大家對數控機床中的“對刀”方法與操作早已“熟知”，然而，對其蘊含的“基本原理”卻很少有人“深究”，本人結合自己多年數控機床操作與維修的經(jīng)驗，就關(guān)于數控機床“對刀”的一些基本原理和應用，和讀者作一些探討交流。

1. 相關(guān)概念

　　在我們進(jìn)行闡述原理之前先介紹幾個(gè)基本概念術(shù)語(yǔ)，這些都和“對刀”相關(guān)，了解了這些概念之后，有助于我們對“對刀”原理更深層次的理解。

　　(1) 機床參考點(diǎn)：機床中的一固定點(diǎn)，是用來(lái)建立機床坐標系的基準，由機床生產(chǎn)廠(chǎng)家確定，對于采用非記憶型編碼器的機床開(kāi)機后通常要執行“回參考點(diǎn)”工作。

　　(2) 機床坐標系：由機床生產(chǎn)廠(chǎng)家確定，對于“有擋塊”的非“絕對編碼器”的機床而言，通常是通過(guò)回“參考點(diǎn)”之后進(jìn)行確立，是機床確立自身部件的依據，在加工的過(guò)程中，其他坐標系都要通過(guò)數控系統內部邏輯“換算關(guān)系”轉換成“機床坐標系”，即機床坐標系是數控系統唯一能夠“識別”的坐標系。

　　(3) 機床原點(diǎn)：即機床坐標系的零點(diǎn)，機床坐標系建立之后“零點(diǎn)” ( 即“機床原點(diǎn)”) 隨之確立，它可以和機床參考點(diǎn)重合一致( 即機床原點(diǎn)與機床參考點(diǎn)是同一點(diǎn)) ，也可以不一致，一般是可以通過(guò)數控機床“系統參數”進(jìn)行設置確定。

　　(4) 工件坐標系： 是由編程人員確定，是編程坐標系，主要是考慮編程、加工及裝夾等方便而進(jìn)行設置，是編制程序時(shí)的基準。

　　(5) 對刀點(diǎn):：進(jìn)行“對刀”操作時(shí)的參考基準點(diǎn)，通常是以刀具的加工切削點(diǎn)( 一般是以刀具的刀尖) 為基準，通過(guò)對“對刀點(diǎn)”的操作與識別，使數控系統建立起機床坐標系與工件坐標系之間的聯(lián)系。

2. “對刀”概念及作用

　　編程人員采用的是“工件坐標系”，而數控機床所能夠識別的是“機床坐標系”，如何讓數控系統能夠“明知”用戶(hù)建立的工件坐標系在“何處”，這就需要進(jìn)行“對刀”操作，即“確立工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的位置”，進(jìn)行“對刀”操作完畢之后，對刀點(diǎn)的移動(dòng)軌跡應是編程人員指定工件坐標系中規定的移動(dòng)路線(xiàn)軌跡。因此，“對刀”操作實(shí)際上是建立起了機床坐標系與工件坐標系之間的聯(lián)系，從而使它們之間可以相互轉換。即

3. 對刀原理

　　由以上論述得知，“對刀”的最終任務(wù)是: 確立工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的位置，即確立二者之間的關(guān)系。

　　設定工件坐標系與機床坐標系的關(guān)系為如圖1所示，工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的坐標( X'，Z') 值為( Δa，Δb) ，則工件坐標系中的任一點(diǎn)A ( X，Z) 轉換成機床坐標系中的值為。

　　因此，如果能夠確定了工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的偏移值( Δa，Δb) ，則程序中工件坐標系的值便可順利得轉換成機床坐標系的值，能夠被數控系統所識別。所以，數控系統也正是事先通過(guò)“對刀”操作，獲取并記錄“工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的偏移值( Δa，Δb) ”，然后再根據式( 1) 計算出機床坐標系的值，這正是“對刀原理”。

　　下面以華中世紀星數控車(chē)床為例，通過(guò)不同的“對刀方法”，分析數控系統是如何獲取偏移值( Δa，Δb) 進(jìn)行“對刀”的。

　　(1) 試切對刀。設工件坐標系的建立如圖2 所示，X 軸在工件的右端面，Z 軸在主軸的中心線(xiàn)上，則“對刀”步驟為:

　?、賈 向對刀: 手動(dòng)模式→試切工件端面→Z 方向不動(dòng)，沿X 方向退出→MDI F4→刀偏表F2，出現圖3 操作界面，按開(kāi)始鍵將光標移至“試切長(cháng)度”→輸入Z 方向工件坐標系的值( 因為此時(shí)工件坐標系的原點(diǎn)建立在工件的右端面，Z 向坐標值為0，即輸入0 即可; 如果不是在右端面，輸入相應的坐標值即可。) →按回車(chē)→系統自動(dòng)計算出“Z 偏置”值( 工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的Z 向坐標值) ，該刀Z 方向對刀完畢。

　?、赬 向對刀: 試切外圓→X 方向不動(dòng)，沿Z 方向退出→測量出工件直徑a ( 即X 向的工件坐標系的值，系統會(huì )自動(dòng)計算出半徑值) →MDI F4→刀偏表F2，出現圖3 操作界面，按開(kāi)始鍵將光標移至“試切直徑”→輸入測量的直徑a→回車(chē)→系統自動(dòng)計算出“X 偏置”值( 工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的X 向坐標值) ，該刀X 方向對刀完畢。

　　“試切對刀”的操作過(guò)程原理是: 機床回參考點(diǎn)后，系統能夠自動(dòng)確立當前“對刀點(diǎn)”A ( X，Z)的機床坐標值→操作人員測量工件坐標系的值( X，Z) 輸入數控系統→數控系統根據二者的關(guān)系計算出偏移值( Δa，Δb) →確定工件坐標系的零點(diǎn)在機床坐標系中的位置→建立起二者之間的聯(lián)系

數控機床“對刀”原理解析及應用

　　在程序加工過(guò)程中系統根據式(1) 將工件坐標系的值換算成機床坐標系的值。其中X'、Z' 為對刀點(diǎn)的機床坐標值，X測、Z測值為對刀過(guò)程中的測量( 工件坐標系) 值，在測量過(guò)程中X測為直徑值的一半( 在直徑編程方式下輸入直徑值，系統會(huì )自動(dòng)進(jìn)行取半) ，Z測為試切長(cháng)度。

　　(2) G92 指令建立。另外一種“對刀”方法是用指令G92，在程序中直接指定進(jìn)行建立，格式為G92 X----，Z----，即建立起的坐標系使當前“對刀點(diǎn)”的坐標值為指令中指定的值，如圖4 所示: 當刀具“對刀點(diǎn)”走到A 點(diǎn)時(shí)，用指令“G92 X60，Z50”是確定了當前“對刀點(diǎn)”的坐標值是工件坐標系中X60、Z50 的位置，也就是分別距離當前對刀點(diǎn)“逆向”X 向60、Z 向50 的位置為工件坐標系的原點(diǎn)。假如當前點(diǎn)的機床坐標系中的值為X' = 150，Z' = － 200，則工件坐標系的零點(diǎn)在機床坐標系中的實(shí)際位置是X' = 90，Z' = － 250 ( 注: 為說(shuō)明方便，X 向假設為半徑編程方式，直徑編程時(shí)原理相同，數值直接乘以2 即可) 。

　　此種方法也是系統已知機床坐標值，工件坐標系的值由G92 程序指令中指定( 不像“試切對刀”需要進(jìn)行測量) ，根據式( 2) 系統很方便的計算出偏移值( Δa、Δb) ，完成“對刀”。

　　(3) 指定原點(diǎn)。第三種方法是: 用戶(hù)如果能夠確立工件坐標系與機床坐標系的關(guān)系，則可以直接在“對刀”操作界面圖3 “X 偏置”、“Z 偏置”欄中輸入工件坐標系在機床坐標系中的偏移值，這實(shí)際上是直接“告知”了系統“工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的位置”，從而確立了二者之間的聯(lián)系。

4. 應用意義

　　(1) 只要“對刀點(diǎn)”位置未改變( 即保證刀具裝夾方式未改變，暫不考慮刀具磨損) ，工件坐標系的原點(diǎn)相對于機床原點(diǎn)位置未改變，多次重復加工時(shí)勿需重新“對刀”。

　　在實(shí)際批量生產(chǎn)中，刀具裝夾合適后，就不會(huì )隨意更換，如果不考慮刀具本身磨損，則可以保證“對刀點(diǎn)”不變，所以唯一可能改變的是工件坐標系的原點(diǎn)相對于機床原點(diǎn)位置。在數控車(chē)床中，建立的工件坐標系Z 軸一般與主軸中心重合( 臥式車(chē)床) ，其精度可用三爪卡盤(pán)準確定位進(jìn)行保證，所以工件坐標系的原點(diǎn)X 向不會(huì )改變，而可能改變的是Z向，因為同樣是將工件坐標系的原點(diǎn)建立在工件的“右端面”，但由于工件裝夾時(shí)毛坯料伸出的長(cháng)短不一致，可能導致“原點(diǎn)偏移”，此時(shí)如果不重新“對刀”則會(huì )造成多次加工的工件不一致。因此，為了保證Z 向“伸出材料長(cháng)度”一致，避免“重新對刀”，通常的做法是: 首先，裝夾毛坯件時(shí)采用“樣板”粗定位( 即裝夾時(shí)用“樣板”作基準，或用專(zhuān)用夾具定位) ; 其次，在程序中加入“平整端面”的語(yǔ)句行，進(jìn)行精確定位，以消除Z 向由于裝夾時(shí)帶來(lái)的“粗大誤差”。下面是常用的模板指令程序代碼：

　　(2) 用G92 建立的坐標系，多次重復運行時(shí)要防止“原點(diǎn)”可能“跑偏”。在實(shí)際程序加工過(guò)程中，由于G92 建立的坐標系是以刀具“當前點(diǎn)”為前提，“逆向反推”指令中指定的距離后得到工件坐標系的零點(diǎn)，所以，雖是同一條指令，但刀具“當前點(diǎn)”位置不同，最終的工件坐標系建立的原點(diǎn)也不同，這就要求同一程序反復使用時(shí)注意它們的“起刀點(diǎn)”位置要相同，否則，工件坐標系的零點(diǎn)位置會(huì )“跑偏”，如果不重新進(jìn)行“對刀”操作，輕則加工出的零件精度不一致，零件尺寸錯誤產(chǎn)生“廢品”，重則產(chǎn)生“撞刀”，釀成事故，所以，在實(shí)際程序加工過(guò)程中，在程序結束前務(wù)必將“刀具”停留在建立工件坐標系“起始”的位置處。

　　(3) 采用直接輸入工件坐標系原點(diǎn)的方法時(shí)要特別“慎重”。第三種“對刀”方法實(shí)際上已知二者的關(guān)系時(shí)才會(huì )用到，它一般是在“首件試切”前，為了驗證“走刀路線(xiàn)軌跡”，確保刀具不會(huì )“撞到工件”的安全情況下，而又略去進(jìn)行“試切對刀”，然后采用“外加偏移”方法的繁瑣，所以通常是先手動(dòng)進(jìn)給軸至安全距離，然后記錄下“機床坐標系的坐標值”進(jìn)行輸入，此種方法更多的是用在“調試程序”階段，在“空走刀”的情況下驗證其“軌跡”，由于此種方法往往在程序中設定進(jìn)給速度很快，甚至在機床操作面板中設置“空運行”按鈕有效，所以輸入時(shí)一定要確保: “指令最大運行范圍值”在實(shí)際運行中處于“絕對安全范圍”內，否則會(huì )因設置不當造成“撞刀”，甚至引發(fā)人身安全事故，對于初學(xué)者此種方法要“慎用”。

5. 結語(yǔ)

　　由以上論述得知，數控機床工作過(guò)程中各坐標系的建立與轉換的相互關(guān)系為: 機床開(kāi)機→回參考點(diǎn)→確立機床原點(diǎn)→確立機床坐標系; 編程人員→確立工件坐標系→對“對刀點(diǎn)”進(jìn)行“對刀”操作→確立工件坐標系在機床坐標系中的位置→數控系統在零件加工過(guò)程中把工件坐標系轉換成機床坐標系。因此， “對刀”操作是數控加工過(guò)程中重要的一環(huán)。

　　“對刀”方法雖然形式多樣，但最終的目標只有一個(gè): 確立工件坐標系的原點(diǎn)在機床坐標系中的偏移值?！霸嚽小睂Φ逗汀癎92 程序指令”的方法是告知系統當前的工件坐標系的值，讓系統“反推”出“偏移值”，只不過(guò)“試切”對刀的方法是通過(guò)操作人員的測量，而后者是直接在程序中指定; “直接輸入”的方法則是直接告知系統工件坐標系原點(diǎn)的信息。

　　本文中雖是以“華中數控”系統車(chē)床為例，但原理同樣適用于其他廠(chǎng)家的數控系統，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的數控系統其“對刀”方法與步驟雖“略有不同”，但總體“大同小異”，其基本原理是“相通”的; 而對于銑床與加工中心，只不過(guò)是增加了第三或第四軸，所以，本文所講得“對刀原理”具有普遍的意義。

　　對“對刀原理”的深刻理解有助于我們更好的進(jìn)行“對刀”操作，了解數控機床中坐標系的確立過(guò)程與零件加工、進(jìn)給運動(dòng)部件位置的精確定位原理，從而更加靈活的對機床進(jìn)行操作及運用編程指令進(jìn)行程序編制，更好的發(fā)揮機床的生產(chǎn)效率。