浙江工业职业技术学院
毕业论文
（2016 届）
经济型数控车床的对刀自动化改造
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经济型数控车床的对刀自动化改造
摘 要 本文设计的就是一个能在简易数控车床上使用的自动对刀仪。该对刀仪采用机械触发式传感器，通过控制车刀运动来触发传感器，PLC 把传感器得到的信号传给数控系统，再由系统来进行相应的数据处理。机械触发式传感器与PLC 的输入扩展端的连接线简单，而且易于维护，比用其它的传感器降低了成本。
此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率，x 轴向精度可达到O ．02mm ，Z 向精度可达到O ．025mm 。
本对刀仪适用范围广，可对不同类型的车刀，四个传感器根据所对刀具的不同作了适当的角度调整，将倾斜角度设为220，这是现有的对刀仪不能实现的功能。
采用这种新型的对刀仪，在经济型数控车床上可一次对出4把车刀的位置尺寸。在需要一次对更多把刀时，只要对对刀程序进行适当的修改即可。本对刀仪对刀迅速简捷，一般对4把刀只需几分钟，而且对刀准确，有声光信号显示，使用非常方便，消除对刀者对刀的烦恼，提高数控车床加工效率，具有较高的实用价值。
关键词 数控机床；自动对刀; 刀架；plc 控制电路
目 录
引 言.............................................................. 1
第一章 经济型数控车床的概述....................................... 2
1.1数控机床的发展趋势 ......................................... 2
1.2数控机床的组成和基本原理 ................................... 3
1.2.1数控机床的组成 . ...................................... 3
1.2.2数控机床的基本原理 . .................................. 4
1.3数控机床加工的特点 ......................................... 4
1.4数控机床安全操作规范 ....................................... 5
第二章 数控车床刀架设计........................................... 6
2.1数控车床刀架应满足的要求 ................................... 6
2.1.1动力刀架的整体方案设计 . .............................. 7
2.2 刀架的工作原理 ............................................. 8
第三章 电动刀架PLC 控制电路设计................................... 10
3.1 刀架换刀控制方式的选定 .................................... 10
3.2 PLC控制流程图 ........................................... 10
第四章 自动对刀仪................................................. 11
4.1自动对刀仪方案研究 ........................................ 11
4.2 自动对刀仪工作原理 ....................................... 13
4.2.1概念介绍与刀具位置偏差原因分析 . ..................... 13
4.3 自动对刀仪的分析和设计 ................................... 17
4.3.1 刀具形状分析 ...................................... 17
4.3.2 斜面角度的确定 .................................... 17
4.3.3 传感器表面保护 .................................... 18
4.3.4 弹簧的选择与侧头压力分析计算 ...................... 19
4.4 对刀仪的误差与精度分析 ................................... 19
4.4.1 对刀仪的机械结构误差 .............................. 20
4.4.2 系统误差 .......................................... 23
4.4.3对刀仪的精度 . ....................................... 23
结 论............................................................. 24
致 谢............................................................. 25
参考文献........................................................... 26
引 言
为满足用户对加工精度和效率越来越高的要求，很多数控机床生产厂家及用户都希望在其机床上配备各种加工精度监测设备，在机床上使用测量装置进行自动测量，直接对刀具位置进行测量，并根据测量结果自动修正刀具的偏置量，使同样的机床能加工出更高精度的零件。
本课题针对数控车床对刀辅助时间长，精度差这一问题，设计了数控车床用的自动对刀仪，来对经济型数控车床的对刀自动化改造。自动对刀仪可以通过对刀尖位置的精确自动捕捉，而后运用数控系统本身的测量装置得到刀尖点的坐标数据，并经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差比较得出数据，而后再一并存入数控系统之中，实现了数控车床的自动对刀过程，有效地提高了工作人员在操作数控车床时的对刀的效率和精度，十分具有可行性和可推广性。可为工作的生产效率的提高，制造成本的降低起到至关重要和积极的作用。
此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率。
第一章 经济型数控车床的概述
1.1数控机床的发展趋势
1. 高速、高效、；高精度；高可靠性
高速、高效：向高速化方向发展，充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。
高精度：从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。
高可靠性：是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，受性能价格比的约束。
2. 模块化、专门化与个性化；智能化；柔性化和集成化
模块化、专门化与个性化：机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。
智能化：智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：一是为追求加工效率和加工质量方面的智能化；二是为提高驱动性能及使用链接方便方面的智能化；三是简化编程、简化操作方面的智能化；四是智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。
柔性化和集成化：柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及
产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
3. 开放性
4. 出现新一代数控加工工艺与设备
1.2数控机床的组成和基本原理
1.2.1数控机床的组成
（1）机床主体
数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。
（2）数控装置
数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU 、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。
（3）输入/输出设备
键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串行通信的方式输入。
（4）伺服单元
伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置
的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
（5）驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
1.2.2数控机床的基本原理
数控机床与普通机床相比，其原理的不同之处在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。
数控机床加工零件，首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序；然后将所编写程序指令输入到机床的数控装置中；再后数控装置将程序（代码）进行译码、运算后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。
1.3数控机床加工的特点
1、适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件
2、加工精度高，产品质量稳定
3、自动化程度高，劳动强度低
4、生产效率高
5、良好的经济效益
6、有利于生产管理的现代化
1.4数控机床安全操作规范
1、遵守机床工一般安全操作规程，按规定穿戴好劳动防护用品。
2、开车前检查刀具补偿数字是否正确。
3、各手柄相对位置应符合对刀图的要求。
4. 工具或其他物品不许放在电钮盘，阅读器附近。
5、各部电路要有良好绝缘，控制卡紧装置的继电器应经常检查，防止工件甩出。
6、原有机床上附加数控装置, 应把原有手柄拆掉或加保险弹簧，避免在程控和手动并存情况下，运动机件突然转动伤人。
7、打开强电箱，接通稳压器电源，并检查个电源电压是否正常。
8、启动油泵，空运行2～3次，观察显示的数字是否符合程序的要求。
9、按下预清及环行预清按钮，然后启动驱动箱。
10、检查油压卡盘，工件安装是否可靠。
11、有手动对原点位置，放好百分表后工作。
12、工作后依次关闭驱动数控箱、稳压电源，最后关闭驱动箱和强电源。
第二章 数控车床刀架设计
2.1数控车床刀架应满足的要求
1. 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。
2. 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。
3. 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。
4. 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。
5. 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应
尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。
6. 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力。
2.1.1动力刀架的整体方案设计
刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具, 因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。
各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围
2.2 刀架的工作原理
回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。
1、 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置驱动蜗杆蜗轮机构蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转 ,此时由于上下齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘松开并抬起, 直至两定位齿盘脱离啮合状态, 从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。
2、刀架转位 当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。
3、刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或
270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通, 当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后, 霍尔开关反馈信号使电机反转, 插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。
4、刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。
第三章 电动刀架PLC 控制电路设计
3.1 刀架换刀控制方式的选定
数控刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，另一种是通过T 指令进行自动换刀。手动换刀是指将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择。T 指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。为了快捷方便，选择T 指令换刀。
3.2 PLC 控制流程图
第四章 自动对刀仪
4.1自动对刀仪方案研究
自动对刀仪是利用数控车床外加的监控检测设备利用数控车床自身的位置测量系统来进行工作的。总体来说，它虽然是附属于数控车床，为提高车床加工的精度和效率而设计的，但作为一套独立的仪器，关于数控车床用自动对刀仪的研究设计方案应包括对刀原理的研究与实现、精密机械部分、电气控制部分、自动对刀仪的操作方法、误差与精度分析等部分。
机械部分是自动对刀仪的主体部分，它主要包括传感器的设计与联接臂的设计，其中传感器的设计尤其关键，要求它能适应内孔车刀、端面车刀、螺纹刀、外圆车刀等不同刀具和不同刀偏角的刀具；另外，传感器表面要有硬度要求，不能因为频繁的撞击表面产生小的凹坑，影响对刀仪的精度，当然，我们也可以对传感器的测头进行修磨；传感器应保证应有的精度要求；传感器的结构设计合理，重量不能太大且安装方便，适合刀具的对准与操作。
电气控制部分主要包括接口电路的设计，对刀仪在刀具接触到传感器后应有声光信号显示，以便操作者进行及时的操作，传感器的触发信号要能准确地反映到数控系统：要对刀补值算法的获得进行算法研究，根据算法进行参数化编程以获取刀尖点的信息并分析计算刀补值。
操作方法要求给出具体的操作步骤，根据对刀仪的工作原理及实
际特点，按照对刀的操作规程，用户可以方便地对数控车床进行对刀；应给出对刀过程的注意事项，以免操作错误，影响加工生产。
自动对刀仪的开发设计工作完成之后，要对其进行多方位的误差与精度分析，分析产生误差所有可能的来源并对精度作出分析，校验其可行性。
自动对刀仪开发设计的总体方案如图所示：
自动对刀仪开发设计的总伴方案示意图
4.2 自动对刀仪工作原理
所谓对刀，就是在数控车床进行切削加工之前需要确定每一把刀具的刀位点在工件坐标系和数控车床坐标系中的位置。
4.2.1概念介绍与刀具位置偏差原因分析
因为对刀仪是建立在车床自身系统测量的基础之上的，数控车床的加工是由程序控制完成的，所以坐标系的确定与使用非常重要。根据IS0841标准，数控车床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控车床平行于主轴方向即纵向为z 轴，垂直于主轴方向即横向为X 轴，刀具远离工件方向为正向。下面对这些概念逐一分析：
（1）数控车床坐标系与数控车床参考点，数控车床坐标系是指以机床原点为坐标原点所建立的坐标系，数控车床的机床原点通常取在卡盘前端面与主轴中心线交点处，一般机床原点在数控车床出厂前由生产厂家已经调整好，不允许用户随意变动。数控车床参考点是指刀架上某一固定点，即对刀参考点退离距机床原点O 最远的一个固定点R 点，该R 点在机床出厂时也由生产厂家调试好，并将数据输入到数控系统中。因此机床参考点R 对机床原点O 的坐标是一个已知数，一个固定值。一般对刀之前，必先使数控车床进行“回零”操作(即使刀架返回参考点操作) ，就是使刀架上对刀参考点与机床参考点R 重合。此时CRT 屏幕上显示值X 、Z 即为机床参考点R 相对于机床原点O 点在X 方向和Z 方向的值。此时，若再次对机床进行手动操作时，例如，使
刀架向工件靠近时，此时CRT 屏幕上显示值为刀架上对刀参考点相对于机床原点0点在X 向、Z 向上的值(即对刀参考点在机床坐标系中的坐标值X 、Z) 。数控车床参考点R 点的位置由设置在机床Z 向和X 向滑板上的机械挡块通过行程开关来确定，刀架返回参考点时由挡块压下相应行程开关向数控系统发出信号，即停止滑板运动，完成返回参考点操作。
（2）工件坐标系与起刀点，工件坐标系(又称为编程坐标系) 是指以工件原点(或称编程原点) 为坐标原点所建立的坐标系。编程坐标系供编程用，是人为设置的。工件原点可以是工件上任意点，但为了编程，方便数值计算，一般数控车床编程原点选工件右端面或左端面与中心线交点作为工件原点，数控编程时应首先确定工件坐标系。起刀点(又称程序起点) 即刀具刀位点相对工件原点OP 的位置，即刀具相对于工件运动的起始点，工件坐标系的建立实际上是确定刀具起刀点相对于工件原点的坐标值的过程。目前数控车床上建立工件坐标系的方法一般用相应的G 指令来设定。当工件坐标系建立以后，并未与机床坐标系发生任何联系，此时，两者仍然相互独立，数控系统既不知道工件在机床中的位置，也不知道刀具刀位点在机床中的位置，即无法按所编程序正确加工，因此加工之前，还必须确定刀具刀位点与机床坐标原点0之间的关系，即一般加工之前通过对刀方法来实现。
本次对刀仪的设计使用的是NUM 数控系统，现将NUM 数控系统坐标变换简单介绍如下：当CNC 上电时，没有测量起点可用于计算轴的运动。在执行任何程序编制的运动前必须对系统进行初始化(各轴回原
位) ，回原位过程将给CNC 系统提供用于编程运动的坐标系统。如果回原位过程没有完成，则只能进行点动操作。系统通过一个回原位过程建立一个测量起点OM(原位开关被安置在一个特定的物理位置上) 。每个轴的回原位过程是这样完成的：在由车床或数控系统制造厂商定义的运动方向上(测量起点设置方向) 激活起始限位开关，数控系统的处理器能计算所有相对于机床起点或零点的位移量，在回原位(测量起点设备) 过程完成后，系统将由制造厂商定义的每个轴的坐标变换值应用到每个轴上以建立测量起点(OM)脚、明。为了写一个零件程序，编程者必须定义一个程序起点，该点通常也是零件图上的尺寸测量起点。
如图所示
：
X 轴上的坐标变换值
Z 轴上的坐标变换值
(3)刀具位最补偿。下列三种情况下，均须进行刀具位置的偏置补偿：一是在实际加工中，通常是各把不同位置的若干把刀具(即各把刀具的刀尖在刀架上相对于某固定点的位置各不相同) 加工同～轮廓尺寸的工件，而编程时往往都建立统一的坐标系，要求使所有的刀尖都移到坐标系中的一个基准点上，或者以一把刀为基准设定工件坐标系，因此须将其余刀具的刀尖都偏移到此基准刀尖位置上。利用刀具位置补偿即可完成：二是对同一把刀具而言，当刀具重磨或更换新刀后，再把它准确地安装到程序所设定的原位置，是非常困难的，总是存在位置误差，这个位置误差在实际加工后即成为加工误差，此时，需通过刀具位置补偿功能来修正刀具安装位置误差；三是每把刀具在使用过程中都有不同程度的磨损，而磨损后的刀失位置与编程位置存在差值，同样会造成加工误差，这种误差也可通过刀具位置补偿功能来纠正。
4.3 自动对刀仪的分析和设计
4.3.1 刀具形状分析
本设计中考虑车刀的种类主要有：外圆车刀、端面车刀、螺纹车刀、内孔车刀。车刀形状不同，传感器的设计须兼顾各种情况。在x 向，用平行于Z 轴的平面传感信号，所有车刀刀尖都可碰到。但Z 向不同，用平行于X 轴的平面传感器信号，有的车刀(如螺纹车刀) 最先接触的不是刀尖点，所以考虑将这一面做成斜面。
一般车刀主要有450弯刀，450～750偏刀、900偏刀、切断刀、端面车刀、内孔车刀，如图所示：
刀具傍角示意图
4.3.2 斜面角度的确定
一般来说，加工情况不同，刀具的主偏角也应作一些调整，见表： 常用刀偏角
由以上的刀偏来分析，对刀仪的设计很难适用于所有刀具，只能是在保证能达到精度要求的情况下，尽量的来扩大应用的范围。现设计传感器的弹性接触表面的倾斜角度为22度，这样对于主偏角为23度以上外圆车刀、端面车刀、切断车刀、内孑L 车刀及螺纹车刀都可以应用。
4.3.3 传感器表面保护
在由机床或数控系统制造厂商定义的运动方向上(测量起点设置方向) 激活起始限位开关，建立钡4量起点。在手动状态下控制刀具去接触传感器，刚开始机床快速运动，快要接近传感器时必须将速度降下来，慢速轻触传感器(速度大约为2-3cm ／min) 。这些动作可以人为控制，没有必要自动控制刀具轨迹，因为刀具不一样，很难实现自动控制，并且只需很短时间，所以这样做是可行的。
从上面论述可知，对于与刀尖直接接触的测头， 必须具有缓冲作用，允许刀具有一定的过冲量，刀具轻触测头的瞬间，测头会顺着刀具方向行进微小距离，这段距离与数控机床的脉冲当量有关，也与信号传输与对刀自动控制程序的运行周期时间长短有关。设计传感器时，对测头的精度和硬度要求非常高(镀铬) ，同时由于测头顺着刀具方向滑行，所以要求其导向精度也较高，设计时采用套筒式导向，虽存在反复定位问题，但没有太大影响，测头接触刀尖形成过冲时，测头内设的一组弹簧会起到缓冲作用，要注意弹簧的选择。弹性模量太大，可能会损伤传感器表面或刀尖；太小又容易受到机床自身振颤等外晃因素的干扰嗍。一般来说，弹簧是不能保证定位精度的，但测头
运动时限制其自由度的是套筒，定位方式己形成，弹簧只是起到顶位与缓冲的作用，还是可以的。
4.3.4 弹簧的选择与侧头压力分析计算
当刀尖触至n 传感器的测头表面时，传感器还未被触发，机床进给并未停止，当刀尖继续行进O.5mm 时，传感器触发，机床停止，但刀尖顶着测头在压力下行进一段距离。经实际测算，刀尖的面积大约为0.3～0.5mm 2。由于机床有振动，弹簧要有一定的预紧力，设计时初步定为1N ，以后这个参数可以根据实际情况进行修改，只要将弹簧改变就可以了。现按设计弹簧弹性系数为6N ／cm ，测头顶位弹簧为三个，绝缘块顶位弹簧也为三个。这两种弹簧是串联方式。
经测试，这个压力对经过镀铬的测头表面不会造成损伤，是可行的。
4.4 对刀仪的误差与精度分析
自动对刀系统作为一台或多台简易数控车床的测量子系统使用，其实际所能达到的测量精度与所配数控系统的最小脉冲当量、机床传动系统误差、对刀传感器的几何形状、对刀臂的精度、加工精度和装配质量、环境以及测量方法等因素有关。
1、测量传感器的几何形状和加工精度。本传感器采用了4个测头分别用于测量外圆、内孔和端面等车刀刀位点的坐标，这样可以使车刀因Y 向安装位置偏差而造成的测量误差得到补偿。将4个测头得到的刀具坐标值数据输入到带掉电保护的数据存储单元中供软件使用，则
很大程度上又避免了其加工精度对测量的影响。
2、机床传动系统误差和测量方法的影响在整个对刀过程中可人为控制，以消除机床传动间隙的影响(如退6mm 进2mm) 。当刀架上各车刀都对刀完毕后，再重对一遍各刀具，又得一组刀位数据，该数据再与前组数据一一对应求平均值(通过均值键由软件求得) ，则所得的均值数据又在一定程度上消除了安装及旋转误差对测量的影响，从而提高了对刀精度阳。
3、传感器的材质及过冲量的影响传感器对刀圈可采用20号钢表面镀铬制成，当刀尖慢速碰顶传感器时会留下微小刀痕，当刀痕在传感器圆周上过密、过深时就须对其进行修磨(修磨后需重新修改参数a) 。虽然刀尖对传感器的外表面存有一定的过冲量，但该过冲量又可补偿车刀因承受车削力而产生的让刀变形量。当对刀仪采用上述提高精度的措施后，有效地提高了精度。尽管由于刀尖角度和修磨圆弧在锥面上对刀从原理上存在误差，但对于被加工零件相应坐标加工精度都要求较低这一事实来说，其对刀精度是可以满足大部分零件半精加工要求的。
4.4.1 对刀仪的机械结构误差
影响对刀仪精度的参数。在进行误差分析之前，首先要给出几个影响对刀仪精度的参数。
（1）进给速度：控制刀尖的运动开始可以较快的速度进给，快触及传感器的时候(剩2-3mm) ，应该降低速度，将速度控制在2-3cm ／min ，慢慢地接近传感器。
（2）触发距离：刀尖碰到传感器测头时，对刀仪并没有触发，而是当它行进到一定距离(设计此距离为O ．5mm) ，电路才能导通，传感器开始工作，进给停止，这也是为了避免传感器因其它因素引起不必要的触发。
（3）系统的反映时间：指程序中认定的接触瞬间到真正实现动作。进给停止的时问。它包括两部分，第一部分指的是程序的反映时间，第二部分指的是进给电机接收到停止指令到真正停止所需的时间。传感器触发时，系统接收到信号，再反馈给进给系统，进给停止。程序设计时捕捉到的点是停车时的点，而不是真实的刀位点，因为系统无法同时处理进给运动和程序监测指令。当我们按照要求按CYCLE 键时，系统才将此时的X 坐标和Z 坐标捕捉到并记录下来，而这个点并不是真实的刀尖点，比真实点在X 轴和Z 轴的负方向偏移了一段距离，由于各刀的对刀过程是手动控制，由系统的反映时间不同，速度的不同两形成了对刀仪的对刀误差。
传感器误差
(1)测头：经过电镀的测头的平面度误差小于0．002mm ，刀尖接触测头的不同点时，对X 轴时反映的误差不大于O ．002mm ，对z 坐标时由于传感器的测头有倾角，所以误差为0．002×Sin220mm 。
(2)套筒：测头在套筒内表面滑动，测头的触发行程内(O．5mm) ，套筒的圆柱度为O ．0015mm ，配合公差为H5/h5，反映到X 轴和Z 轴方向上的误差大约为不大于O ．005mm 。套筒和测头伸出部分的下表面接触，平面度为O ．005，这个环节的误差造不成位置误差，也不形成重复定
位误差，对每一把刀时都存在，所以被抵消了。
(3)弹簧和挡圈形成的误差相对较大，也能影响位置精度形成误差，但它们只是起到固定和限位作用，对同一位置来说，误差重复出现相互抵消，此项误差忽略不计。
(4)传感器主体制造误差，倾斜角度在制造中存在误差，为正负O ．1度，可一旦形成，对所有刀而言倾斜角度都是一样的，也不会造成误差，但在公式计算中，是严格按照22度来计算的，这会存在一定偏差，但这一误差非常小，可以忽略不计。
联接臂误差
联接臂形成的误差主要由两部分形成：第一部分是联接臂的平行度误差，当把联接臂打开时，传感器应严格平行于机床主轴。第二部分是在一次对刀过程中，联接臂因机床振动而形成的位置偏差，这部分的误差相对较小，可以忽略不计。第一部分的误差分析如下：
(1)联接臂打位后的平行度，联接臂打位后由挡块限位，圆螺母锁紧，它的误差主要体现在两个方面：一是在XOZ 面内，联接臂处于工作位置时，联接臂与Y 轴的垂直误差，因为对刀仪的设计与计算是基于严格与机床主轴平行的理想模型而得出的，所以这是误差形成的一个方面；第二个误差因素是在YOZ 面内，联接臂不垂直于x 轴，对刀仪的传感器对坐标的感知因为传感器本体误差形成的误差。
(2)安装传感器过程中形成的误差，联接臂与对刀仪的传感器是通过中间的联接件来联接的，安装过程必然会形成误差。
以上两种误差可以在安装中作反复精细调校而预以修正，经过精
密仪器调校后的误差精度可以达到X 向0.Olmm ，Z 向0.002mm 。
4.4.2 系统误差
系统的反应时间客观存在，这一项误差不可避免，一般数控机床的Pc 程序处理时间为几十毫秒至上百毫秒，乘以车床的进给速度，而车床的进给速度又按预行设计的很慢，所以造成的误差可以忽略不计。
但这一误差存在于各把刀的对刀过程，经分析可知，这一项误差可以抵消。
4.4.3对刀仪的精度
对刀仪的精度取决于车床本体精度，对刀仪传感器的精度、联接臂的精度、另外安装、调校的精度以及环境因素等诸多环节也直接影响对刀仪的精度。总体来说，计其它未知因素的影响，误差做适当放大处理，对刀仪的精度可以达到：X 向0.02mm ，Z 向0.025mm ，满足数控车床系统对对刀仪精度的要求。
结 论
本课题针对数控车床对刀辅助时间长，精度差这一问题，设计了数控车床用自动对刀仪，通过对刀尖位置的精确捕捉运用数控系统自身的测量装置得到了刀尖点的坐标，经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差得出并再存入数控系统，实现了自动对刀，有效地提高了对刀的效率和精度，具有可推广性。可为生产效率的提高，制造成本的降低起到积极的作用。
数控车床的机内接触式专用自动对刀仪国内目前还没有成形产品，没有可供借鉴的材料，本文最大的创新点就是传感器的设计能满足不同车刀对对刀仪的要求。
自动对刀仪操作方便，并有声光信号显示，操作者可直观地感知传感器的触发而进行随后的操作。
本文的最后对自动对刀仪的精度作了精确的分析，在综合考虑各方面因素后，对刀仪可以达到X 向0．02 mm ，Z 向0．025mm 的精度，满足设计要求。
致 谢
本论文是在盛国栋、陈一东老师的指导下完成的。盛老师以广博的学识、严谨的学风给予学生严格的指导和热情的帮助。盛老师给出了论文的研究方向，并就许多方面甚至细节问题提出了指导。导师渊博的学识，严谨的治学态度，投身教育事业的精神，对科研事业的执著追求，坦诚的待人之道，学生将永志不忘。同时也感谢我的同学赵泽滨也对本课题的一起研究。对此表示非常感谢。
本人在此向其他热忱帮助过我的老师及同学们致以诚挚的谢意!
参考文献
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浙江工业职业技术学院
毕业论文
（2016 届）
经济型数控车床的对刀自动化改造
学生姓名
学 号
院 系
专 业
指导教师
完成日期
经济型数控车床的对刀自动化改造
摘 要 本文设计的就是一个能在简易数控车床上使用的自动对刀仪。该对刀仪采用机械触发式传感器，通过控制车刀运动来触发传感器，PLC 把传感器得到的信号传给数控系统，再由系统来进行相应的数据处理。机械触发式传感器与PLC 的输入扩展端的连接线简单，而且易于维护，比用其它的传感器降低了成本。
此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率，x 轴向精度可达到O ．02mm ，Z 向精度可达到O ．025mm 。
本对刀仪适用范围广，可对不同类型的车刀，四个传感器根据所对刀具的不同作了适当的角度调整，将倾斜角度设为220，这是现有的对刀仪不能实现的功能。
采用这种新型的对刀仪，在经济型数控车床上可一次对出4把车刀的位置尺寸。在需要一次对更多把刀时，只要对对刀程序进行适当的修改即可。本对刀仪对刀迅速简捷，一般对4把刀只需几分钟，而且对刀准确，有声光信号显示，使用非常方便，消除对刀者对刀的烦恼，提高数控车床加工效率，具有较高的实用价值。
关键词 数控机床；自动对刀; 刀架；plc 控制电路
目 录
引 言.............................................................. 1
第一章 经济型数控车床的概述....................................... 2
1.1数控机床的发展趋势 ......................................... 2
1.2数控机床的组成和基本原理 ................................... 3
1.2.1数控机床的组成 . ...................................... 3
1.2.2数控机床的基本原理 . .................................. 4
1.3数控机床加工的特点 ......................................... 4
1.4数控机床安全操作规范 ....................................... 5
第二章 数控车床刀架设计........................................... 6
2.1数控车床刀架应满足的要求 ................................... 6
2.1.1动力刀架的整体方案设计 . .............................. 7
2.2 刀架的工作原理 ............................................. 8
第三章 电动刀架PLC 控制电路设计................................... 10
3.1 刀架换刀控制方式的选定 .................................... 10
3.2 PLC控制流程图 ........................................... 10
第四章 自动对刀仪................................................. 11
4.1自动对刀仪方案研究 ........................................ 11
4.2 自动对刀仪工作原理 ....................................... 13
4.2.1概念介绍与刀具位置偏差原因分析 . ..................... 13
4.3 自动对刀仪的分析和设计 ................................... 17
4.3.1 刀具形状分析 ...................................... 17
4.3.2 斜面角度的确定 .................................... 17
4.3.3 传感器表面保护 .................................... 18
4.3.4 弹簧的选择与侧头压力分析计算 ...................... 19
4.4 对刀仪的误差与精度分析 ................................... 19
4.4.1 对刀仪的机械结构误差 .............................. 20
4.4.2 系统误差 .......................................... 23
4.4.3对刀仪的精度 . ....................................... 23
结 论............................................................. 24
致 谢............................................................. 25
参考文献........................................................... 26
引 言
为满足用户对加工精度和效率越来越高的要求，很多数控机床生产厂家及用户都希望在其机床上配备各种加工精度监测设备，在机床上使用测量装置进行自动测量，直接对刀具位置进行测量，并根据测量结果自动修正刀具的偏置量，使同样的机床能加工出更高精度的零件。
本课题针对数控车床对刀辅助时间长，精度差这一问题，设计了数控车床用的自动对刀仪，来对经济型数控车床的对刀自动化改造。自动对刀仪可以通过对刀尖位置的精确自动捕捉，而后运用数控系统本身的测量装置得到刀尖点的坐标数据，并经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差比较得出数据，而后再一并存入数控系统之中，实现了数控车床的自动对刀过程，有效地提高了工作人员在操作数控车床时的对刀的效率和精度，十分具有可行性和可推广性。可为工作的生产效率的提高，制造成本的降低起到至关重要和积极的作用。
此外，本对刀仪并不要求对数控系统进行更改，只需要在对刀时调用事先输入的对刀程序，并运行它即可。在所有刀具对完之后，刀补值会自动存入数控系统。此外，用本对刀仪对刀过程中，只需很少的人工操作，达到了一定的自动化程度，提高了对刀的精度与效率。
第一章 经济型数控车床的概述
1.1数控机床的发展趋势
1. 高速、高效、；高精度；高可靠性
高速、高效：向高速化方向发展，充分发挥现代刀具材料的性能，不但可以提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。
高精度：从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。
高可靠性：是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，受性能价格比的约束。
2. 模块化、专门化与个性化；智能化；柔性化和集成化
模块化、专门化与个性化：机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。
智能化：智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：一是为追求加工效率和加工质量方面的智能化；二是为提高驱动性能及使用链接方便方面的智能化；三是简化编程、简化操作方面的智能化；四是智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。
柔性化和集成化：柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及
产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
3. 开放性
4. 出现新一代数控加工工艺与设备
1.2数控机床的组成和基本原理
1.2.1数控机床的组成
（1）机床主体
数控车床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通车床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。
（2）数控装置
数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU 、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。
（3）输入/输出设备
键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串行通信的方式输入。
（4）伺服单元
伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置
的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
（5）驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
1.2.2数控机床的基本原理
数控机床与普通机床相比，其原理的不同之处在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。
数控机床加工零件，首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序；然后将所编写程序指令输入到机床的数控装置中；再后数控装置将程序（代码）进行译码、运算后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。
1.3数控机床加工的特点
1、适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件
2、加工精度高，产品质量稳定
3、自动化程度高，劳动强度低
4、生产效率高
5、良好的经济效益
6、有利于生产管理的现代化
1.4数控机床安全操作规范
1、遵守机床工一般安全操作规程，按规定穿戴好劳动防护用品。
2、开车前检查刀具补偿数字是否正确。
3、各手柄相对位置应符合对刀图的要求。
4. 工具或其他物品不许放在电钮盘，阅读器附近。
5、各部电路要有良好绝缘，控制卡紧装置的继电器应经常检查，防止工件甩出。
6、原有机床上附加数控装置, 应把原有手柄拆掉或加保险弹簧，避免在程控和手动并存情况下，运动机件突然转动伤人。
7、打开强电箱，接通稳压器电源，并检查个电源电压是否正常。
8、启动油泵，空运行2～3次，观察显示的数字是否符合程序的要求。
9、按下预清及环行预清按钮，然后启动驱动箱。
10、检查油压卡盘，工件安装是否可靠。
11、有手动对原点位置，放好百分表后工作。
12、工作后依次关闭驱动数控箱、稳压电源，最后关闭驱动箱和强电源。
第二章 数控车床刀架设计
2.1数控车床刀架应满足的要求
1. 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。
2. 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。
3. 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。
4. 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。
5. 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应
尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。
6. 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力。
2.1.1动力刀架的整体方案设计
刀架是车床的重要组成部分，加工中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行加工，用于夹持加工用的刀具, 因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。
各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围
2.2 刀架的工作原理
回转刀架的工作原理为机械螺纹升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。
1、 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置驱动蜗杆蜗轮机构蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转 ,此时由于上下齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘松开并抬起, 直至两定位齿盘脱离啮合状态, 从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。
2、刀架转位 当圆套逆时针转过150°时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。
3、刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或
270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通, 当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后, 霍尔开关反馈信号使电机反转, 插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。
4、刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。
第三章 电动刀架PLC 控制电路设计
3.1 刀架换刀控制方式的选定
数控刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，另一种是通过T 指令进行自动换刀。手动换刀是指将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择。T 指令换刀是直接通过编程刀号作为目的刀位进行换刀。为了快捷方便，选择T 指令换刀。
3.2 PLC 控制流程图
第四章 自动对刀仪
4.1自动对刀仪方案研究
自动对刀仪是利用数控车床外加的监控检测设备利用数控车床自身的位置测量系统来进行工作的。总体来说，它虽然是附属于数控车床，为提高车床加工的精度和效率而设计的，但作为一套独立的仪器，关于数控车床用自动对刀仪的研究设计方案应包括对刀原理的研究与实现、精密机械部分、电气控制部分、自动对刀仪的操作方法、误差与精度分析等部分。
机械部分是自动对刀仪的主体部分，它主要包括传感器的设计与联接臂的设计，其中传感器的设计尤其关键，要求它能适应内孔车刀、端面车刀、螺纹刀、外圆车刀等不同刀具和不同刀偏角的刀具；另外，传感器表面要有硬度要求，不能因为频繁的撞击表面产生小的凹坑，影响对刀仪的精度，当然，我们也可以对传感器的测头进行修磨；传感器应保证应有的精度要求；传感器的结构设计合理，重量不能太大且安装方便，适合刀具的对准与操作。
电气控制部分主要包括接口电路的设计，对刀仪在刀具接触到传感器后应有声光信号显示，以便操作者进行及时的操作，传感器的触发信号要能准确地反映到数控系统：要对刀补值算法的获得进行算法研究，根据算法进行参数化编程以获取刀尖点的信息并分析计算刀补值。
操作方法要求给出具体的操作步骤，根据对刀仪的工作原理及实
际特点，按照对刀的操作规程，用户可以方便地对数控车床进行对刀；应给出对刀过程的注意事项，以免操作错误，影响加工生产。
自动对刀仪的开发设计工作完成之后，要对其进行多方位的误差与精度分析，分析产生误差所有可能的来源并对精度作出分析，校验其可行性。
自动对刀仪开发设计的总体方案如图所示：
自动对刀仪开发设计的总伴方案示意图
4.2 自动对刀仪工作原理
所谓对刀，就是在数控车床进行切削加工之前需要确定每一把刀具的刀位点在工件坐标系和数控车床坐标系中的位置。
4.2.1概念介绍与刀具位置偏差原因分析
因为对刀仪是建立在车床自身系统测量的基础之上的，数控车床的加工是由程序控制完成的，所以坐标系的确定与使用非常重要。根据IS0841标准，数控车床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控车床平行于主轴方向即纵向为z 轴，垂直于主轴方向即横向为X 轴，刀具远离工件方向为正向。下面对这些概念逐一分析：
（1）数控车床坐标系与数控车床参考点，数控车床坐标系是指以机床原点为坐标原点所建立的坐标系，数控车床的机床原点通常取在卡盘前端面与主轴中心线交点处，一般机床原点在数控车床出厂前由生产厂家已经调整好，不允许用户随意变动。数控车床参考点是指刀架上某一固定点，即对刀参考点退离距机床原点O 最远的一个固定点R 点，该R 点在机床出厂时也由生产厂家调试好，并将数据输入到数控系统中。因此机床参考点R 对机床原点O 的坐标是一个已知数，一个固定值。一般对刀之前，必先使数控车床进行“回零”操作(即使刀架返回参考点操作) ，就是使刀架上对刀参考点与机床参考点R 重合。此时CRT 屏幕上显示值X 、Z 即为机床参考点R 相对于机床原点O 点在X 方向和Z 方向的值。此时，若再次对机床进行手动操作时，例如，使
刀架向工件靠近时，此时CRT 屏幕上显示值为刀架上对刀参考点相对于机床原点0点在X 向、Z 向上的值(即对刀参考点在机床坐标系中的坐标值X 、Z) 。数控车床参考点R 点的位置由设置在机床Z 向和X 向滑板上的机械挡块通过行程开关来确定，刀架返回参考点时由挡块压下相应行程开关向数控系统发出信号，即停止滑板运动，完成返回参考点操作。
（2）工件坐标系与起刀点，工件坐标系(又称为编程坐标系) 是指以工件原点(或称编程原点) 为坐标原点所建立的坐标系。编程坐标系供编程用，是人为设置的。工件原点可以是工件上任意点，但为了编程，方便数值计算，一般数控车床编程原点选工件右端面或左端面与中心线交点作为工件原点，数控编程时应首先确定工件坐标系。起刀点(又称程序起点) 即刀具刀位点相对工件原点OP 的位置，即刀具相对于工件运动的起始点，工件坐标系的建立实际上是确定刀具起刀点相对于工件原点的坐标值的过程。目前数控车床上建立工件坐标系的方法一般用相应的G 指令来设定。当工件坐标系建立以后，并未与机床坐标系发生任何联系，此时，两者仍然相互独立，数控系统既不知道工件在机床中的位置，也不知道刀具刀位点在机床中的位置，即无法按所编程序正确加工，因此加工之前，还必须确定刀具刀位点与机床坐标原点0之间的关系，即一般加工之前通过对刀方法来实现。
本次对刀仪的设计使用的是NUM 数控系统，现将NUM 数控系统坐标变换简单介绍如下：当CNC 上电时，没有测量起点可用于计算轴的运动。在执行任何程序编制的运动前必须对系统进行初始化(各轴回原
位) ，回原位过程将给CNC 系统提供用于编程运动的坐标系统。如果回原位过程没有完成，则只能进行点动操作。系统通过一个回原位过程建立一个测量起点OM(原位开关被安置在一个特定的物理位置上) 。每个轴的回原位过程是这样完成的：在由车床或数控系统制造厂商定义的运动方向上(测量起点设置方向) 激活起始限位开关，数控系统的处理器能计算所有相对于机床起点或零点的位移量，在回原位(测量起点设备) 过程完成后，系统将由制造厂商定义的每个轴的坐标变换值应用到每个轴上以建立测量起点(OM)脚、明。为了写一个零件程序，编程者必须定义一个程序起点，该点通常也是零件图上的尺寸测量起点。
如图所示
：
X 轴上的坐标变换值
Z 轴上的坐标变换值
(3)刀具位最补偿。下列三种情况下，均须进行刀具位置的偏置补偿：一是在实际加工中，通常是各把不同位置的若干把刀具(即各把刀具的刀尖在刀架上相对于某固定点的位置各不相同) 加工同～轮廓尺寸的工件，而编程时往往都建立统一的坐标系，要求使所有的刀尖都移到坐标系中的一个基准点上，或者以一把刀为基准设定工件坐标系，因此须将其余刀具的刀尖都偏移到此基准刀尖位置上。利用刀具位置补偿即可完成：二是对同一把刀具而言，当刀具重磨或更换新刀后，再把它准确地安装到程序所设定的原位置，是非常困难的，总是存在位置误差，这个位置误差在实际加工后即成为加工误差，此时，需通过刀具位置补偿功能来修正刀具安装位置误差；三是每把刀具在使用过程中都有不同程度的磨损，而磨损后的刀失位置与编程位置存在差值，同样会造成加工误差，这种误差也可通过刀具位置补偿功能来纠正。
4.3 自动对刀仪的分析和设计
4.3.1 刀具形状分析
本设计中考虑车刀的种类主要有：外圆车刀、端面车刀、螺纹车刀、内孔车刀。车刀形状不同，传感器的设计须兼顾各种情况。在x 向，用平行于Z 轴的平面传感信号，所有车刀刀尖都可碰到。但Z 向不同，用平行于X 轴的平面传感器信号，有的车刀(如螺纹车刀) 最先接触的不是刀尖点，所以考虑将这一面做成斜面。
一般车刀主要有450弯刀，450～750偏刀、900偏刀、切断刀、端面车刀、内孔车刀，如图所示：
刀具傍角示意图
4.3.2 斜面角度的确定
一般来说，加工情况不同，刀具的主偏角也应作一些调整，见表： 常用刀偏角
由以上的刀偏来分析，对刀仪的设计很难适用于所有刀具，只能是在保证能达到精度要求的情况下，尽量的来扩大应用的范围。现设计传感器的弹性接触表面的倾斜角度为22度，这样对于主偏角为23度以上外圆车刀、端面车刀、切断车刀、内孑L 车刀及螺纹车刀都可以应用。
4.3.3 传感器表面保护
在由机床或数控系统制造厂商定义的运动方向上(测量起点设置方向) 激活起始限位开关，建立钡4量起点。在手动状态下控制刀具去接触传感器，刚开始机床快速运动，快要接近传感器时必须将速度降下来，慢速轻触传感器(速度大约为2-3cm ／min) 。这些动作可以人为控制，没有必要自动控制刀具轨迹，因为刀具不一样，很难实现自动控制，并且只需很短时间，所以这样做是可行的。
从上面论述可知，对于与刀尖直接接触的测头， 必须具有缓冲作用，允许刀具有一定的过冲量，刀具轻触测头的瞬间，测头会顺着刀具方向行进微小距离，这段距离与数控机床的脉冲当量有关，也与信号传输与对刀自动控制程序的运行周期时间长短有关。设计传感器时，对测头的精度和硬度要求非常高(镀铬) ，同时由于测头顺着刀具方向滑行，所以要求其导向精度也较高，设计时采用套筒式导向，虽存在反复定位问题，但没有太大影响，测头接触刀尖形成过冲时，测头内设的一组弹簧会起到缓冲作用，要注意弹簧的选择。弹性模量太大，可能会损伤传感器表面或刀尖；太小又容易受到机床自身振颤等外晃因素的干扰嗍。一般来说，弹簧是不能保证定位精度的，但测头
运动时限制其自由度的是套筒，定位方式己形成，弹簧只是起到顶位与缓冲的作用，还是可以的。
4.3.4 弹簧的选择与侧头压力分析计算
当刀尖触至n 传感器的测头表面时，传感器还未被触发，机床进给并未停止，当刀尖继续行进O.5mm 时，传感器触发，机床停止，但刀尖顶着测头在压力下行进一段距离。经实际测算，刀尖的面积大约为0.3～0.5mm 2。由于机床有振动，弹簧要有一定的预紧力，设计时初步定为1N ，以后这个参数可以根据实际情况进行修改，只要将弹簧改变就可以了。现按设计弹簧弹性系数为6N ／cm ，测头顶位弹簧为三个，绝缘块顶位弹簧也为三个。这两种弹簧是串联方式。
经测试，这个压力对经过镀铬的测头表面不会造成损伤，是可行的。
4.4 对刀仪的误差与精度分析
自动对刀系统作为一台或多台简易数控车床的测量子系统使用，其实际所能达到的测量精度与所配数控系统的最小脉冲当量、机床传动系统误差、对刀传感器的几何形状、对刀臂的精度、加工精度和装配质量、环境以及测量方法等因素有关。
1、测量传感器的几何形状和加工精度。本传感器采用了4个测头分别用于测量外圆、内孔和端面等车刀刀位点的坐标，这样可以使车刀因Y 向安装位置偏差而造成的测量误差得到补偿。将4个测头得到的刀具坐标值数据输入到带掉电保护的数据存储单元中供软件使用，则
很大程度上又避免了其加工精度对测量的影响。
2、机床传动系统误差和测量方法的影响在整个对刀过程中可人为控制，以消除机床传动间隙的影响(如退6mm 进2mm) 。当刀架上各车刀都对刀完毕后，再重对一遍各刀具，又得一组刀位数据，该数据再与前组数据一一对应求平均值(通过均值键由软件求得) ，则所得的均值数据又在一定程度上消除了安装及旋转误差对测量的影响，从而提高了对刀精度阳。
3、传感器的材质及过冲量的影响传感器对刀圈可采用20号钢表面镀铬制成，当刀尖慢速碰顶传感器时会留下微小刀痕，当刀痕在传感器圆周上过密、过深时就须对其进行修磨(修磨后需重新修改参数a) 。虽然刀尖对传感器的外表面存有一定的过冲量，但该过冲量又可补偿车刀因承受车削力而产生的让刀变形量。当对刀仪采用上述提高精度的措施后，有效地提高了精度。尽管由于刀尖角度和修磨圆弧在锥面上对刀从原理上存在误差，但对于被加工零件相应坐标加工精度都要求较低这一事实来说，其对刀精度是可以满足大部分零件半精加工要求的。
4.4.1 对刀仪的机械结构误差
影响对刀仪精度的参数。在进行误差分析之前，首先要给出几个影响对刀仪精度的参数。
（1）进给速度：控制刀尖的运动开始可以较快的速度进给，快触及传感器的时候(剩2-3mm) ，应该降低速度，将速度控制在2-3cm ／min ，慢慢地接近传感器。
（2）触发距离：刀尖碰到传感器测头时，对刀仪并没有触发，而是当它行进到一定距离(设计此距离为O ．5mm) ，电路才能导通，传感器开始工作，进给停止，这也是为了避免传感器因其它因素引起不必要的触发。
（3）系统的反映时间：指程序中认定的接触瞬间到真正实现动作。进给停止的时问。它包括两部分，第一部分指的是程序的反映时间，第二部分指的是进给电机接收到停止指令到真正停止所需的时间。传感器触发时，系统接收到信号，再反馈给进给系统，进给停止。程序设计时捕捉到的点是停车时的点，而不是真实的刀位点，因为系统无法同时处理进给运动和程序监测指令。当我们按照要求按CYCLE 键时，系统才将此时的X 坐标和Z 坐标捕捉到并记录下来，而这个点并不是真实的刀尖点，比真实点在X 轴和Z 轴的负方向偏移了一段距离，由于各刀的对刀过程是手动控制，由系统的反映时间不同，速度的不同两形成了对刀仪的对刀误差。
传感器误差
(1)测头：经过电镀的测头的平面度误差小于0．002mm ，刀尖接触测头的不同点时，对X 轴时反映的误差不大于O ．002mm ，对z 坐标时由于传感器的测头有倾角，所以误差为0．002×Sin220mm 。
(2)套筒：测头在套筒内表面滑动，测头的触发行程内(O．5mm) ，套筒的圆柱度为O ．0015mm ，配合公差为H5/h5，反映到X 轴和Z 轴方向上的误差大约为不大于O ．005mm 。套筒和测头伸出部分的下表面接触，平面度为O ．005，这个环节的误差造不成位置误差，也不形成重复定
位误差，对每一把刀时都存在，所以被抵消了。
(3)弹簧和挡圈形成的误差相对较大，也能影响位置精度形成误差，但它们只是起到固定和限位作用，对同一位置来说，误差重复出现相互抵消，此项误差忽略不计。
(4)传感器主体制造误差，倾斜角度在制造中存在误差，为正负O ．1度，可一旦形成，对所有刀而言倾斜角度都是一样的，也不会造成误差，但在公式计算中，是严格按照22度来计算的，这会存在一定偏差，但这一误差非常小，可以忽略不计。
联接臂误差
联接臂形成的误差主要由两部分形成：第一部分是联接臂的平行度误差，当把联接臂打开时，传感器应严格平行于机床主轴。第二部分是在一次对刀过程中，联接臂因机床振动而形成的位置偏差，这部分的误差相对较小，可以忽略不计。第一部分的误差分析如下：
(1)联接臂打位后的平行度，联接臂打位后由挡块限位，圆螺母锁紧，它的误差主要体现在两个方面：一是在XOZ 面内，联接臂处于工作位置时，联接臂与Y 轴的垂直误差，因为对刀仪的设计与计算是基于严格与机床主轴平行的理想模型而得出的，所以这是误差形成的一个方面；第二个误差因素是在YOZ 面内，联接臂不垂直于x 轴，对刀仪的传感器对坐标的感知因为传感器本体误差形成的误差。
(2)安装传感器过程中形成的误差，联接臂与对刀仪的传感器是通过中间的联接件来联接的，安装过程必然会形成误差。
以上两种误差可以在安装中作反复精细调校而预以修正，经过精
密仪器调校后的误差精度可以达到X 向0.Olmm ，Z 向0.002mm 。
4.4.2 系统误差
系统的反应时间客观存在，这一项误差不可避免，一般数控机床的Pc 程序处理时间为几十毫秒至上百毫秒，乘以车床的进给速度，而车床的进给速度又按预行设计的很慢，所以造成的误差可以忽略不计。
但这一误差存在于各把刀的对刀过程，经分析可知，这一项误差可以抵消。
4.4.3对刀仪的精度
对刀仪的精度取决于车床本体精度，对刀仪传感器的精度、联接臂的精度、另外安装、调校的精度以及环境因素等诸多环节也直接影响对刀仪的精度。总体来说，计其它未知因素的影响，误差做适当放大处理，对刀仪的精度可以达到：X 向0.02mm ，Z 向0.025mm ，满足数控车床系统对对刀仪精度的要求。
结 论
本课题针对数控车床对刀辅助时间长，精度差这一问题，设计了数控车床用自动对刀仪，通过对刀尖位置的精确捕捉运用数控系统自身的测量装置得到了刀尖点的坐标，经过计算将不同刀具相对于标准刀的位置偏差得出并再存入数控系统，实现了自动对刀，有效地提高了对刀的效率和精度，具有可推广性。可为生产效率的提高，制造成本的降低起到积极的作用。
数控车床的机内接触式专用自动对刀仪国内目前还没有成形产品，没有可供借鉴的材料，本文最大的创新点就是传感器的设计能满足不同车刀对对刀仪的要求。
自动对刀仪操作方便，并有声光信号显示，操作者可直观地感知传感器的触发而进行随后的操作。
本文的最后对自动对刀仪的精度作了精确的分析，在综合考虑各方面因素后，对刀仪可以达到X 向0．02 mm ，Z 向0．025mm 的精度，满足设计要求。
致 谢
本论文是在盛国栋、陈一东老师的指导下完成的。盛老师以广博的学识、严谨的学风给予学生严格的指导和热情的帮助。盛老师给出了论文的研究方向，并就许多方面甚至细节问题提出了指导。导师渊博的学识，严谨的治学态度，投身教育事业的精神，对科研事业的执著追求，坦诚的待人之道，学生将永志不忘。同时也感谢我的同学赵泽滨也对本课题的一起研究。对此表示非常感谢。
本人在此向其他热忱帮助过我的老师及同学们致以诚挚的谢意!
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