数控机床常用对刀方法及误差分析

【摘要】数控加工中经常涉及到对刀问题，对其处理的好坏直接影响到数控加工零件的精度，还会影响数控机床的操作。本文对数控机床对刀的基本原理、常用的对刀方法以及在对刀过程中容易出现的误差问题进行了探讨。

【关键词】数控机床；对刀仪；对刀点

1.引言

数控加工中经常涉及到对刀问题，对其处理的好坏直接影响到数控加工零件的精度，还会影响数控机床的操作（如撞刀）。所谓对刀，就是在工件坐标系中使刀具的刀尖位于起刀点（对刀点）上，使其在数控程序的控制下，由此刀具所切削出的加工表面相对于定位基准有正确的尺寸关系，从而保证零件的加工精度要求。对刀的过程牵涉到一系列的步骤，如对刀方法的选择、 NC指令的选用和对刀参数的设置等等。在实际操作中往往会出现一些具体的问题，为此，本文对数控机床对刀的基本原理、常用的对刀方法以及在对刀过程中出现的问题进行了探讨。

2.对刀基本原理

数控加工是通过 NC程序精确地、自动地控制刀具 ，使之相对于工件的运动按照人们预先设计的轨迹或位置进行。NC程序是在工件坐标系中编写的，编程人员以工件坐标系为基准编写，而刀具加工工件是在数控机床上进行的，如何确定工件坐标系与机床坐标系之间的位置关系，需要通过对刀来完成，具体就是确定刀具的刀尖在工件坐标系中的起始位置，通常把这个位置称为对刀点。对刀点是刀具相对于工件运动的起点，由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称为“起刀点” 或“程序起点”，往往也作为程序的终点。对刀点既可以设在工件上（如工件上的设计基准或定位基准），也可以设在夹具或机床上，若设在夹具或机床上的某一点，则该点必须与工件的定位基准保持一定精度的尺寸关系。

对刀点的选择原则是：第一应方便数学处理和简化程序编制；第二在机床上容易找正，在加工中便于检查；第三引起的加工误差要小。根据前两条，对于相对（增量）坐标系统的数控机床，对刀点可选择在零件的中心孔上或两垂直平面的交线上；对于绝对坐标系统的数控机床，对刀点可选择在机床坐标系的原点上，或距机床坐标系原点为某一确定的点上。根据第三条，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。要确定对刀点在工件坐标系中的起始位置，则需要首先确定刀位点。对于不同的刀具，刀位点选择是不同的。对立铣刀和端面铣刀而言，刀位点为其底面中心；对于球头铣刀，则为球头的球心；对于车刀、镗刀和钻头等刀具来说，则为其刀尖或钻尖。对刀时应使对刀点和刀位点重合。

3.数控机床中常用的对刀方法

在数控加工中，对刀的基本方法有试切法、对刀仪对刀、自动对刀等。

3.1 试切法

根据数控机床所用的位置检测装置不同，试切法分为相对式和绝对式两种。在相对式试切法对刀中，可采用三种方法：一是用量具（如钢板尺等）直接测量，对准对刀尺寸，这种对刀方法简便但不精确；二是通过刀位点与定位块的工作面对齐后，移开刀具至对刀尺寸，这种方法的对刀准确度取决于刀位点与定位块工作面对齐的精度；三是将工件加工面先光一刀，测出工件尺寸，间接算出对刀尺寸，这种方法最为精确。在绝对式试切法对刀中，需采用基准刀，然后以直接或间接的方法测出其他刀具的刀位点与基准刀之间的偏差，作为其他刀具的设定刀补值。以上试切法，采用“试切—测量—调整（补偿）”的对刀模式，故占用机床时间较多，效率较低，但由于方法简单，所需辅助设备少，因此广泛被用于经济型低档数控机床中。

3.2 对刀仪对刀

对刀仪（如图1）对刀分为机内对刀仪对刀和机外对刀仪对刀两种。机内对刀仪对刀是将刀具直接安装在机床某一固定位置上（对车床，刀具直接安装在刀架上或通过刀夹再安装在刀架上），此方法比较多地用于车削类数控机床中。而机外对刀仪对刀必须通过刀夹再安装在刀架上（车床），连同刀夹一起，预先在机床外面校正好，然后把刀装上机床就可以使用了，此方法目前主要用于镗铣类数控机床中，如加工中心等。采用对刀仪对刀需添置对刀仪辅助设备，成本较高，装卸刀具费力，但可节省机床的对刀时间，提高了对刀精度，一般用于精度要求较高的数控机床中。

图1 对刀仪

3.3 自动对刀

自动对刀是利用 CNC装置的刀具检测功能，自动精确地测出刀具各个坐标方向的长度，自动修正刀具补偿值，并且不用停顿就直接加工工件。与前面的对刀方法相比，这种方法完全跳出了手工操作对刀动作的范畴，减少了对刀误差，提高了对刀精度和对刀效率，但需由刀检传感器和刀位点检测系统组成的自动对刀系统，而且 CNC系统必须具备刀具自动检测的辅助功能，系统较复杂，投入资金大，一般用于高档数控机床中。

4.对刀误差及处理

数控机床的操作中产生对刀误差的原因主要有：

（1）使用试切法对刀时，对刀误差主要来源于试切工件之后的测量误差和操作过程中目测产生的误差。

（2）当使用对刀仪、对刀镜对刀和自动对刀时，误差主要未源于仪器的制造、安装和测量误差，另外使用仪器的技巧欠佳也会造成误差。

（3）测量刀具时是在静态下进行的，而加工过程是动态的，同时要受到切削力和振动外力的影响，使得加工出来的尺寸和预调尺寸不一致。此项误差的大小决定于刀具的质量和动态刚度。

（4）在对刀过程中，大多时候要执行机床回参考点的操作，在此过程中可能会发生零点漂移而导致回零误差，从而产生对刀误差。

针对不同原因产生的误差，处理的措施主要有以下几种：

（1）试切法对刀时，操作要细心。对刀后还要根据刀具所加工零件的实际尺寸和编程尺寸之间的误差来修正刀具补偿值，还要考虑机床重复定位精度对对刀精度的影响以及刀位点的安装高度对对刀精度的影响。

（2）使用仪器对刀时，要注意仪器的制造、安装和测量精度。更重要的是要掌握使用仪器的正确方法，只有正确的使用和操作，才能将误差降到最低。

（3）选择刀具时要注意刀具的质量和动态刚度。

（4）定期检查数控机床零点漂移情况，注意及时调整机床。

5.结束语

由于数控机床所用的刀具各种各样，刀具尺寸也极不统一，故对刀时应根据实际加工情况，选择好对刀方法，确定程序指令，置好对刀参数和刀具补偿值。对刀的目的就是通过数控系统内的刀具轨迹自动偏移补偿计算功能。来简化数控加工程序的编制，使得编程时不必考虑各把刀具的尺寸与其安装位置，最终加工出合格的零件。

参考文献

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