论数控机床对刀原理及其实质.pdf

论 数 控 机 床 对 刀 原 理 及 其 实 质 杨绍奎 中山火炬职业技术学院，广东中山528436 摘要通过分析数控系统的内建坐标系和数控系统对刀具的间接控制方式，阐述了对刀原理及其实质，纠 正了长期以来关于对刀原理的错误解释。 关键词对刀对刀原理 刀具控制建立工件坐标系数控机床数控编程 中图分类号TG 659文献标识码A The pri ncipl e andessenceabouttool sett i ng inN Cm achi ne Y A N GShaokui ZhongShan Tor chPol ytechni c，Zhongshan528436，C H N A bst r act Thepri nci pl eandes senc eofcoordi nat esyst em sandi ndi r ect cont rolm odeont ool sett i ng i nnum er ical cont rolm achi nearei ntr oduced．Thent he pri nci pl e andt hees senc eoft ool sett i ng is r eview ed，w hich correct edt hem i st aken expl anat i on t he pri nci pl e abouttool set t i ng i nt he l ongperi od． K eyw ordsToolSet t i ng；Tool Set t i ngPri nci pl e；C ont rol on Tool s；Set t i ng W or k Coor di nat es；N CM achi ne；NC Pr ogram ing 长期以来，从出版的教科书和发表的论文来看，关 于数控机床的对刀原理及其实质的阐述一直存在错 误，集中体现在“对刀就是测量工件原点在机床坐标 系的坐标”或者“对刀就是测量刀具刀位点在工件坐 标系中的坐标”等错误的阐述或解释。幸运的是在数 控编程传授中这种错误解释并不影响对刀的正确操 作，但是对于学习者正确理解对刀原理以及数控系统 对刀具的控制方式和深刻理解各种对刀操作有误导作 用，造成教授者解释不清，学习者难于明白的局面。其 实，数控系统在对刀时并没有测量工件原点 形点 在 机床坐标系的坐标，也没有测量刀具刀位点r点在 工件坐标系中的坐标。 以数控车床为例来说明，在图1所示数控车床返 回机床参考点R点时，数控系统通过传感器捕捉R 点，并使用预置在系统内部的R点机床坐标瓦，乙 建立机床坐标系M X Z，并同时显示系统控制的机床坐 标。系统控制的机床坐标不是尺点的坐标 因尺点是 固定的 ，而是刀具参考点即E点的机床坐标E点是 机床返回到尺点时刀架内或刀架延伸部分内与尺点 重合的那一个点，所以E点的机床坐标瓦，zi 被 监视。安装工件和刀具后，从图1可知 zJezi t t }Zzn 01、 式中z协和Z。是不变的未知量，很显然无法从1个 程式中解出2个未知量，也就是说控系统虽然建立 了机床坐标基准M X Z，但却无法知道或测量形点的机 床坐标毛。r 点的工件坐标z酽是可以测量的，但数 控系统仅测量它是没有意义的。在FA N U C系统等编 程或操作说明书中阐述了对刀方法，但没有阐述其原 理，这正是本文要阐述的。 M 一机床原点；w 一工件原点；T’_刀具刀位点 刀尖 ； R卅L床参考点；E_一刀具参考点；z。『-w 点的机床D坐标 乙一T点的相对 r 坐标；z‘厂一T点的工件曲坐标。 图1返回机床参考点 1数控系统内建的坐标系 1．1机床坐标系和机床参考点 机床坐标系是系统内建的第一个坐标参照系统， 其坐标原点称为机床原点，也叫M 点；该坐标系中的 坐标以“机床坐标”的形式在CR T上显示。机床坐标 系是一个固定的坐标系 用户不能移动或改变M 点的 位置 ，机床坐标系的建立为控机床的运动控制提 供了统一且唯一的参照基准。 机床参考点也叫尺点，R点在机床上是固定的，其 机床坐标 以，磊 预置在CN C系统内；在称为“返回 机床参考点”的操作过程中，CN C 通过传感器精确定 位R 点后并调用R 点的机床坐标瓦，z，建立机床坐 标系M X Z，见图1。 1．2相对坐标系和刀具参考点 运动控制点 在R 点建立机床坐标系后，数控系统还以R 点为 原点内建了另一个浮动的坐标参照系统，称为相对坐 标系，如图2中的RXZ，其坐标原点称为相对原点。该 坐标系中的坐标以“相对坐标”的形式在CRT上显示。 7 lI e M一C一 Z fZ a ac j lA ． Z f l r X ac I E r f R X ●、I 乙＼ ， 2 X ，『X 1．X 图2运动控制点 刀具参考点是机床在返回到R 点时刀架内或刀 架延伸部分内与R 重合的那一点，也叫E点，E点在 刀架上是固定的，在机床内是运动的。E点的相对坐 标记为x。，z。，如图2。相对坐标系用来记录刀架 移动后相对位置编码器的输出值 刀架移动量，可见 数控系统在机床坐标系中的运动控制是在相对坐标系 建立后确立的。 在R 点位置，数控系统将相对坐标清零，运动控 制点即是刀架上的E点。由图2可知，任意时刻E点 的机床坐标与相对坐标的关系，为式2所示。C RT 上显示的正是E点的机床坐标和相对坐标。 在刀具安装后，刀具丁点相对于E点的位置关系 是固定不变的，因此丁的运动轨迹和E点的运动轨迹 是完全相似的，如图3的②和③。因此数控系统控制 E点后就间接或相对地控制了r点刀具。 X i eX x。，zi ezi z， 、2、 1．3绝对坐标系 绝对坐标系是数控系统在R点时内建的另一个 浮动的坐标参照系统，其原点称为绝对原点，也叫A 点。A 点的机床坐标 o，c预置在C N C系统内，在尺 点建立机床坐标系后，C NC 调用A 点的机床坐标口， 固豢等等 R，，‘ul ‘}月-lM c 建立绝对坐标系，如图2的A XZ。该坐标系中的坐 标以“绝对坐标”的形式在CR T上显示。绝对坐标系 具有以下属性 图3工件坐标系和程序执行 1绝对坐标系被数控系统作为用户程序的执行 坐标系，即数控系统把用户程序中的坐标视为绝对坐 标，所以绝对坐标也称为执行坐标。 2A点的机床坐标n，c在数控系统内部为变 量，用户可以给口和c赋予不同的值，从而改变A 点的 位置。也就是说用户可以通过面板操作或G代码来 改变机床坐标o，c，从而移动绝对坐标系。 由图2和公式 2可求出任意时刻E点的绝对坐 标 执行坐标的表达式，公式3 ，E点成为用户程序 的执行点。 X 。≮一口瓦x。一口 ／ Z。Zi 一口 Zi Z。一n 2编程坐标系和工件坐标系 当编制图4所示工件的加工程序时，必须在工件 图纸上设置一个坐标系。这 个在工件图纸上设置的坐标 系称为编程坐标系，其坐标 原点称为编程原点，也称为 P点。图4编程坐标系 例如在工件的右端面中 心设置一个编程坐标系，编制了一个从P一1吃_3_ 4的用户程序，即假定了丁点从P点出发，经过1点、2 点和3点最终到达4点。用户程序的编制是基于编程 坐标系PX Z的，它与机床机床坐标系、工件和刀具的 装夹位置是无关的。 当工件和刀具在机床上装夹以后，要运行用户程 序n1斗2_3叫，必须在工件上相应于编程坐标系 的位置建立另一个用户坐标系，这个坐标系称为工件 坐标系W X Z，其原点称为工件原点，也叫彤点，如图 155 3。显然对用户而言，工件坐标系W X Z是用户程序的 执行坐标系，而F点是用户程序的执行点。 用户程序的运行是基于工件坐标系W XZ的，它与 机床机床坐标系、工件和刀具的装夹位置 是有关 的。如果数控系统知道形点的机床坐标，那么用户程 序指定的坐标可换算成机床坐标，用户程序就可在机 床坐标系中执行。现在形点的机床坐标无法测量，那 么用户程序怎样才能正确执行呢 3对刀和对刀原理 3．1对刀原理和对刀 如上所述，对用户而言，工件坐标系W X Z是用户 程序的执行坐标系，丁点是用户程序的执行点，对数控 系统而言，绝对坐标系A XZ是用户程序的执行坐标 系，E点是用户程序的执行点。数控系统执行用户程 序是把用户程序指定的坐标视为绝对坐标瓦，z。， 并按公式3解出x。，z。，然后控制E点运动。由 于绝对坐标系AX Z并不在希望的位置，E点执行用户 程序的结果并不是用户所希望的结果，如图3的①。 由于r点相对于E点有固定不变的位置关系，丁 点的运动轨迹和E点的运动轨迹完全相似，如图3的 ②和③。如果能使绝对坐标系AX Z相对于工件坐标 系W X Z的位置关系相同于E点相对于r点的位置关 系，那么数控系统控制E点在A XZ中执行用户程序的 结果会导致F点在W XZ中得到同样的结果，如图5的 ②和③，而这正是用户所希望的结果。 图5对刀 用户可以在机床坐标域 中移动绝对坐标系到任意位 置，所以这点是可以做到的。 这正是数控系统内建绝对坐 标系并把它作为用户程序执 行坐标系的原因。 如图6所示，E点相对 图6对刀原理 于F点有固定不变的位置关系，若使丁点在工件坐标 系W X Z中有工件坐标i ，歹，于此同时使E点在绝对 坐标系中有绝对坐标i ，J 。可以证明从此A 点相对 于形点的位置关系等同于E点相对于丁点的位置关 系，这就是对刀原理。 在工件坐标系中具有工件坐标i，_『的点称为对 刀点，对刀就是使丁点与对刀点间接或直接重合。 在对刀位置，E点的相对坐标x。，z。有确定的 值，根据对刀原理，令X 。i，Z。J，由公式3解出A 点的新机床坐标 口，C ，有 o瓦一i 耳X 。一i ．⋯ cZi kzi Z。一k 公式4 是数控系统移动绝对坐标系的计算式。图5 所示即是机床R点的坐标为 270，900，对刀点的工 件坐标为0，0 并由公式4 移动绝对坐标系后的情 况，E点在A X Z坐标系中的坐标为 0，0 。此时在 A X Z中运行用户程序，则CN C控制E点在A X Z中走 出轨迹②，同时r点会在W X Z中走出轨迹③，这正是 用户希望的结果。 3．2通过对刀建立工件系的实质 通过对刀建立工件坐标系，数控系统并没有测量 工件原点在机床坐标系的坐标，也没有测量刀具刀位 点在工件坐标系中的坐标，而是在系统内部通过改变 A 点的机床坐标口，c 来移动执行坐标系AX Z到某一 确定位置，用执行坐标系A X Z来模拟工件坐标系 W X Z，用刀具参考点E来模拟刀具刀位点r 。 由此可见，用户对工件坐标系和丁点的操作等价 于系统对绝对坐标系和E点的操作，在数控机床厂家 的编程说明书中将绝对坐标系说成是工件坐标系正是 基于此，但两者绝不是等同的。这一过程对用户是不 透明的，使用户看起来似乎是等同的，所以才有在前文 中提到的关于对刀原理的错误解释。 数控系统的偏置补偿也是基于和应用对刀原理， FA N U C系统的G 54一G 59和G 92指令在数控系统内 部本质上也是对A 点的机床坐标o，c的操作。 参考文献 [ 1] 陈光明，吴洪彬．数控车床的对刀原理及对刀方法[ J]．机床与液压， 20023179181． [ 2]王建平，黄凳红．数控加工中的对刀方法[ J] ．工具技术，2005，39 27375． [3]张秀平．数控机床的对刀原理及常用对刀方法[J]．机械制造与自动 化，201047375． [ 4]蒙斌．数控机床通过对刀建立工件坐标系的原理及过程[ J] ．机械工 程与自动化，200569294． f 5] 许春香，黄桂琴．王亚辉．控编程与操作『M ] ．北京清华大学出版 晒}豢等等弋 ／， ￡uIz}月lM FA NU C 系 统 用 户 自 定 义 软 操 作 开 关 功 能 的 实 现 牛志斌①李文斌②武俊光③ ①山西机电职业技术学院，山西长治046011； ②太原理工大学，山西太原030024；③太原第一机床厂，山西太原030012 摘要设定FAN UC 系统的用户自定义软开关。实现数控机床操作面板上不具备、但生产过程中又需要的 功能。如D N C加工、手动绝对值、手轮中断、卡盘内卡／外卡等功能。避免了重新设计、改造机床操作 面板的弊端。该方法在数控机床中具有较大的推广应用价值。 关键词FA N U C 系统通用软式开关D N C加工手动绝对值手轮中断卡盘内卡／外卡 中图分类号TI - 117文献标识码B Funct i onr eal izat i onofuser- def i nedsoftsw i t chesofFA N U CC N Csyst em N IUZhi bi n①，LI W enbi n②，W UJunguang③ 王Shanxi I nsti t ut eofM echani cal Elect r ical Engi neer i ng，C hangzhi 046011，CH N ； 至Tai yuanU ni versi t y of Technol ogy，Taiyuan030024，CH N ； ③Taiyuan N o．1M achi neTool W orks，Taiyuan030012，CH N A bst ractSetFA N U CC N Csyst emus erdefi ned sof t swit ches，achievet hefunct i on neededint he product i on pr oces s，but C N Cm achi ne oper at or ’Spanel doesnothave，suchast heD N Coperat i on，m anualabsol ute， m anualhandl eandchucki nter nal cl amp／ext er nalcl am p．It avoi dst hedraw backsof redes i gn andt rans f or m st hem achi ne oper at or ’Spanel．This m et hodhasa gr eat erappl i cat i onval ue inC N Cm achi net ool s． K eyw or ds FA N U CC N CSystem ；Gener al -pur poseSof tSw i tches；D N CO per ati on；M anualA bsol ut e；M anualH andl e Int errupt i on；C huck Int ernal Clam p／ExternalC l am p 目前，工业生产中使用的数控机床多采用自制机 床面板，该面板需具备某些功能，如D N C加工、调度、 手动绝对值、手轮中断等功能；带有液压控制系统的数 控车床还需要具备卡盘内卡／外卡、台尾与z轴连接、 中心架体锁紧／松开等功能。这些功能若缺失，有时会 给工业生产带来很多不便。针对机床某些特定控制功 能，实现机床机械操作面板所不具备的功能。 1 软式操作面板控制功能介绍 当数控机床的机械操作面板不具备某些功能时， 用户可以通过设置软操作开关来实现该功能。如表1 所示，FA N U C系统允许用户设定8个或者16个通用 能的需要，FAN U C系统允许用户使用自定义软开关功软式开关用于自由目标的控制，如D N C加工等功能， 表1通用软式开关输出信号 地址 聊2．7F072．6F072．5F072．4H 72．3F072．2FU 72．1F072．O 符号 0U ．170U 聪0U巧0UT40U r l30U 7120U TlO U阳 软式开关 87 6 54 3 2 1 地址 F074．7F074．617074．5F074．4H 74．3H 74．2F074．1FD74．0 符号 0UT l 50UT l 40UT l 30UT l 20U Tl lO UT l 00U 190U髓 软式开关1615 14 13 1211109 社，2010． [6]荣瑞芳，关雄飞．数控加工工艺与编程[M ]．西安西安电子科技大 学出版社，2006． [ 7] FAN UC ．FA NU CO iM at eM C操作说明书B-64144CM ／01[Z]． 糌 [8]广州数控设备有限公司．G SK 980TD 车床CN C使用手册[Z]．2006． 编辑余捷收稿日期20111221 文章簟号121147 ‘- ．。。～． 如果塞慧发裹对本文的看法，请耔文章肇号囊入读者意见谴童囊攀鞠撩虞位置。