數(shù)控銑床對(duì)刀儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
2023-3-15 來源： 山東華宇工學(xué)院 作者：張慶貞
摘要：設(shè)計(jì)一款適合設(shè)置數(shù)控銑床和加工中心零點(diǎn)偏置值的對(duì)刀儀，能夠完成 X、Y、Z 共 3 個(gè)坐標(biāo)軸方向零點(diǎn)偏置值的設(shè)定，利用閉合回路原理，對(duì)刀儀具有警示裝置，當(dāng)對(duì)刀儀與工件接觸時(shí)，警示裝置會(huì)發(fā)光進(jìn)行提示。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；對(duì)刀儀；刀具偏置
0 引言
CNC 銑床加工工件前，首先需要設(shè)定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置值，就是設(shè)定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)在機(jī)械坐標(biāo)系里的 X、Y、Z 坐標(biāo)值[1]。雖然確定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)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(shè)定零點(diǎn)偏置值。
（2）用專業(yè)對(duì)刀工具確定零點(diǎn)偏置值[2]。
用刀具和墊塊確定零點(diǎn)偏置值時(shí)，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(shí)，中間放置墊塊，反復(fù)拉動(dòng)墊塊，憑著操作者的感覺判定刀具、墊塊、工件完全接觸時(shí)，設(shè)定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置值。這種方法非常考驗(yàn)操作者的經(jīng)驗(yàn)與技巧，花費(fèi)時(shí)間較多且精度不高，操作不當(dāng)時(shí)就會(huì)引起撞刀的風(fēng)險(xiǎn)，從而增加維修成本。用專業(yè)對(duì)刀工具確定零點(diǎn)偏置值雖然比較方便和安全，但現(xiàn)有的專業(yè)對(duì)刀工具功能比較單一，只能完成 X、Y 坐標(biāo)值零點(diǎn)偏置值設(shè)定和 Z 坐標(biāo)值的零點(diǎn)偏置設(shè)定之中的一項(xiàng)，如要完成所有坐標(biāo)的零點(diǎn)偏置值的設(shè)定，需要更換不同的對(duì)刀工具，花費(fèi)時(shí)間較多；另外專業(yè)對(duì)刀工具價(jià)格比較昂貴，對(duì)機(jī)床性能要求較高，一般的數(shù)控銑床難以達(dá)到要求，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，成本較高，不適合一些中小
企業(yè)采用。
設(shè)計(jì)一款對(duì)刀儀，能夠同時(shí)完成 X、Y、Z 坐標(biāo)值的零點(diǎn)偏置值，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，操作方便，精度較高，能夠滿足數(shù)控銑床和加工中心設(shè)定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置值的問題。
1、數(shù)控銑床對(duì)刀儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該數(shù)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(shè)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(fā)光二極管、彈簧、指示管、連接桿、觸頭等組成。指示管內(nèi)部有電源和發(fā)光裝置，指示管側(cè)壁上設(shè)置有透光孔，通過此孔可觀測(cè)到發(fā)光裝置是否發(fā)光；連接軸與電源連接，電源與發(fā)光件連接；發(fā)光件與觸頭連接，且觸頭與夾持空間同軸設(shè)置[3]。
設(shè)定工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏置值時(shí)，把夾頭體的卡爪夾持安裝在機(jī)床上的刀具上，且指示器的觸頭與工件接觸時(shí)，組成閉合回路，指示器的發(fā)光件能夠發(fā)光，達(dá)到對(duì)刀的目的。精操作簡(jiǎn)便，安全可靠。
1.2 指示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指示器主要包括連接軸、絕緣套、電池、發(fā)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(nèi)，徑向受力時(shí)能夠左右擺動(dòng)，撤去外力時(shí)，能夠恢復(fù)原狀，當(dāng)觸頭側(cè)面接觸工件時(shí)，能夠緩沖工件對(duì)數(shù)控銑床對(duì)刀儀作用力，避免引起對(duì)刀儀的變形和損壞，導(dǎo)致對(duì)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(dǎo)體，避免觸頭經(jīng)常接觸工件導(dǎo)致磨損，使觸頭的尺寸變化，又能作為導(dǎo)體進(jìn)行導(dǎo)電。
連接桿的整體外形為 T 形臺(tái)階軸狀，中間有臺(tái)階孔，大孔安放彈簧、小孔連接導(dǎo)線；T 形直徑較大的圓柱面位于指示管內(nèi)部圓柱孔內(nèi)，采用 IT5～I(xiàn)T7 級(jí)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(shí)，能夠上下滑動(dòng)，外力消除時(shí)恢復(fù)原狀。當(dāng)對(duì)刀儀下端的觸頭接觸工件的上表面時(shí)，使連接桿能夠往上移動(dòng)，緩沖工件對(duì)對(duì)刀儀的作用力，防止對(duì)刀儀變形或損壞（圖 1）。
圖 1 對(duì)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(fā)光二極管和 CR1025 電 池 ，發(fā)光二極管的正負(fù)極用導(dǎo)線分別連接著觸頭電池，當(dāng)發(fā)光二極管和電池之間形成閉合回路時(shí)，發(fā)光二極管就會(huì)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(nèi)，用普通三角細(xì)牙螺紋連接，連接軸上端通過螺紋旋入進(jìn)夾頭一端的螺紋孔內(nèi)，進(jìn)行位置固定[4]。
1.3 夾頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(gè)半圓圈組成一個(gè)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(zhuǎn)筒形外殼時(shí)，帶動(dòng)錐形螺紋圈轉(zhuǎn)動(dòng)，錐形螺紋圈帶動(dòng)卡爪伸縮，使卡爪之間的容納孔大小發(fā)生變動(dòng)，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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
圖 2 夾頭結(jié)構(gòu)
2、數(shù)控銑床對(duì)刀儀使用方法
以 FANUC Series Oi Mate 數(shù)控銑床為例，介紹數(shù)控銑床對(duì)刀儀的使用方法（圖 3）：旋轉(zhuǎn)數(shù)控銑床對(duì)刀儀的筒形外殼，使 3個(gè)卡爪之間的容納孔增大，把刀柄上的刀具深入到 3 個(gè)卡爪之間的容納孔內(nèi)，使刀尖與容納孔的底部接觸，然后在反方向旋轉(zhuǎn)數(shù)控銑床對(duì)刀儀的筒形外殼，卡爪伸出，容納孔變小，使對(duì)刀儀和刀具的相互位置固定。
圖 3 對(duì)刀儀安裝
設(shè)定 Z 軸方向零點(diǎn)偏置時(shí)，操作數(shù)控機(jī)床，使對(duì)刀儀的觸頭逐漸接近工件零點(diǎn)上表面，當(dāng)對(duì)刀儀的警示亮起時(shí)，在數(shù)控銑床操作面板上按“OFFSET”按鈕，找到零點(diǎn)偏置設(shè)定界面，在緩沖區(qū)輸入數(shù)控銑對(duì)刀儀的固有長(zhǎng)度值，按“測(cè)量”按鈕或讀出此時(shí)機(jī)床顯示的機(jī)械坐標(biāo)值，與對(duì)刀儀的固有長(zhǎng)度值相加，把所得數(shù)值輸入到零點(diǎn)偏置設(shè)定界面，就完成 Z 軸零點(diǎn)的偏置設(shè)定。
設(shè)定 X 軸方向零點(diǎn)偏置時(shí)，操作數(shù)控機(jī)床，使對(duì)刀儀的觸頭逐漸接近工件的 X 軸方向的側(cè)表面，當(dāng)對(duì)刀儀的警示亮起時(shí)，在零點(diǎn)偏置設(shè)定界面的緩沖區(qū)輸入對(duì)刀儀在工件坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值，按“測(cè)量”按鈕，完成 X 軸方向零點(diǎn)的偏置設(shè)定。Y 軸方向的零點(diǎn)偏置設(shè)定方法與 X 軸方向零點(diǎn)偏置設(shè)定方法相同[6]。
3 、數(shù)控銑床對(duì)刀儀工作原理
當(dāng)觸頭與工件接觸時(shí)，電流會(huì)從指示器內(nèi)部的電池正極流出，經(jīng)過連接軸，到達(dá)對(duì)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(jī)床上，機(jī)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(dǎo)線連接著發(fā)光二極管的正極，發(fā)光二極管負(fù)極通過導(dǎo)線連接著電池負(fù)極，形成一個(gè)封閉的回路、使二極管亮起，觸頭離開工件時(shí)，電路斷開、發(fā)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(jié)束語
為了解決數(shù)控銑床零點(diǎn)偏置設(shè)定問題，設(shè)計(jì)一款數(shù)控銑床對(duì)刀儀，能夠完成數(shù)控銑床工件坐標(biāo)系零點(diǎn)在 X、Y、Z 軸方向零點(diǎn)偏置值設(shè)定，同時(shí)介紹對(duì)刀工具的使用方法。該數(shù)控銑床對(duì)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(fā)光二極管作為警示裝置。當(dāng)設(shè)定銑床零點(diǎn)偏置時(shí)，使用夾頭上的卡爪把對(duì)刀儀固定在銑床刀具上，當(dāng)對(duì)刀儀的觸頭接觸工件時(shí)，機(jī)床、工件、刀具、對(duì)刀儀組成一個(gè)閉合回路，警示裝置發(fā)光，在數(shù)控銑床的零點(diǎn)偏置界面里輸入刀具在機(jī)械坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值，完成數(shù)控銑床零點(diǎn)偏置設(shè)定。使用該對(duì)刀儀能有效節(jié)約零點(diǎn)偏置設(shè)定時(shí)間，提高生產(chǎn)率，因?yàn)閷?duì)刀儀里面有彈性裝置，避免操作不當(dāng)撞刀的危險(xiǎn)，降低維修成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
基金項(xiàng)目：山東華宇工學(xué)院 2019 年校級(jí)科研平臺(tái)：數(shù)控刀具制造工藝技術(shù)研發(fā)中心；德州市企業(yè)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：數(shù)控銑床用對(duì)刀裝置研究與實(shí)踐（DZSKJ202008）
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