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英國雷尼紹對刀儀在數控車床上的應用

作者:考研  信息來源:無憂機械電子  2013-10-23

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在工件的加工過程中,工件裝卸、刀具調整等輔助時間,占加工周期中相當大的比例,其中刀具的調整既費時費力,又不易正確,最后還需要試切。統計資料表明,一個工件的加工,純機動時間大約只占總時間的55%,裝夾和對刀等輔助時間占45%。因此,對刀儀便顯示出極大的優越性。一、對刀儀種類1.插拔式手臂(High Precision Remo...

  在工件的加工過程中,工件裝卸、刀具調整等輔助時間,占加工周期中相當大的比例,其中刀具的調整既費時費力,又不易正確,最后還需要試切。統計資料表明,一個工件的加工,純機動時間大約只占總時間的55%,裝夾和對刀等輔助時間占45%。因此,對刀儀便顯示出極大的優越性。

  一、對刀儀種類

  1.插拔式手臂(High Precision Removable Arm, HPRA)

  HPRA的特點是對刀臂和基座可分離。使用時通過插拔機構把對刀臂安裝至對刀儀基座上(圖1),同時電器信號亦連通并進進可工作狀態;用完后可將對刀臂從基座中拔出,放到合適的地方以保護精密的對刀臂和測頭不受灰塵、碰撞的損壞,適合小型數控車床用。

  2.下拉式手臂(High Precision Pulldown Arm,HPPA)

  HPPA的特點是對刀臂和基座旋轉聯接,是一體化的。使用時將對刀臂從保護套中擺動拉出(圖2),不用時把對刀臂再收回保護套中,不必擔心其在加工中受到損壞。不必頻繁地插拔刀臂,避免了頻繁插拔引起的磕碰。

  3.全自動對刀臂(High Precision Motorised Arm,HPMA)

  HPMA的特點是,對刀臂和基座通過力矩電機實現刀臂的擺出和擺回與HPPA的區別是加了力矩電機(見圖2內括號中內容),進步了自動化程度。更重要的是可把刀臂的擺出、擺回通過M代碼編到加工程序中,在加工循環過程中,即可方便地實現刀具磨損值的自動丈量、補償和刀具破損的監測,再配合自動上下料機構,可實現無人化加工。

  二、對刀儀的作用

  1.在±X、±Z及Y軸五個方向上丈量和補償刀偏值

  在五個方向上進行刀偏值的丈量和補償,可以有效地消除人工對刀產生的誤差和效率低下的題目。不管是采用何種切削刀具(外圓、端面、螺紋、切槽、鑊孔還是車削中心上的銑、鉆削動力刀具),進行工件輪廓車削或銑削時,所有參與切削的刀尖點或刀具軸心線,都必須通過調整或補償,使其精確地位于工件坐標系的同一理論點或軸心線上。對動力型回轉刀具,除要丈量并補償刀具長度方向上的偏置值外,同時還要丈量和補償刀具直徑方向上的偏置值(刀具以軸心線分界的兩個半徑的偏置值)。否則機床無法加工出尺寸正確的工件(圖3)。

  在沒有安裝對刀儀的機床上,每把刀具的偏置值,是對每把刀具進行仔細的試切后,對工件尺寸進行丈量、計算、補償(手工對刀)才可得出,費時費力,稍不小心還會報廢工件。當更換刀具后,這項工作還要重新進行。因而,對刀是占用機床輔助時間最長的工作內容之一。

  使用了對刀儀的機床,因對刀后能夠自動設置好刀具對工件坐標系的偏置值,從而自動建立起工件坐標系。在這種情況下,加工程序中就無需再用“G50指令”來建立工件坐標系了。

  2.加工過程中刀具磨損或破損的自動監測、報警和補償

  在沒有安裝對刀儀的機床上完成磨損值的補償是很麻煩的,需要多次停下機床對工件的尺寸進行手工丈量,還要將得到的磨損值手動修改刀補參數。安裝對刀儀后,這個題目就簡單多了,特別是安裝HPPA型或HPMA型后更為方便。前者,只要根據刀具的磨損規律,干完一定數目的工件后停下機床,用對刀儀再進行一遍對刀的過程即可;后者,只要在程序中設定完成多少個加工循環后執行一次自動對刀,即可完成刀補工作。

  對于刀具破損報警或刀具磨損到一定程度后更換,是根據刀具答應的磨損量,設定一個“門檻值”,一旦對刀儀監測到的誤差超過門檻值,即以為刀具已破損或超過了答應的磨損值,則機床自動報警停機,然后強制進行刀具的更換。

  3.機床熱變形引起的刀偏值變動量的補償

  機床在工作循環過程中,產生的各種熱量,導致機床的變形特別是絲杠的熱伸長,使刀尖位置發生的變化,其結果是加工工件的尺寸精度會受到影響。在機床上安裝對刀儀,上述題目可迎刃而解。無非是把這種由熱變形產生的刀尖位置變化,視為刀具的磨損值,通過對刀儀來丈量這種刀具偏置值,即可解決。

  三、對刀儀的工作原理

  對刀儀的核心部件是由一個高精度的開關(測頭),一個高硬度、高耐磨的硬質合金四面體(對刀探針)和一個信號傳輸接口器組成(其他件略)。四面體探針是用于與刀具進行接觸,并通過安裝在其下的撓性支撐桿,把力傳至高精度開關;開關所發出的通、斷信號,通過信號傳輸接口器,傳輸到數控系統中進行刀具方向識別、運算、補償、存取等。

  數控機床的工作原理決定,當機床返回各自運動軸的機械參考點后,建立起來的是機床坐標系。該參考點一旦建立,相對機床零點而言,在機床坐標系各軸上的各個運動方向就有了數值上的實際意義。

  對于安裝了對刀儀的機床,對刀儀傳感器距機床坐標系零點的各方向實際坐標值是一個固定值,需要通過參數設定的方法來精確確定,才能滿足使用(圖4),否則數控系統將無法在機床坐標系和對刀儀固定坐標之間進行相互位置的數據換算。

  當機床建立了“機床坐標系”和“對刀儀固定坐標”后(不同規格的對刀儀應設置不同的固定坐標值),對刀儀的工作原理如下:

  1.機床各直線運動軸返回各自的機械參考點之后,機床坐標系和對刀儀固定坐標之間的相對位置關系就建立起了具體的數值。

  2.不論是使用自動編程控制,還是手動控制方式操縱對刀儀,當移動刀具沿所選定的某個軸,使刀尖(或動力回轉刀具的外徑)靠向且觸動對刀儀上四面探針的對應平面,并通過撓性支撐桿擺動觸發了高精度開關傳感器后,開關會立即通知系統鎖定該進給軸的運動。由于數控系統是把這一信號作為高級信號來處理,所以動作的控制會極為迅速、正確。

  3.由于數控機床直線進給軸上均裝有進行位置環反饋的脈沖編碼器,數控系統中也有記憶該進給軸實際位置的計數器。此時,系統只要讀出該軸停止的正確位置,通過機床、對刀儀兩者之間相對關系的自動換算,即可確定該軸刀具的刀尖(或直徑)的初始刀具偏置值了。換一個角度說,如把它放到機床坐標系中來衡量,即相當于確定了機床參考點距機床坐標系零點的間隔,與該刀具丈量點距機床坐標系零點的間隔及兩者之間的實際偏差值。

  4.不論是工件切削后產生的刀具磨損、還是絲杠熱伸長后出現的刀尖變動量,只要再進行一次對刀操縱,數控系統就會自動把測得的新的刀具偏置值與其初始刀具偏置值進行比較計算,并將需要進行補償的誤差值自動補進刀補存儲區中。當然,假如換了新的刀具,再對其重新進行對刀,所獲得的偏置值就應該是該刀具新的初始刀具偏置值了。

  四、對刀儀的對刀精度

  根占有關資料及實踐證實,對刀儀測頭重復精度1μm;15英寸以下卡盤,手臂旋轉重復精度5μm。 18英寸及其以上卡盤的大規格,對刀臂的重復精度能達到8μm。這一精度可以滿足大部分用戶的需要而不需試切。

  對刀儀的使用,減少了機床的輔助時間,降低了返工和廢品率,若配合雷尼紹LP2工件測頭一起使用,可明顯進步機床效率和加工精度。

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