自動對刀儀的工作原理是利用數(shù)控車床自帶的監(jiān)控和檢測設(shè)備以及自身的位置測量系統(tǒng)。總的來說，雖然是附屬于數(shù)控車床，是為了提高數(shù)控車床的加工精度和效率而設(shè)計的，但作為一個獨立的儀器，數(shù)控車床自動對刀儀的研究和設(shè)計方案應(yīng)該包括對刀原理、精密機(jī)械部分、電氣控制部分、自動對刀儀的操作方法、誤差和精度分析等方面的研究和實現(xiàn)。機(jī)械部分是自動對刀儀的主要部分，主要包括傳感器的設(shè)計和連接臂的設(shè)計。傳感器的設(shè)計尤為關(guān)鍵，要求適應(yīng)不同的刀具如內(nèi)孔車刀、端面車刀、螺紋車刀、外圓車刀等不同刀具偏轉(zhuǎn)角的刀具。另外，傳感器的表面要有硬度要求，不能因為頻繁撞擊表面而產(chǎn)生小凹坑，影響對刀儀的精度。當(dāng)然我們也可以磨傳感器的探頭。傳感器應(yīng)保證應(yīng)有的精度要求；該傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，重量輕，安裝方便，適用于對刀和操作。電氣控制部分主要包括接口電路的設(shè)計。刀具接觸傳感器后，對刀儀應(yīng)有聲光信號顯示，以便操作者及時操作。傳感器的觸發(fā)信號應(yīng)準(zhǔn)確反映到數(shù)控系統(tǒng)中。需要研究獲取刀具補(bǔ)償值的算法，根據(jù)算法對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化編程，獲取刀尖信息，分析計算刀具補(bǔ)償值。

操作方法需要具體的操作步驟。根據(jù)對刀儀的工作原理和實際特點以及對刀操作規(guī)程，用戶可以方便地對數(shù)控車床進(jìn)行對刀。應(yīng)給出切刀過程中的注意事項，以免誤操作，影響加工生產(chǎn)。自動對刀儀的開發(fā)設(shè)計完成后，需要對其各個方向的誤差和精度進(jìn)行分析，分析所有可能的誤差來源并進(jìn)行精度分析，以驗證其可行性。

一、刀具位置偏差原因分析

因為對刀儀是基于車床本身的系統(tǒng)測量，而數(shù)控車床的加工是通過程序控制來完成的，所以坐標(biāo)系的確定和使用非常重要。數(shù)控車床平行于主軸方向，即縱向為Z軸，垂直于主軸方向，即橫向為X軸，遠(yuǎn)離工件的刀具方向為正方向。

1.數(shù)控車床坐標(biāo)系和數(shù)控車床參考點

數(shù)控車床坐標(biāo)系是指以機(jī)床原點為坐標(biāo)原點建立的坐標(biāo)系。數(shù)控車床的機(jī)床原點通常取在卡盤正面與主軸中心線的交點上。數(shù)控車床的原點在出廠前已由廠家調(diào)整好，用戶不得隨意更改。數(shù)控車床參考點是指刀架上的一個固定點，即固定點R點，該點遠(yuǎn)離機(jī)床原點O※。這個R點也是機(jī)床出廠時廠家調(diào)試好的，數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)。所以機(jī)床參考點R到機(jī)床原點O的坐標(biāo)是一個已知數(shù)，是一個固定值。一般在對刀前，數(shù)控車床必須進(jìn)行“回零”操作(即使刀架回到參考點)，即刀架上的對刀參考點與機(jī)床的參考點R重合。此時，顯示在CRT屏幕上的值x和z是機(jī)床參考點r在x和z方向上相對于機(jī)床原點o的值。

2.工件坐標(biāo)系和切削點

工件坐標(biāo)系(又稱編程坐標(biāo)系)是指以工件原點(或編程原點)為坐標(biāo)原點建立的坐標(biāo)系。編程坐標(biāo)系是用來編程的，是人為設(shè)定的。工件原點可以是工件上的任意一點，但為了編程和便于數(shù)值計算，一般在數(shù)控車床編程中選擇右端面或左端面與工件中心線的交點作為工件原點，在數(shù)控編程中要先確定工件坐標(biāo)系。起點(也叫程序起點)是刀具點相對于工件原點OP的位置，即刀具相對于工件運動的起點。工件坐標(biāo)系的建立，其實就是確定刀具起點相對于工件原點的坐標(biāo)值的過程。目前在數(shù)控車床上建立工件坐標(biāo)系的方法一般是通過相應(yīng)的G指令來設(shè)定。工件坐標(biāo)系建立后，與機(jī)床坐標(biāo)系沒有任何聯(lián)系。此時，兩個系統(tǒng)仍然是相互獨立的。數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具位置在機(jī)床中的位置，即不能按照編制的程序正確加工。因此，在加工前，必須確定刀具位置與機(jī)床坐標(biāo)原點O的關(guān)系，即通過一般加工前的對刀方法來實現(xiàn)。

本對刀儀的設(shè)計采用了NUM數(shù)控系統(tǒng)。現(xiàn)在對NUM數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)變換簡單介紹如下:CNC上電時，沒有可以用來計算軸的運動的測量起點。在執(zhí)行任何編程的移動之前，系統(tǒng)必須初始化(每個軸返回到其原始位置)。返回原始位置的過程將為CNC系統(tǒng)提供編程運動的坐標(biāo)系。如果返回到原始位置的過程沒有完成，只能執(zhí)行點動操作。系統(tǒng)通過返回到原始位置(原始位置開關(guān)被置于特定的物理位置)的過程來建立測量起點OM。各軸返回原位的過程是這樣完成的:在車床或CNC系統(tǒng)制造廠定義的移動方向(測量起點設(shè)定方向)上啟動啟動限位開關(guān)，CNC系統(tǒng)的處理器可以計算出相對于機(jī)床起點或零點的所有位移。回原位(測量起點設(shè)備)過程完成后，系統(tǒng)將廠家定義的各軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值應(yīng)用于各軸，建立測量起點。為了編寫零件程序，程序員必須定義一個程序起點，該起點通常是零件圖上尺寸測量的起點。

3.刀具位置補(bǔ)償

對于刀具位置補(bǔ)償，刀具位置的偏移補(bǔ)償必須在以下三種情況下進(jìn)行:

(1)在實際加工中，通常是若干把不同位置的刀(即每把刀的刀尖相對于刀架上的一個固定點處于不同的位置)來加工外形尺寸相同的工件。但在編程時，往往會建立一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系，需要將所有刀尖都移動到坐標(biāo)系中的一個參考點，或者以一把刀為基準(zhǔn)設(shè)定工件坐標(biāo)系。因此，其他刀具的刀尖必須移動到該參考點位置。可以通過刀具位置補(bǔ)償來完成。

(2)對于同一個刀具，重新研磨刀具或更換新刀具后，很難準(zhǔn)確安裝到程序設(shè)定的原始位置，總是存在位置誤差，實際加工后就變成了加工誤差。此時，需要通過刀具位置補(bǔ)償功能來修正刀具的安裝位置誤差。

(3)每種刀具在使用過程中都有不同程度的磨損，磨損后的刀尖位置與編程位置的差異也會造成加工誤差，這也可以通過刀具位置補(bǔ)償功能進(jìn)行修正。

二、刀補(bǔ)值的確定

1.試切法

從上面的分析可以看出，雖然我們可以通過返回參考點來確定對刀參考點的坐標(biāo)，或者通過測量來確定工件和機(jī)床的坐標(biāo)，但是工件坐標(biāo)系在建立之后和機(jī)床坐標(biāo)系是沒有關(guān)系的，兩者仍然是相互獨立的。數(shù)控系統(tǒng)既不知道工件在機(jī)床中的位置，也不知道刀具刀尖在機(jī)床中的位置，也不能確定它們的相互位置。因此，有必要使用試切法對刀。試切法要操作手動機(jī)床回到參考點，將工件毛坯1夾在卡盤上，測量D(工件直徑)和L(工件伸出三爪卡盤的距離)。啟動機(jī)床，手動對刀(以90°外圓車刀為例)。第一步:刀尖輕輕接觸棒料端面對刀，然后Z方向移動，X方向退出刀具，記錄CRT動態(tài)坐標(biāo)值Z；第二步:刀尖輕輕接觸棒料的外圓，對刀，然后X方向移動，Z方向退出刀具，記錄CRT動態(tài)坐標(biāo)值X；第三步:計算刀具補(bǔ)償值(Ll，L2)。L1 L2·L2的值可以代入公式計算。

最后，刀具補(bǔ)償值(Ll，L2)被輸入CNC系統(tǒng)。刀具補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)后，會自動修正刀具軌跡。試切法也可用于多刀具加工。其他刀具的對刀過程相同。每個刀具的刀具補(bǔ)償值被輸入到相應(yīng)的刀具補(bǔ)償寄存器中，用于CNC系統(tǒng)的補(bǔ)償。也可以以第一刀的刀位為基點，以其他刀相對于第一刀的刀位偏差值為補(bǔ)償值。上述對刀方法實質(zhì)上是使每把刀具的刀尖與工件外圓母線和端面的交點接觸，并以此交點為基準(zhǔn)計算每把刀具的刀具偏差。使用試切法對刀時，準(zhǔn)確的對刀方法是:手動對刀時，將工件試樣端面和外圓轉(zhuǎn)動一次，仔細(xì)測量試樣伸出卡盤的長度L和試切外圓的直徑D。降低進(jìn)給速度，使每個刀具與工件的接觸程度盡可能均勻，可以有效提高切削和設(shè)定的精度。使用試切法對刀的優(yōu)點是不需要專用的對刀工具，操作者只需按照常規(guī)操作即可，簡單、快捷、正確、有效。

2.其他刀具的對刀方法

對于配備多把刀具的數(shù)控車床，每把刀具之間也存在位置偏差。如果用試切法逐個確定刀具補(bǔ)償值，精度必然下降，效率較低，費時費力。自動對刀儀對刀時，通過試切法設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)刀具。其他刀具相對于標(biāo)準(zhǔn)刀具的刀具補(bǔ)償值由對刀儀的傳感器獲得，并由數(shù)控系統(tǒng)計算，從而確定每一刀具相對于工件的刀具補(bǔ)償值。自動對刀儀的刀具補(bǔ)償值的設(shè)定與手動對刀方式的區(qū)別在于，它可以自動捕捉信息，計算得到刀具補(bǔ)償值，并存儲起來。簡單來說，自動對刀儀的對刀原理就是確定不同刀具在對刀裝置中的位置，由數(shù)控系統(tǒng)計算出位置補(bǔ)償值(刀具補(bǔ)償值)，并存儲刀具補(bǔ)償值的過程。

三、結(jié)束語

沒有自動對刀裝置的數(shù)控車床在加工零件時，一般采用實際切削的方法對切削的零件進(jìn)行對刀。加工刀尖零件時，輸入所用刀具的幾何尺寸(刀具長度補(bǔ)償)，然后測量加工零件的實際尺寸，以修改刀具的幾何補(bǔ)償值和加工零件的程序。這會造成機(jī)器試刀的大量工時，增加試件廢品，降低效率，不利于自動化加工。具有對刀裝置的數(shù)控車床的操作者可以根據(jù)工藝要求準(zhǔn)備刀具。加工零件時，當(dāng)對刀裝置接收到信號時，機(jī)床立即停止運動，信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)自動將測量值送入幾何補(bǔ)償。此時，操作者可以根據(jù)測量值修改相關(guān)的零件加工程序。分析了數(shù)控車床自動對刀的相關(guān)技術(shù)問題，進(jìn)行了刀具位置偏差的概念介紹和原因分析，并介紹了刀具補(bǔ)償值的確定方法。筆者希望它們能在提高數(shù)控車床加工精度的效率方面發(fā)揮更大的作用。