀具的折損，如LTS35.60可以測(cè)量的刀具直徑可以小至0.008mm（例如鉆頭、絲錐類或者微型銑刀等），自身重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到0.2μm。同時(shí)，由于測(cè)量時(shí)，刀具以加工速度高速旋轉(zhuǎn)，所以測(cè)量狀態(tài)幾乎完全等同于實(shí)際加工狀態(tài)，提高了對(duì)刀的實(shí)用精度。由于采用激光技術(shù)，該對(duì)刀儀可以對(duì)刀具外形進(jìn)行掃描而測(cè)量刀具的輪廓，并可以對(duì)多刃刀具的單個(gè)刀刃進(jìn)行破損監(jiān)測(cè)。其主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要額外的高質(zhì)量氣源對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，造價(jià)較高，主要適用于高速加工中心。
機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀的常見(jiàn)功能和優(yōu)勢(shì)
（1）刀具長(zhǎng)度/直徑的自動(dòng)測(cè)量和參數(shù)更新：刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)度/直徑的動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量參數(shù)包含了機(jī)床主軸的端向跳動(dòng)/徑向跳動(dòng)誤差，從而得到了刀具在高速加工時(shí)的“動(dòng)態(tài)”的偏置值；同時(shí)，可以隨時(shí)進(jìn)行刀具參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，從而極大消除了由于機(jī)床熱變形引起的刀具參數(shù)的“改變”；測(cè)量結(jié)果自動(dòng)更新到相應(yīng)刀具的參數(shù)表中，完全避免人為對(duì)刀和參數(shù)輸入帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
?。?）刀具磨損/破損的自動(dòng)監(jiān)控：在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒吣p或者破損（折斷）時(shí)，操作者很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正（尤其是直徑較小的鉆頭類刀具），從而造成更多后續(xù)刀具的損失甚至工件的報(bào)廢。使用機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀可以在刀具加工完畢后放回刀庫(kù)前，自動(dòng)對(duì)刀具長(zhǎng)度進(jìn)行一次測(cè)量，若發(fā)生正常磨損時(shí)可以自動(dòng)將磨損數(shù)值更新到刀損參數(shù)中，若發(fā)生超長(zhǎng)磨損可以當(dāng)作刀具破損（折斷）從而選擇更換新刀進(jìn)行下一個(gè)工件的加工或者自動(dòng)停機(jī)報(bào)警提示操作者進(jìn)行刀具更換。這樣，提高了產(chǎn)品質(zhì)量并降低刀具損耗或廢品率。
（3）機(jī)床熱變形的自動(dòng)補(bǔ)償：機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)，隨著周圍環(huán)境溫度的變化以及工作負(fù)荷的變化，機(jī)床的熱變形隨時(shí)都在發(fā)生進(jìn)而帶動(dòng)刀具發(fā)生變化，其結(jié)果就是車間內(nèi)同一臺(tái)機(jī)床在早/中/晚不同時(shí)段加工出產(chǎn)品的尺寸精度發(fā)生很大的波動(dòng)。使用機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀后，可以在加工前或者加工過(guò)程中隨時(shí)對(duì)刀具參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和更新，每次測(cè)量都是在當(dāng)前機(jī)床熱變形的狀態(tài)下進(jìn)行的刀具設(shè)置，從而極大的降低了由于機(jī)床熱變形引入的誤差。
?。?）刀具輪廓的測(cè)量和監(jiān)控：在特殊的加工中，如成型刀，使用機(jī)外對(duì)刀儀進(jìn)行刀具輪廓的測(cè)量和刀具狀態(tài)判斷是費(fèi)時(shí)而復(fù)雜的工作，同時(shí)對(duì)操作者的對(duì)刀技巧也有很高的要求。這時(shí)，若使用機(jī)內(nèi)激光對(duì)刀儀，可以隨時(shí)利用激光光束進(jìn)行刀具輪廓的掃描測(cè)量或監(jiān)控，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的自動(dòng)更新。
