数控车床加工坐标系自动校准技术的研究

[摘 要]文章中提及的自动校准技术是指数控车床已具备在位测量技术和对刀仪设备，并依托数控系统将两者相结合。通过编写相关程序固化对刀操作流程，使用对刀仪将加工刀具特征点进行测量并固定在数控机床某一特征点位中，依托在位测量技术来探测产品基面至数控机床对刀仪基准点位具体距离，在数控系统参数中通过反向读取两者距离后写入数控系统参数，以此完成坐标系自动校准过程。通过使用加工坐标系自动校准技术，既可保证对刀精度稳定，又可以减少人为操作错误导致机床撞击事故等问题的发生。

[关键词]对刀操作；加工坐标系；自动校准

[中图分类号]TM75 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0156–03

Research on the Automatic Calibration Technology of CNC Lathe Machining Coordinate System

MU Lin，TIAN Dongning

[Abstract]The automatic calibration technology mentioned in this paper refers to the CNC lathe has the in-place measurement technology and the knife instrument equipment， relying on the CNC system will combine the two. By writing related program curing to the knife operation process， using the machining tool characteristic point， relying on the field measurement technology to detect the product surface to the CNC machine tool to the specific distance， in the CNC system parameters by reverse reading the distance written to the CNC system parameters， in order to complete the automatic calibration process of coordinate system. By using the automatic calibration technology of machining coordinate system， it can ensure the stable knife accuracy and reduce the occurrence of machine tool impact accident caused by human operation error.

[Keywords]knife operation； machining coordinate system； and automatic calibration

1 坐标系自动校准技术准备

在数控车床加工产品时，为确保机床加工精度可控，工作人员需在加工前手动操作机床，使用数控刀具试切产品基面，建立工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系，即对刀操作。对于在数控车床刀塔上安装多把刀具而言，每把刀具的特征点在机床坐标系中的位置都存在偏差，且偏差值无法准确测量，需要工作人员对刀来消除每把刀具的相对误差。传统对刀操作大多采用试切法，每一把刀具对产品基面都要进行试切、工件尺寸测量、计算并输入补偿值等操作，不仅对机床操作人员技能技术水平要求较高，每次更换产品和刀具都要重复上述操作过程。因此，对刀是占用数控车床辅助时间最长的操作，且人为带来的随机性误差大，已经适应不了现代化数控车削任务的节奏，更不利于发挥数控车床高精度、高效率的特点。如何准确、快速地完成对刀操作，提高对刀精度，缩短加工前的准备时间，称为生产企业攻克的主要难题。虽然已有较多的企业厂商在机床内安装对刀仪优化对刀过程，但从实际使用效果来看，使用对刀仪将刀具点位统一后仍然需要进行手动试切校准坐标系，需要操作人员具备较高的机床操作能力。

1.1 对刀仪对刀原理及对刀仪基准点位偏置方法

1.1.1 对刀仪对刀原理

对刀仪根据安装结构分为机内测量与机外测量，根据刀具测量方式可分为接触式对刀仪和非接触式对刀仪。其相同点是测量数控刀具切削刃径向和轴向尺寸的测量仪器。接触式对刀仪由1个高精度触点开关、1个硬质合金体（加工中心常用为圆柱形，数控车床常用四边形）及1个数字信号快速传递接口组成。其操作过程如下：①控制刀具刃口部位触碰对刀仪硬质合金工作面，通过支撑杆将触碰力传送至高精度触点开关。②当触点开关产生位移后将数字信号发送给数控系统，以此完成对刀具的测量和对各项指标（识别、运算、补偿、存取）的处理。

接触式对刀仪传感器在机床内的安装位置是固定的，通过预设参数将对刀仪测量面的位置坐标输入到数控系统中。对刀仪坐标点位主要参考机床坐标系并计算每把刀具特征点位在机床坐标系中的偏置量，将加工所需刀具全部建立在一个固定点位中，简化试切过程。接触式对刀仪具体工作流程如下。

（1）数控车床各移动轴（x轴、z轴）在返回机床坐标原点之后（回零操作），数控系统建立机床坐标系原点和对刀仪测量原点。目前，已有较多的数控机床配备绝对编码器，开机后无需回零操作数控系统就能建立机床坐标原点。

（2）使用手动模式控制刀具移动至对刀仪测量面附近（10 mm位置为宜），在MDI模式下使用G指令控制刀具按照指定路径触碰对刀仪测量面，当刀具刃口接触对刀仪测量面之后，数字传感器发出信号给数控系统，数控系统控制运动轴回退一定距离再重新触碰对刀仪测量面，对刀仪传感器把再次接收到的信号发送给数控系统，并极为迅速、准确地控制该轴伺服机构停止运动，以此获得较高的位置坐标数值。

（3）数控系统提取该位置的坐标数据，并写入数控系统刀补参数，数控系统自动计算对刀仪刀位点相对机床坐标系原点的具体距离，确定初始偏置量并写入刀具偏置参数，完成刀具刃口部位的测量。

（4）使用对刀仪可以获得全部加工所需刀具偏置距离，同时也将全部刀具特征点建立在对刀仪测量点位中，使用手动模式控制基准刀具对产品表面完成试切工作，将试切信息输入工件坐标偏移参数，即可完成全部刀具的对刀工作。

通过对刀仪可以在较短时间内完成刀具基准的统一，提高试切校准精度。同时，分析、总结上述操作过程可以得出，数控车床上对刀仪设立的坐标点位均为虚拟坐标点位，使用对刀仪将加工所需全部刀具进行校准并保存在对刀仪虚拟点位中。在产品加工前，需要使用一把基准刀具对产品基面进行试切，将对刀仪虚拟坐标点位偏置在工件坐标系中，以此完成坐标系的偏移与校准。

1.1.2 对刀仪基准点位的偏置

为了更好的完成对刀仪基准点位的偏置，文章按照延边大学朴成道等4人2014年发表在《机床与液压》期刊中《对刀仪在数控车床上的应用方法》的方法进行坐标偏移，具体偏移方法引用如下：①隔周第一参考位置机床坐标系下的坐标值参数1 240：x=0，z=0；②进行自动坐标系设定时的参考位置的坐标参数1 250：x=xO，z=zO；③假设测量xO和zO的结果分别为352.875 mm和371.856 mm，则给参数1 250的x和z分别键入x=352.875，z=371.856；④每个轴存储的冲程检查1的正方向边界的坐标值参数1 320：x=5000，z=5000；⑤每个轴存储的冲程检查1的负方向边界的坐标值参数1 321：x=xO+△x，z=zO–△z（△x和△z的值根据机床具体型号而定），坐标系偏置示意如图1所示。通过上述方法已将对刀仪基准点位偏置在工装夹具端面中心。

1.1.3 检验对刀仪重复测量刀具时精度的稳定性

为检验对刀仪重复测量刀具时的精度稳定性，针对常用的3种数控车刀SVJCL2020K11型、S16MSCFCL09型内孔数控刀具及DSKNL2020K12型数控刀具对刀仪进行测量。使用对刀仪对刀指令G224_ T1_H5-H8，针对上述3种刀具特征点进行测量，每种刀具测量x向、z向两个特征点共计6次。测得数据见表1。

由表1可知，同一把刀具在重复测量时最大偏差在0.004 mm，均值在0.002 mm，因此对刀仪的测量精度满足生产加工使用需求。

1.2 机内在位测量技术的应用

在位测量技术是数控加工中不可或缺的一部分。以往的数控车床受制于排刀和四工位刀架刀位数量，为保证产品加工后的尺寸精度，需要使用各种类型千分尺、内径量表、深度尺等量具对加工部位进行逐一检测，检测时间长，极大制约了加工效率，而且产品加工精度较大程度取决于量具精准度和工作人员技能水平的高低，导致数控机床高精度、高效率的优势完全没有发挥出应有效果。同时，各类检测量具在每次使用前还需校准，校准精度直接影响产品加工后的尺寸精度。近年来随着多工位旋转液压刀塔在数控车床上的普及，少则六工位多则二十四工位的旋转液压刀塔已完全满足产品加工过程中刀具对于刀位的需求。

随着制造业新型装备技术的迅猛发展，众多科研技术人员为提高产品生产加工的合格率和生产效率，一直推进在线测量技术的研究。目前，机内在位测量技术已衍生出数十种不同规格、不同型号的测头，测头测量精度范围普遍在0.001～0.003 mm。在位测量技术的突飞猛进，使得工作人员可以在加工后不拆卸产品直接使用测头对加工部位进行尺寸测量，提高了生产效率，降低了产品不合格率。待测量程序编写完成后，测针（测头中的测量部位）按照指定的测量路径进行运动并测量。当测针触碰到被测物体时，测头上会有红色指示灯闪缩，同时测头将测量结果按照测量程序中设定的宏程序地址符进行写入，该测量结果是测头自动写入，人工无法干预。

对正在加工的产品进行在位测量时，因其是保持加工状态并固定在加工工位上，需根据测头测量结果进行刀具偏置补偿。在程序运行时对尺寸加工数值进行测量控制，可以更好地控制产品加工尺寸和形位精度。在加工结束之后对尺寸进行测量检查，可以有效保证产品批量加工过程中加工精度的一致性。运用测头对加工部位进行检测，能够使工装夹具在工件实际定位中产生的误差得到补充，提高批量加工的精确程度。

2 将在位测量系统与对刀仪功能相结合

2.1 技术路线

坐标系自动校准动作路线如下：①将产品装夹牢固并安装加工所需刀具；②使用固化程序控制机床移动轴控制刀具触碰对刀仪，自动测量刀具特征点位并将其偏移在机床某一固定点位中；③使用在位测量技术探测对刀仪固定点位与产品基面的距离，并将数值写入至5201号（G54坐标系参数地址符）、5221号（G54.1坐标系参数地址符）、2101号（刀补X向磨耗）、2201号（刀补Z向磨耗）等参数中，以此完成坐标系自动校准动作。具体校准动作路线如图2所示。通过加工坐标系自动校准技术可以有效抑制人员对刀精度误差浮动性、对刀操作占用时间较多的问题。

2.2 程序编制

用户宏程序在数控加工过程中发挥着巨大的作用。由于宏程序中允许使用变量和逻辑运算，通过各种条件、转移等语句使得操作人员可以在编制数控加工程序时显著地优化数控程序体量。

通过编写用户宏程序可以将对刀仪机械点位移至产品基面，具体距离反向输入数控系统刀补参数，利用宏程序的便捷性可以调取和反写系统参数且具备计算和逻辑运算的宏程序，依据测头测量结果自动计算坐标系校准的相关参数，详细信息。例如：将520号宏程序地址符中显示的测量距离（测头测量后的具体数值）写入至G54坐标系中，可编写程序如下：#5202= #520（将520号数值赋予5201号地址符中，其中5202号是G54坐标地址符z轴参数）。

3 结束语

近些年，随着在位测量技术的普及，将产品检测方式从离机测量转变为在位测量，解决了传统测量方法在产品二次装夹、测量基准与加工基准不统一的难题。同时，通过将加工系统和产品检测系统相结合，形成一个闭环的加工检测系统，实现了产品测量的数字化采集、分析及智慧化应用。随着重多高新技术涌入数控加工制造业，将会对以往加工方法产生重大影响和技术革新。

参考文献

[1] 朱建军.FANUC Series 0i Mate-TD数控车床多刀工件坐标系建立方法[J].机电工程技术，2017，46（7）：46-48.

[2] 魏文锋，湛文亮.数控机床在线检测和智能补偿技术的应用[J].机电工程技术，2020，49（7）：141-144.

[3] 宋长双，薛平萍，李多祥.对刀仪在数控机床上的应用[J].制造技术与机床，2011，（5）：143-145.