数控铣床对刀仪的设计和应用
摘要：设计一款适合设置数控铣床和加工中心零点偏置值的对刀仪，能够完成 X、Y、Z 共 3 个坐标轴方向零点偏置值的设定，利用闭合回路原理，对刀仪具有警示装置，当对刀仪与工件接触时，警示装置会发光进行提示。
关键词：数控铣床；对刀仪；刀具偏置
0 引言
CNC 铣床加工工件前，首先需要设定工件坐标系零点偏置值，就是设定工件坐标系零点在机械坐标系里的 X、Y、Z 坐标值[1]。虽然确定工件坐标系零点偏置值的方法多种多样，但可归纳为两类：
（1）用刀具和垫块设定零点偏置值。
（2）用专业对刀工具确定零点偏置值[2]。
用刀具和垫块确定零点偏置值时，要使刀具逐渐接近工件，在刀具和工件之间距离接近垫块厚度时，中间放置垫块，反复拉动垫块，凭着操作者的感觉判定刀具、垫块、工件完全接触时，设定工件坐标系零点偏置值。这种方法非常考验操作者的经验与技巧，花费时间较多且精度不高，操作不当时就会引起撞刀的风险，从而增加维修成本。用专业对刀工具确定零点偏置值虽然比较方便和安全，但现有的专业对刀工具功能比较单一，只能完成 X、Y 坐标值零点偏置值设定和 Z 坐标值的零点偏置设定之中的一项，如要完成所有坐标的零点偏置值的设定，需要更换不同的对刀工具，花费时间较多；另外专业对刀工具价格比较昂贵，对机床性能要求较高，一般的数控铣床难以达到要求，需要对机床进行升级改造，成本较高，不适合一些中小
企业采用。
设计一款对刀仪，能够同时完成 X、Y、Z 坐标值的零点偏置值，结构简单，成本低廉，操作方便，精度较高，能够满足数控铣床和加工中心设定工件坐标系零点偏置值的问题。
1、数控铣床对刀仪结构设计
1.1 总体结构设计
该数控铣床刀仪主要包括两部分，分别为夹头和指示器。其中，夹头主要包括卡爪、筒形外壳和夹头芯，卡爪的中心位置设置有夹持空间，夹持空间用于夹持刀具；指示器主要由连接轴、绝缘套、电池、发光二极管、弹簧、指示管、连接杆、触头等组成。指示管内部有电源和发光装置，指示管侧壁上设置有透光孔，通过此孔可观测到发光装置是否发光；连接轴与电源连接，电源与发光件连接；发光件与触头连接，且触头与夹持空间同轴设置[3]。
设定工件坐标系零点偏置值时，把夹头体的卡爪夹持安装在机床上的刀具上，且指示器的触头与工件接触时，组成闭合回路，指示器的发光件能够发光，达到对刀的目的。精操作简便，安全可靠。
1.2 指示器结构设计
指示器主要包括连接轴、绝缘套、电池、发光二极管、弹簧1、指示管，连接杆、弹簧 2、触头组成。指示器的下端为球形的触头，球头通过弹簧固定在连接杆底部的弧形孔内，径向受力时能够左右摆动，撤去外力时，能够恢复原状，当触头侧面接触工件时，能够缓冲工件对数控铣床对刀仪作用力，避免引起对刀仪的变形和损坏，导致对刀仪精度下降。触头的材料为具有高硬度和耐磨性的金属导体，避免触头经常接触工件导致磨损，使触头的尺寸变化，又能作为导体进行导电。
连接杆的整体外形为 T 形台阶轴状，中间有台阶孔，大孔安放弹簧、小孔连接导线；T 形直径较大的圆柱面位于指示管内部圆柱孔内，采用 IT5～IT7 级的 H/g 较小的间隙配合方式，较大的圆柱上面安装有压缩弹簧，使连接杆始终固定在指示管下端的卡口上，在轴向受力时，能够上下滑动，外力消除时恢复原状。当对刀仪下端的触头接触工件的上表面时，使连接杆能够往上移动，缓冲工件对对刀仪的作用力，防止对刀仪变形或损坏（图 1）。
图 1 对刀仪和指示器
弹簧的上端为透明绝缘管，透明绝缘管里安装发光二极管和 CR1025 电 池 ，发光二极管的正负极用导线分别连接着触头电池，当发光二极管和电池之间形成闭合回路时，发光二极管就会亮起。电池的上端连接着连接轴的接触柱，连接轴固定在绝缘圈的中间孔内，用普通三角细牙螺纹连接，连接轴上端通过螺纹旋入进夹头一端的螺纹孔内，进行位置固定[4]。
1.3 夹头结构设计
夹头体由夹头芯、锥形螺纹圈、卡爪、筒形外壳组成[5]。钻夹芯上有卡爪容纳孔、锥形螺纹圈容纳槽。卡爪螺纹端安装在钻夹芯上的卡爪容纳孔里，与钻夹芯上的容纳槽里的锥形螺纹圈通过螺纹连接，3 根卡爪的不带螺纹端组成夹持空间，用来夹持刀具，锥形螺纹圈由两个半圆圈组成一个整圆圈，嵌入锥形螺纹圈容纳槽里。钻夹芯外面镶嵌着筒形外壳，筒形外壳与锥形螺纹圈之间采用较小的过盈 H7/p6 配合，能够传递力矩。旋转筒形外壳时，带动锥形螺纹圈转动，锥形螺纹圈带动卡爪伸缩，使卡爪之间的容纳孔大小发生变动，便于安装不同直径大小刀具和锁紧刀具。筒形外壳与钻夹芯之间除去与锥形螺纹圈连接部分外，筒形外壳与钻夹芯之间能够相对转动，没有特殊的配合要求，采用较大间隙的 H9/d9 公差配合，夹头结构如图 2 所示。
图 2 夹头结构
2、数控铣床对刀仪使用方法
以 FANUC Series Oi Mate 数控铣床为例，介绍数控铣床对刀仪的使用方法（图 3）：旋转数控铣床对刀仪的筒形外壳，使 3个卡爪之间的容纳孔增大，把刀柄上的刀具深入到 3 个卡爪之间的容纳孔内，使刀尖与容纳孔的底部接触，然后在反方向旋转数控铣床对刀仪的筒形外壳，卡爪伸出，容纳孔变小，使对刀仪和刀具的相互位置固定。
图 3 对刀仪安装
设定 Z 轴方向零点偏置时，操作数控机床，使对刀仪的触头逐渐接近工件零点上表面，当对刀仪的警示亮起时，在数控铣床操作面板上按“OFFSET”按钮，找到零点偏置设定界面，在缓冲区输入数控铣对刀仪的固有长度值，按“测量”按钮或读出此时机床显示的机械坐标值，与对刀仪的固有长度值相加，把所得数值输入到零点偏置设定界面，就完成 Z 轴零点的偏置设定。
设定 X 轴方向零点偏置时，操作数控机床，使对刀仪的触头逐渐接近工件的 X 轴方向的侧表面，当对刀仪的警示亮起时，在零点偏置设定界面的缓冲区输入对刀仪在工件坐标系里的坐标值，按“测量”按钮，完成 X 轴方向零点的偏置设定。Y 轴方向的零点偏置设定方法与 X 轴方向零点偏置设定方法相同[6]。
3 、数控铣床对刀仪工作原理
当触头与工件接触时，电流会从指示器内部的电池正极流出，经过连接轴，到达对刀仪的夹头部分，夹头连接着刀具，刀具安装在刀柄上，刀柄安装在机床上，机床上固定着工件，工件接触触头，触头连接着连接杆，连接杆通过导线连接着发光二极管的正极，发光二极管负极通过导线连接着电池负极，形成一个封闭的回路、使二极管亮起，触头离开工件时，电路断开、发光二极管灭掉。控制电路原理如图 4 所示。
图 4 电路原理
4、结束语
为了解决数控铣床零点偏置设定问题，设计一款数控铣床对刀仪，能够完成数控铣床工件坐标系零点在 X、Y、Z 轴方向零点偏置值设定，同时介绍对刀工具的使用方法。该数控铣床对刀仪主要包括夹头和指示器，指示器装有纽扣电池作为电源，装有发光二极管作为警示装置。当设定铣床零点偏置时，使用夹头上的卡爪把对刀仪固定在铣床刀具上，当对刀仪的触头接触工件时，机床、工件、刀具、对刀仪组成一个闭合回路，警示装置发光，在数控铣床的零点偏置界面里输入刀具在机械坐标系里的坐标值，完成数控铣床零点偏置设定。使用该对刀仪能有效节约零点偏置设定时间，提高生产率，因为对刀仪里面有弹性装置，避免操作不当撞刀的危险，降低维修成本，结构简单，操作方便。
基金项目：山东华宇工学院 2019 年校级科研平台：数控刀具制造工艺技术研发中心；德州市企业研发计划项目：数控铣床用对刀装置研究与实践（DZSKJ202008）
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