文章编号:1003-0794(2004) 09-0078-02
立式加工中心用对刀装置
常家东, 赵尊群
(洛阳工业高等专科学校, 河南洛阳471003)
摘要:介绍了立式加工中心对刀装置的结构设计, 分析了该对刀装置的测量精度和测量误差, 指出该对刀装置具有结构简单, 测量精度取决于加工中心两位置环位置传感器的测量精度。实
际应用证明:该对刀装置能满足生产需要。
关键词:加工中心; 对刀装置; 精度中图号:TG659
1 引言
数控加工中心和一般数控加工机床的区别是配置有刀库, 可以根据加工程序的需要自动换刀。加工形状复杂的零件可以在一次装夹的情况下, 完成全部工序的加工, 所以, 使用的刀具种类和数量较多(车、钻、镗、铣、攻丝等) 。加工前要根据数控加工工艺和加工程序要求使用的刀具来准备刀具, 测量每一把刀具的长度补偿参数和半径补偿参数, 并输入加工中心数控系统。刀具补偿参数测量精度的高低直接影响被加工零件的加工精度。而测量刀具补偿参数的时间又直接影响生产效率。所以, 要求加工中心配备一种测量刀具补偿参数方便、准确的对刀仪器。目前, 常用的对刀仪器有机械式、光学式等。但是在目前企业生产现场的加工中心的应用情况来看, 有许多加工中心没有配备专门的对刀仪器, 使用的是笨重烦琐的试切对刀方法, 致使加工中心不能发挥其自身优势。有些企业根本没有使用加工中心刀库, 而是把加工中心作为一般数控铣床使用, 造成设备资源浪费。作者设计一种立式加工中心对刀仪器, 结构简单, 利用半闭环控制或全闭环控制加工中心自身的位置测量装置, 测量刀具的长度补偿参数和半径补偿参数。解决了立式加工中心对刀困难的问题。测量精度可以和加工中心位置环的测量精度达到相同的精度。2 对刀装置结构设计
立式加工中心对刀装置的结构设计如图1所示, 在X 方向和Z 方向分别有和刀具接触的测量头, 分别用于测量刀具的半径补偿参数和刀具长度补偿参数。例如测量刀具的长度补偿参数时, 操作数控系统使被测刀具接触并压动测量头, 测量头通过机构推动百分表的测杆。操作者继续操作数控系统使刀具移动, 同时观察百分表的指针读数, 当百分表的指针摆到和测量标准刀具时相同的位置时, 观察数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的Z 坐标值, 读取并记录该值。然后和标准刀具进行比较和
文献标识码:B
图1 立式加工中心对刀装置
F ig . 1 Tool setting gauge for the stand m achining center
所以, 在设计和制造立式加工中心对刀装置时, 测量头往复运动的导向必须准确, 否则会引起测量误差, 中间机构的运动也必须准确, 间隙或者运动导向不准确而使机构在同样输入位移的情况下, 输出有误差, 这样会影响测量精度。测量头和刀具接触的平面必须平整, 而且要和自身轴线垂直。测量头和刀刃接触很容易被划伤, 这里采用氧化锆陶瓷制造的平面测头, 既耐磨又便于刀尖对正。对刀装置可以用 T 螺钉固定在立式加工中心的工作台上。3 刀具长度参数测量
以立铣刀为例, 说明立铣刀的长度参数的测量步骤和方法(球头铣刀、牛鼻铣刀、钻头、面铣刀和立铣刀相同) , 而对于刀尖和测量头不便于接触的镗刀长度补偿参数的测量, 可以将已知尺寸的量块放在测量头上, 刀尖接触在量块上, 计算被测刀具的补偿参数时, 考虑量块的尺寸即可。具体测量刀具长度补偿参数的步骤如下:将测量装置固定在立式加工中心的工作台上, 将Z 向百分表表头对零。将标准刀具装在立式加工中心的主轴上(标准刀具的长度补偿参数经过精确测量, 设已知为a ) 。手动操作数控系统使主轴下降, 使被测刀具接触测量头平面, 如图1所示, 继续使主轴下移(Z 坐标增量点动操作) , 使百分表指针摆动一圈并到零, 这时百分表只起测量压力的作用, 停止主轴移动。观察并记录数控系统的CRT 上显示的机床坐标系下的Z 坐标值, 假设此时显示的Z 坐标值为b 。操作主轴反方向移动退回, 从主轴卸下标准刀具, 将被测刀具装上主轴。重复上述操作步骤, 观察并记录数控系统CRT 上显示Z
2004年第9期 立式加工中心用对刀装置 常家东, 等 79 标值为c 。则被测刀具的长度补偿参数
L =a (c -b ) (1) 依据式(1) 计算被测刀具的长度补偿参数时, (c -b ) 取绝对值。如果被测刀具比标准刀具长取 + 运算, 反之取 - 运算。具体操作时, 刀具将要接触到测量头的表面时, 操作要小心, 要以加工中心最小的增量点动操作。
依据上述步骤, 测量并计算每一把刀具的长度补偿参数并输入立式加工中心数控系统。4 刀具半径参数测量
将X 向百分表的表头对零。将标准刀具装在立式加工中心的主轴上(标准刀具的半径补偿参数经过精确测量, 设已知为d ) 。手动操作数控系统使被测刀具的刀刃沿X 方向靠近对刀装置X 向的平测量头, 使被测刀具接触测量头平面, 如图1所示, 继续使工作台沿X 向移动并压动测量头(Z 坐标增量点动操作) , 使百分表指针摆动一圈并到零, 停止加工中心工作台移动。观察并记录数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的X 坐标值, 假设此时显示的X 坐标值为e 。操作工作台反方向移动退回, 从主轴卸下标准刀具, 将被测刀具装上主轴。重复上述操作步骤, 观察并记录数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的X 坐标值, 假设此时显示的X 坐标值为f 。则被测刀具的半径补偿参数
R =d (f -e ) (2) 依据式(2) 计算被测刀具的长度补偿参数时, (f -e ) 取绝对值, 如果被测刀具半径比标准刀具半径大取 + 运算, 反之取 - 运算。具体操作时, 刀具刀刃将要接触到测量头的表面时, 操作要小心, 要以加工中心的最小增量点动操作。
同样步骤测量每一把刀具的半径补偿参数并输入数控系统。
5 对刀装置的测量误差分析
立式加工中心对刀装置的测量误差 从理论上分析是以下4个误差的矢量和:(1) 加工中心位置环的位移测量误差 1, 对于全闭环控制的加工中心此项误差较小, 而半闭环控制的加工中心, 由于其测量的是电机或丝杆的转角位移, 间接测量工作台或主轴的位移, 此项误差稍大。 1可以取加工中心定位误差的最大值。但是刀具补偿参数的测量精度还是和加工中心的定位精度相匹配。(2) 测量头到百
分表之间的运动机构在同样的输入位移的情况下, 机构的输出误差造成的刀具补偿参数的测量误差 2。此项误差分为常值误差和随机误差, 常值误差对刀具补偿参数的测量精度没有影响, 因为其对标准刀具和被测刀具的影响是相同的。随机误差部分通过控制设计、制造精度, 减小导向间隙和传动间隙, 精确匹配弹簧的刚度。控制测量环境及条件等, 可以将随机误差的影响减到最小(基本上可以控制到比 1小一个数量级) 。(3) 操作者观察百分表指针回零的读数误差造成的刀具补偿参数的测量误差 3, 这个误差因人而异。如果细心操作, 观察方法正确, 这个误差造成的刀具补偿参数的测量误差同样可以控制在小于 1一个数量级。(4) 由于加工中心最小增量点动时, 加工中心工作台或主轴最小移动当量的限制, 造成百分表不能准确地回到零, 从而产生刀具补偿参数的测量误差 4。这项误差小于加工中心的最小移动当量。所以, 立式加工中心的刀具补偿参数的测量误差
= 1+ 2+ 3+ 4
由于 2、 3、 4的绝对值较小, 而且4项误差是矢量和, 方向不一致误差而互相抵消一部分, 所以, 立式加工中心对刀装置的刀具补偿参数的测量误差和加工中心的定位误差在同一个误差数量级别。6 结语
立式加工中心用对刀装置结构简单, 刀具测量迅速方便, 对刀精度受到加工中心进给伺服位置环的位移检测精度限制。可以多台立式加工中心配置一台对刀装置。
参考文献:
[1]陈伟珍, 等 球头式简易数控车床对刀仪[J ] 广西机械, 2003, (1) :23-25. [2]刘浏 立式加工中心简易对刀方法[J] 现代制造工程, 2002,
(6) :46-47.
[3]柯文 微机与多台加工中心串行通讯的实现[J] 工业仪表与自动化装置, 2003, (4):58-59.
[4]刘彬, 等 加工中心刀具信息管理系统[J] 组合机床与自动化加
工技术, 2003, (3) :26-28.
作者简介:常家东(1963-) , 河南淮阳人, 副教授, 现在洛阳工业高等专科学校机械工程系从事数控技术、CAD CAM CAE 的教学和科研工作 Tel:0379-4882265, E-mail:cjd@lyct. edu. cn.
收稿日期:2004-05-19
Tool setting gauge for the stand machining center
C HANG Jia -dong , ZHAO Zun -qun
(Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract :This paper described the structure designed of the tool setting gauge for stand machining center. Analyzed its measured accuracy and measured errors, indicated that the tool setting gauge structure is simpleness. The operation is convenience. The measure accuracy is restricted by the measured accuracy of the displacement sensor on machining cen -ter position loop.
Key words :machining center; tool setting gauge; accuracy
文章编号:1003-0794(2004) 09-0078-02
立式加工中心用对刀装置
常家东, 赵尊群
(洛阳工业高等专科学校, 河南洛阳471003)
摘要:介绍了立式加工中心对刀装置的结构设计, 分析了该对刀装置的测量精度和测量误差, 指出该对刀装置具有结构简单, 测量精度取决于加工中心两位置环位置传感器的测量精度。实
际应用证明:该对刀装置能满足生产需要。
关键词:加工中心; 对刀装置; 精度中图号:TG659
1 引言
数控加工中心和一般数控加工机床的区别是配置有刀库, 可以根据加工程序的需要自动换刀。加工形状复杂的零件可以在一次装夹的情况下, 完成全部工序的加工, 所以, 使用的刀具种类和数量较多(车、钻、镗、铣、攻丝等) 。加工前要根据数控加工工艺和加工程序要求使用的刀具来准备刀具, 测量每一把刀具的长度补偿参数和半径补偿参数, 并输入加工中心数控系统。刀具补偿参数测量精度的高低直接影响被加工零件的加工精度。而测量刀具补偿参数的时间又直接影响生产效率。所以, 要求加工中心配备一种测量刀具补偿参数方便、准确的对刀仪器。目前, 常用的对刀仪器有机械式、光学式等。但是在目前企业生产现场的加工中心的应用情况来看, 有许多加工中心没有配备专门的对刀仪器, 使用的是笨重烦琐的试切对刀方法, 致使加工中心不能发挥其自身优势。有些企业根本没有使用加工中心刀库, 而是把加工中心作为一般数控铣床使用, 造成设备资源浪费。作者设计一种立式加工中心对刀仪器, 结构简单, 利用半闭环控制或全闭环控制加工中心自身的位置测量装置, 测量刀具的长度补偿参数和半径补偿参数。解决了立式加工中心对刀困难的问题。测量精度可以和加工中心位置环的测量精度达到相同的精度。2 对刀装置结构设计
立式加工中心对刀装置的结构设计如图1所示, 在X 方向和Z 方向分别有和刀具接触的测量头, 分别用于测量刀具的半径补偿参数和刀具长度补偿参数。例如测量刀具的长度补偿参数时, 操作数控系统使被测刀具接触并压动测量头, 测量头通过机构推动百分表的测杆。操作者继续操作数控系统使刀具移动, 同时观察百分表的指针读数, 当百分表的指针摆到和测量标准刀具时相同的位置时, 观察数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的Z 坐标值, 读取并记录该值。然后和标准刀具进行比较和
文献标识码:B
图1 立式加工中心对刀装置
F ig . 1 Tool setting gauge for the stand m achining center
所以, 在设计和制造立式加工中心对刀装置时, 测量头往复运动的导向必须准确, 否则会引起测量误差, 中间机构的运动也必须准确, 间隙或者运动导向不准确而使机构在同样输入位移的情况下, 输出有误差, 这样会影响测量精度。测量头和刀具接触的平面必须平整, 而且要和自身轴线垂直。测量头和刀刃接触很容易被划伤, 这里采用氧化锆陶瓷制造的平面测头, 既耐磨又便于刀尖对正。对刀装置可以用 T 螺钉固定在立式加工中心的工作台上。3 刀具长度参数测量
以立铣刀为例, 说明立铣刀的长度参数的测量步骤和方法(球头铣刀、牛鼻铣刀、钻头、面铣刀和立铣刀相同) , 而对于刀尖和测量头不便于接触的镗刀长度补偿参数的测量, 可以将已知尺寸的量块放在测量头上, 刀尖接触在量块上, 计算被测刀具的补偿参数时, 考虑量块的尺寸即可。具体测量刀具长度补偿参数的步骤如下:将测量装置固定在立式加工中心的工作台上, 将Z 向百分表表头对零。将标准刀具装在立式加工中心的主轴上(标准刀具的长度补偿参数经过精确测量, 设已知为a ) 。手动操作数控系统使主轴下降, 使被测刀具接触测量头平面, 如图1所示, 继续使主轴下移(Z 坐标增量点动操作) , 使百分表指针摆动一圈并到零, 这时百分表只起测量压力的作用, 停止主轴移动。观察并记录数控系统的CRT 上显示的机床坐标系下的Z 坐标值, 假设此时显示的Z 坐标值为b 。操作主轴反方向移动退回, 从主轴卸下标准刀具, 将被测刀具装上主轴。重复上述操作步骤, 观察并记录数控系统CRT 上显示Z
2004年第9期 立式加工中心用对刀装置 常家东, 等 79 标值为c 。则被测刀具的长度补偿参数
L =a (c -b ) (1) 依据式(1) 计算被测刀具的长度补偿参数时, (c -b ) 取绝对值。如果被测刀具比标准刀具长取 + 运算, 反之取 - 运算。具体操作时, 刀具将要接触到测量头的表面时, 操作要小心, 要以加工中心最小的增量点动操作。
依据上述步骤, 测量并计算每一把刀具的长度补偿参数并输入立式加工中心数控系统。4 刀具半径参数测量
将X 向百分表的表头对零。将标准刀具装在立式加工中心的主轴上(标准刀具的半径补偿参数经过精确测量, 设已知为d ) 。手动操作数控系统使被测刀具的刀刃沿X 方向靠近对刀装置X 向的平测量头, 使被测刀具接触测量头平面, 如图1所示, 继续使工作台沿X 向移动并压动测量头(Z 坐标增量点动操作) , 使百分表指针摆动一圈并到零, 停止加工中心工作台移动。观察并记录数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的X 坐标值, 假设此时显示的X 坐标值为e 。操作工作台反方向移动退回, 从主轴卸下标准刀具, 将被测刀具装上主轴。重复上述操作步骤, 观察并记录数控系统CRT 上显示的机床坐标系下的X 坐标值, 假设此时显示的X 坐标值为f 。则被测刀具的半径补偿参数
R =d (f -e ) (2) 依据式(2) 计算被测刀具的长度补偿参数时, (f -e ) 取绝对值, 如果被测刀具半径比标准刀具半径大取 + 运算, 反之取 - 运算。具体操作时, 刀具刀刃将要接触到测量头的表面时, 操作要小心, 要以加工中心的最小增量点动操作。
同样步骤测量每一把刀具的半径补偿参数并输入数控系统。
5 对刀装置的测量误差分析
立式加工中心对刀装置的测量误差 从理论上分析是以下4个误差的矢量和:(1) 加工中心位置环的位移测量误差 1, 对于全闭环控制的加工中心此项误差较小, 而半闭环控制的加工中心, 由于其测量的是电机或丝杆的转角位移, 间接测量工作台或主轴的位移, 此项误差稍大。 1可以取加工中心定位误差的最大值。但是刀具补偿参数的测量精度还是和加工中心的定位精度相匹配。(2) 测量头到百
分表之间的运动机构在同样的输入位移的情况下, 机构的输出误差造成的刀具补偿参数的测量误差 2。此项误差分为常值误差和随机误差, 常值误差对刀具补偿参数的测量精度没有影响, 因为其对标准刀具和被测刀具的影响是相同的。随机误差部分通过控制设计、制造精度, 减小导向间隙和传动间隙, 精确匹配弹簧的刚度。控制测量环境及条件等, 可以将随机误差的影响减到最小(基本上可以控制到比 1小一个数量级) 。(3) 操作者观察百分表指针回零的读数误差造成的刀具补偿参数的测量误差 3, 这个误差因人而异。如果细心操作, 观察方法正确, 这个误差造成的刀具补偿参数的测量误差同样可以控制在小于 1一个数量级。(4) 由于加工中心最小增量点动时, 加工中心工作台或主轴最小移动当量的限制, 造成百分表不能准确地回到零, 从而产生刀具补偿参数的测量误差 4。这项误差小于加工中心的最小移动当量。所以, 立式加工中心的刀具补偿参数的测量误差
= 1+ 2+ 3+ 4
由于 2、 3、 4的绝对值较小, 而且4项误差是矢量和, 方向不一致误差而互相抵消一部分, 所以, 立式加工中心对刀装置的刀具补偿参数的测量误差和加工中心的定位误差在同一个误差数量级别。6 结语
立式加工中心用对刀装置结构简单, 刀具测量迅速方便, 对刀精度受到加工中心进给伺服位置环的位移检测精度限制。可以多台立式加工中心配置一台对刀装置。
参考文献:
[1]陈伟珍, 等 球头式简易数控车床对刀仪[J ] 广西机械, 2003, (1) :23-25. [2]刘浏 立式加工中心简易对刀方法[J] 现代制造工程, 2002,
(6) :46-47.
[3]柯文 微机与多台加工中心串行通讯的实现[J] 工业仪表与自动化装置, 2003, (4):58-59.
[4]刘彬, 等 加工中心刀具信息管理系统[J] 组合机床与自动化加
工技术, 2003, (3) :26-28.
作者简介:常家东(1963-) , 河南淮阳人, 副教授, 现在洛阳工业高等专科学校机械工程系从事数控技术、CAD CAM CAE 的教学和科研工作 Tel:0379-4882265, E-mail:cjd@lyct. edu. cn.
收稿日期:2004-05-19
Tool setting gauge for the stand machining center
C HANG Jia -dong , ZHAO Zun -qun
(Luoyang College of Technology, Luoyang 471003, China)
Abstract :This paper described the structure designed of the tool setting gauge for stand machining center. Analyzed its measured accuracy and measured errors, indicated that the tool setting gauge structure is simpleness. The operation is convenience. The measure accuracy is restricted by the measured accuracy of the displacement sensor on machining cen -ter position loop.
Key words :machining center; tool setting gauge; accuracy