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數控銑床對刀（dāo）儀的設計和（hé）應用

2023-3-15 來源：山東（dōng）華宇工學院作者：張（zhāng）慶貞

摘要：設（shè）計一款適合設（shè）置數控銑床（chuáng）和加工中心零點偏置值的對刀儀（yí），能夠完成 X、Y、Z 共 3 個坐標軸（zhóu）方向零點偏置值（zhí）的設定（dìng），利用閉合回路原理，對刀儀具有（yǒu）警（jǐng）示裝置，當對刀儀與工件接觸時（shí），警示裝置會發光進（jìn）行提示。

關鍵詞：數控銑床；對刀（dāo）儀；刀具偏置

0 引（yǐn）言（yán）

CNC 銑床加工工（gōng）件前，首先需要設定工件坐標係零點偏置值，就是設定工件坐標係零點在機械坐標係裏（lǐ）的 X、Y、Z 坐標值[1]。雖然確定工件坐標係零點（diǎn）偏置值（zhí）的方法多（duō）種多樣，但可歸納為兩（liǎng）類：

（1）用刀（dāo）具和墊（diàn）塊設定（dìng）零點偏置值。

（2）用專業對刀工（gōng）具確定零點偏置值[2]。

用（yòng）刀具和墊塊確定零點偏置值時，要（yào）使刀具逐漸接近工件，在（zài）刀具和工件之間距（jù）離接近墊塊厚度時（shí），中（zhōng）間放置（zhì）墊塊，反複拉動墊塊，憑著操作者的感覺判定刀具、墊塊、工件完全接觸時（shí），設定工件坐（zuò）標係零點偏置值。這（zhè）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（bú）當時就會引起撞刀的風險，從而增加維修成本。用（yòng）專業對刀工（gōng）具確定零點（diǎn）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（yī），隻能完成 X、Y 坐標值零點偏置值設定和 Z 坐標值的零點偏置設定（dìng）之中的一項，如要（yào）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（huā）費時間較多；另外專業（yè）對刀工具價格比較昂貴，對機床性能要求（qiú）較高，一般的數控銑床難以達到要求（qiú），需要對機床（chuáng）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（néng）夠同時完成 X、Y、Z 坐標值的零（líng）點偏置值，結構簡單（dān），成本低廉，操作方便，精度較高，能夠滿足數控銑床和（hé）加工中心設定工件坐標係零點偏置值的問題。

1、數控銑床對刀儀結構設計

1.1 總體結構（gòu）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（kǎ）爪、筒形外殼和夾頭芯，卡爪的中心位置設置有夾（jiá）持空間，夾（jiá）持空間用於夾（jiá）持刀具（jù）；指示器主（zhǔ）要由連（lián）接軸、絕緣（yuán）套、電池、發光（guāng）二極管、彈簧、指示管（guǎn）、連接杆、觸頭等組成。指示管內部有電源和發光（guāng）裝置，指（zhǐ）示管側壁上設置（zhì）有透光孔，通過此孔可觀測到發（fā）光裝（zhuāng）置是否發光；連接軸與電源連接，電源與發光件連（lián）接；發光件與觸頭（tóu）連接，且觸頭與夾持空間同軸設置[3]。

設（shè）定工件坐標係（xì）零點偏置值時，把夾頭體的卡爪夾持（chí）安裝在機床上的刀具上，且指（zhǐ）示器的觸頭與工件接（jiē）觸時，組（zǔ）成閉合回路，指示（shì）器的發光件能夠發光，達到對（duì）刀的目的。精操作簡便，安（ān）全可靠。

1.2 指示器結構設計

指（zhǐ）示器主要包括（kuò）連接（jiē）軸、絕緣套、電池、發光二極管、彈簧（huáng）1、指示管，連接杆、彈簧 2、觸（chù）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杆底部的弧形孔內（nèi），徑向受力（lì）時能夠左（zuǒ）右擺動，撤去（qù）外力時，能夠恢複（fù）原（yuán）狀，當觸頭側麵接觸工件（jiàn）時，能夠緩衝工件對數（shù）控銑床對刀儀作（zuò）用力，避（bì）免引（yǐn）起對刀儀（yí）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（de）金屬導體，避免觸頭經常接觸工件導致（zhì）磨損，使觸頭的尺寸（cùn）變化，又能作為（wéi）導體進行導電。

連接杆的整體外形為 T 形台階軸狀，中（zhōng）間有台階孔，大孔安放彈簧、小孔連接導線；T 形直徑較大的圓（yuán）柱麵位於指（zhǐ）示管內部圓柱孔內（nèi），采用 IT5～IT7 級的 H/g 較小的間隙配合方式，較大的圓柱上麵安裝有壓縮彈簧，使連接杆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，外力消除時恢複原狀。當對刀儀下端的觸頭接（jiē）觸工件（jiàn）的上表麵時，使連接杆（gǎn）能夠往上移動，緩衝（chōng）工（gōng）件對對刀儀的作用力，防止對刀儀（yí）變形或損壞（huài）（圖 1）。

圖 1 對刀儀和指示器

彈簧的上（shàng）端為透明絕緣管，透明絕緣管裏安（ān）裝發光二極管和 CR1025 電池，發光二極管（guǎn）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（bì）合回路時，發光二（èr）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（gù）定在絕（jué）緣圈的中間（jiān）孔內，用普通三（sān）角細牙螺（luó）紋（wén）連接，連接軸上端通過（guò）螺紋旋入進夾頭一端的螺紋孔內，進行（háng）位置固（gù）定（dìng）[4]。

1.3 夾頭結構設計

夾頭（tóu）體由夾（jiá）頭芯、錐形螺紋圈、卡爪、筒形外殼組成[5]。鑽夾芯上有卡爪容納孔、錐形螺紋圈容納槽。卡爪螺（luó）紋端安裝在鑽夾（jiá）芯上的卡爪（zhǎo）容納孔裏，與鑽夾芯（xīn）上的容納槽裏的錐形螺紋圈通（tōng）過螺（luó）紋連接，3 根卡爪的不（bú）帶（dài）螺紋端組成夾持空間，用（yòng）來夾持刀具，錐（zhuī）形（xíng）螺紋圈由兩個半（bàn）圓圈組成一個整（zhěng）圓圈，嵌（qiàn）入錐形螺紋圈容納（nà）槽裏。鑽夾芯外麵鑲嵌著筒形外殼，筒形外殼與錐形螺紋圈之間采用較小的過盈 H7/p6 配（pèi）合，能（néng）夠傳遞力矩。旋轉筒形外殼時，帶動錐形螺紋圈轉動（dòng），錐形螺紋圈帶（dài）動卡爪伸縮，使（shǐ）卡爪之間的容納孔大小發生（shēng）變動，便於安裝不同直徑大小刀具和鎖緊刀具。筒形外殼與鑽夾（jiá）芯之間除去與錐形（xíng）螺紋圈連接部分外，筒形外殼與鑽夾芯之間能夠相對轉動，沒有特殊的（de）配合要求，采用較大間隙的 H9/d9 公差配合，夾頭結（jié）構如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 夾（jiá）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（fāng）法（圖 3）：旋轉數控銑床對刀儀的筒形外（wài）殼，使 3個卡爪之間的容納孔增（zēng）大，把（bǎ）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（bù）接觸，然後在反方（fāng）向旋轉數控銑床對刀（dāo）儀的筒形外殼，卡爪伸出，容納孔變小，使（shǐ）對刀儀和刀具（jù）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（tóu）逐漸接近工件（jiàn）零點上表麵，當對刀儀的警示（shì）亮起時，在數控銑（xǐ）床操作麵板上按“OFFSET”按鈕，找到零點偏置設定界麵，在緩衝區輸入數控銑對刀儀的（de）固（gù）有長度值，按“測量”按鈕或讀出此時機床顯（xiǎn）示的機械坐標值，與對刀儀的固有長度值相（xiàng）加，把所得數值輸（shū）入到零點偏置設定（dìng）界麵，就完成 Z 軸零點的偏置設定。

設定（dìng） X 軸方向零點偏置時，操作數（shù）控機床，使對刀儀的觸頭（tóu）逐漸接近工件的 X 軸方向（xiàng）的側表麵，當（dāng）對刀儀的警示亮（liàng）起時，在零點偏置設定界麵的緩衝區（qū）輸入對刀儀在工件坐標係裏的坐標（biāo）值，按“測量”按鈕（niǔ），完成 X 軸方向零點的（de）偏置（zhì）設定。Y 軸方向的零（líng）點偏置設定方法與 X 軸方向零點偏置設定方法相同（tóng）[6]。

3 、數控銑床對刀儀工作原（yuán）理

當觸頭與工件接觸時，電（diàn）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（de）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（chuáng）上，機床上固定著工件，工件接觸觸頭，觸頭連（lián）接著連接杆，連接（jiē）杆通過導線連接著發光二極管的正極，發光二極管負極通過（guò）導線連接著（zhe）電池（chí）負極，形（xíng）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（jí）管（guǎn）滅掉（diào）。控製電路原理如圖 4 所示。

圖 4 電路原理

4、結束語

為（wéi）了解決（jué）數控銑床零點（diǎn）偏置設定問題，設計一款數控（kòng）銑（xǐ）床對刀儀，能夠完成數控銑床工件坐標係零點（diǎn）在 X、Y、Z 軸方向零點偏置值設（shè）定，同時介紹對刀工具的使用方法。該數（shù）控銑床對刀儀主要（yào）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（guāng）二極管作為警示裝置。當設定銑床零點偏置時，使用夾（jiá）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（jiàn）時，機床（chuáng）、工件、刀（dāo）具、對刀（dāo）儀組成一個閉合回路，警示裝置發（fā）光，在數控銑床的零點偏置界麵裏輸入刀具在機械坐標係裏的坐標值，完成數（shù）控銑床零點偏置設定。使用（yòng）該對刀儀能有效節約零點（diǎn）偏置設定時間，提高生產率，因為對刀儀裏麵有彈性裝置，避（bì）免操作不當撞刀的危險，降低維修成本，結構簡單，操作方（fāng）便。

基金項目：山東華宇工學院（yuàn） 2019 年校級科研平台：數（shù）控刀具製造工藝技（jì）術研（yán）發中心；德州（zhōu）市企業研發（fā）計劃項目：數控銑床用對刀裝（zhuāng）置研究與（yǔ）實踐（DZSKJ202008）

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