教学型数控车床的对刀操作范本.docx

实验(二) 华中世纪星教学型数控车床的对刀操作

一．实验目的
1）掌握游标卡尺、千分尺、深度游标卡尺、钢直尺等的测量与读数方法；
2）掌握数控车床手动试切法对刀的工作原理及基本步骤；
3）掌握用G92与G54~G59指令对刀操作的异同点；
4）对手动试切法对刀进行误差分析，并掌握其误差补偿方法。

二．实验设备和工具
1）毛坯：φ30mm的棒料， 材料：LY12
2）常用工具：卡盘与刀架扳手、螺丝批、手锤、活动扳手等；
3）刀具与垫片：1号刀为90°外圆精车刀，2号刀为90°外圆粗车刀或60°尖刀，3号刀为切断刀、4号刀为60°三角螺纹刀；
4）测量工具：0.02mm精度的游标卡尺、0.01mm精度的千分尺、0.02mm精度的深度游标卡尺、150mm长的钢直尺；
5）油壶、刷子及清洁棉纱。

三. 常用测量工具的测量与读数方法（演示说明）
介绍0.02mm精度的游标卡尺、0.01mm精度的千分尺、0.02mm精度的深度游标卡尺的测量与读数方法。

四．华中世纪星教学型数控车床手动试切法对刀的基本原理

在数控车削中，手动试切对刀法由于不需添置昂贵的对刀、检测等辅助设备，方法简单，而且加工铝棒、尼龙棒等软材质工件，即使高速断续切削，刀尖也不容易崩落，因此被广泛地应用于教学型数控车床。
数控机床的机床坐标系是唯一固定的，CRT显示的是切削刀刀位点的机床坐标，但为计算方便和简化编程，在编程时都需设定工件坐标系，它是以零件上的某一点为坐标原点建立起来的X-Z直角坐标系统。因此，对刀的实质是确定随编程变化的工件坐标系工件零点的机床坐标以及确定数控程序调用的刀具相对于基准刀的刀偏置数值。手动试切对刀的对刀模式为“试切→测量→调整”，其原理示意图如上图1所示。
五．手动试切——相对刀偏法对刀的基本步骤
手动试切对刀中，如果确定了一把基准刀，且在刀偏表中输入它的刀偏置为零，而且非基准刀相对于基准刀有一定的刀偏置，这种试切对刀方法叫相对刀偏法对刀，具体又分为G92指令对刀和G54指令对刀两种方法。使用这种对刀方法的程序结构形式具有以下特点：
％××××
G92 X_ Z_（或G54 G90 G00 X_ Z_）
M06 T0202
…...
T0200
M06 T0101
……
T0100
……
如下图2所示的对刀步骤流程图，G54指令对刀的步骤基本上与G92指令对刀相同，区别仅在于前者要将后者的步骤⑧与⑩分别修正为步骤⑧’与⑩’。

用G92指令对刀后基准刀刀位点恰好处于程序起点位置，这种对刀方便实习老师检查学生对刀的准确性和监控设备安全性，因此在教学实习应用更广泛。而G54~G59指令对刀需将工件零点的机床坐标输入到数控系统软件的零点偏置寄存器参数中，但加工前刀架不必处于程序起点位置，便于批量生产，在生产中应用更广泛。
小结：
Ⅰ. 加工最大直径小于30mm、长度为L（小于100mm）、程序原点选在零件的右端面中心、直径编程的工件，用G92 X100 Z50指令对刀的简要操作步骤：
（一）装夹棒料，棒料伸出卡爪端面约（L+50）mm；
（二）装刀，保证各刀的刀位点与主轴等中心高；
（三）在系统软件中设定为直径编程方式；
（四）开机后，回参考点，将基准刀处于工作位置；
（五）用点动方式[或为避免爬行用“MDI运行（G91 G00 X-120 Z-220）+点动”]移动刀架到装夹的棒料右端面附近，在MDI功能子菜单下（图3所示）按F2键，进入刀偏数据设置方式； 1、2、3、4号刀的刀偏号分别为#0001、#0002、#0003、#0004，用▲、▼键移动蓝色亮条到各刀对应的刀偏号位置，首先将刀偏号为#0000、#0001、#0002、#0003、#0004的X偏置、Z偏置的数据均修改为零；用▲、▼键将蓝色亮条对准基准刀的刀偏号位置处，按F5键设置基准刀为标准刀具，所在行变成红色；用基准刀试切工件外径，记录试切点A的X机床坐标，在图4界面按F1“X轴清零”，则CRT显示的“相对实际坐标”的X坐标为零；退刀停车，测量已切削轴段的直径Φd；用标准刀具试切工件端面，记录试切点A的Z机床坐标，在图4界面按F2“Z轴清零”，则CRT显示的“相对实际坐标”的Z坐标为零；通过“点动+步进”或MDI方式[G91 G01 X-显示相对坐标 Z-显示相对坐标]使基准刀重新回到试切点[此时CRT显示的相对实际坐标为（0，0）]；

图3 MDI功能子菜单

图4 相对刀偏法对刀的刀偏表

（六）选择非基准刀的刀号，手动换刀，用▲、▼键移动蓝色亮条到非基准刀具的位置，如图5所示，让非基准刀的刀尖分别在主轴转动状态目测对齐试切点A（用“点动+步进”方式，先对齐外圆面，后对齐端面），这时CRT上显示的“相对实际坐标”的数值，就是该刀对基准刀的刀偏置△X，△Z；分别将其输入到对应刀偏号的相应位置。
图5 测量刀偏数据
（七） 点动+步进方式[或先点动到附近再MDI运行G53 G01 XA ZA]，重新让基准刀对准试切点[此时CRT显示坐标为（XA，ZA）]，在MDI方式下，运行程序：G91 G00（或G01）X（100-Φd） Z50；则基准刀刀位点处于程序起点[工件坐标系坐标为（100，50）]的位置。

Ⅱ. 加工最大直径小于30mm、长度为L（小于100mm）、程序原点选在零件的右端面中心、直径编程的工件，用G54 G90 G00 X100 Z50指令对刀的简要操作步骤：
（一）装夹棒料，棒料伸出卡爪端面约（L+50）mm；
（二）装刀，保证各刀的刀位点与主轴等中心高；
（三）在系统软件中设定为直径编程方式；
（四）开机后，基准刀在工作位置，回参考点；
（五）用点动[或“MDI运行（G91 G00 X-120 Z-220）+点动”]方式移动刀架到装夹的棒料右端面附近，在MDI功能子菜单(图4)下按F2键，进入刀偏数据设置方式，如图4所示；用▲、▼键移动蓝色亮条到要设置为基准刀具的位置；按F5键设置标准刀具，蓝色亮条所在行变成红色；用标准刀具试切工件外径，然后沿着Z轴方向退刀；在刀偏数据的试切直径栏输入试切后工件的直径值；用标准刀具试切工件端面，然后沿着X轴方向退刀；在刀偏数据的试切长度栏输入工件坐标系Z轴零点到试切端面的有向距离；按F7键，弹出如图7所示菜单；用▲、▼键移动蓝色亮条选择要设置的坐标系；按Enter键确认，设置完毕。

图7 选择要设置的坐标系
方法二 可以MDI手动输入坐标系数据，操作步骤如下：
(1) 在MDI功能子菜单(图3)下按F4键，进入坐标系手动数据输入方式，图形显示窗口首先显示G54坐标系数据，如图8所示；

图8 MDI方式下的坐标系设置
(2) 按Pgdn或Pgup键，选择要输入的坐标系数据： G54/G55 /G56/G57/G58/G59坐标系/当前工件坐标系等的偏置值(坐标系零点相对于机床零点的值)，或当前相对值零点；
(3) 在命令行输入工件零点的机床坐标，如在图8所示坐标系空栏输入“X0 Z0”，并按Enter键，将设置G54坐标系的X及Z偏置分别为0、0；
(4) 若输入正确，图形显示窗口相应位置将显示修改过的值，否则原值不变。
（六） 各刀刀偏置的测定方法与G92指令对刀方法相同
（七） 基准刀转位到工作位置，重新进行回零操作。

ø 相对刀偏法对刀注意事项：
1）装刀时，各刀的刀位点应与主轴中心等高，装刀时用钢直尺测量刀尖到刀架台面的距离约为79.5~80mm的距离。若二者等高，试切端面停车后，操作者用手摸端面应感觉平滑，看不到端面中心有尖点突出。若二者不等高，应细微调整垫片高度。
2）为便于对刀与监控设备安全，对最大直径小于Φ30mm、长50~60mm的小回转体零件的编程可作统一约定：①工件右端面与卡爪端面之间的装夹长度近似为固定值105mm；②刀具伸出刀架侧面的长度近似为固定值25mm；③编程时统一规定：采用直径编程；工件零点Ｏ选在工件的右端面中心；用G92指令设定工件坐标系，程序起点H的工件坐标为（100，50）且其与程序终点、换刀点三点重合；设定1号刀为90°外圆粗车刀，2号刀为90°外圆精车刀或60°尖刀（对刀基准刀），3号刀为2.5~5mm宽的切断刀、4号刀为60°螺纹刀；加工内表面的刀具刀号另定。其它尺寸的工件，设其最大直径为ΦD，工件长为L，则约定时只需改变条件①中工件伸长约为（L+50）、条件③中程序起点的工件坐标为（ΦD+70，50），其余条件可不变或根据具体情况作适当调整。
3）按上述条件装刀后，若CRT显示的非基准刀的X偏置在±10mm的范围之内（切断刀因刀头结构特殊可能例外），则刀偏置可能测量较正确，否则可能是测量方法不对或数控系统出现了“爬行”现象，需要重新测定刀偏置。
4）在刀偏数据的输入与修改之前，应先设置刀库数据，将各刀设定对应的刀偏号。

六．手动试切——绝对刀偏法对刀的基本步骤
手动试切对刀中，如果没有确定一把刀作基准刀，且在刀偏表中每把切削刀都有刀偏置，这种手动试切对刀方法叫绝对刀偏法对刀。使用这种方法对刀的程序结构形式具有以下特点：
％××××
T0202（无G92 或G54建立工件坐标系指令，无M06指令）
M03 S××××
G90（或G91） G00 X_ Z_
…...
T0101（无需取消上一把刀的刀补，就直接建立下一把刀的刀具补偿）
……
对刀步骤：（工件坐标系零点设在工件右端面中心）
1）选择1号刀试切端面和外圆，分别记录试切点A点的ZA坐标和XA坐标（图5标识的A点），退刀停车，测量试切轴段的直径尺寸，主轴正转，点动到A点附近再MDI运行 “G53 G01 XA ZA”，将1号刀刀尖按记录的坐标对齐A点。在图9刀偏表的＃0001刀偏号一栏中，输入试切直径（测量值）和试切长度0（0表示端面在工作坐标系的Z坐标为零）；
2）选择2号刀，试切另一轴段，退刀停车，测量试切轴段的直径尺寸；主轴正转，点动＋步进方式，将2号刀刀尖目测对齐端面上试切点。在图9刀偏表的＃0002刀偏号一栏中，输入试切直径（测量值）和试切长度0；
3）3号刀（以切削刃右尖点对刀）及其4号刀，与2号刀的对刀步骤相同。

图9 绝对刀偏法对刀的刀偏表
ø 注意：在刀偏表中只需要输入试切直径和试切长度，各刀的X、Z偏置随后自动产生。

七. 手动试切对刀法的误差分析
在图2所示的手动对刀操作流程中，步骤⑥中由于用游标卡尺或千分尺测量时不可避免存在测量误差，使得Φd数值有误差，导致步骤⑦中工件零点的机床坐标计算不准确；在步骤⑨中，由于我校购置的华中世纪星CJK6132A型CNC教学车床的定位精度和重复定位精度不太高，分别为0.04mm/300mm、±0.01mm，使得基准刀按记录的试切点机床坐标重回后却被发现其刀尖与工件试切点之间有微小的间隙，且当数控系统不稳定地出现“爬行”现象后，二者的间隙甚至更大，由此验证了CRT显示机床坐标的实际位置与理论位置有定位误差；而且非基准刀的刀尖也难以目测对准试切点，因此非基准刀存在一定的刀偏置误差；另外，在步骤⑩中，由于Φd很难测量准确，导致程序起点H的机床坐标计算不准确，最后刀架实际可能不准确地停在程序起点位置上。上述误差，既有系统误差也有随机误差，如果仅进行误差数据的分析与处理，只能尽量减小误差，但很难完全消除误差。

八. 对手动试切对刀法的误差补偿
由于对刀的目的是使编程指令值与实际加工尺寸相一致，因此，可以根据“自动试切圆柱轴段→测量→误差补偿”的思路改进手动试切对刀法，设计一个简单的调试程序自动试切外圆——误差补偿的新对刀方法，实现单件加工的快速精确对刀。

以工件坐标系方向为依据，确定实际测量尺寸与试切指令尺寸之间的误差补偿方向，见表1举例。

表1 自动试切圆柱轴段的实际测量尺寸与程序指令值的误差补偿举例（单位：mm）

切削刀具
类型
试切轴段的程序指令值
实际测量
尺寸
误差补偿前的刀偏置
误差补偿
方法
误差补偿数值
1号
基准刀
Φ28×10
Φ27.852×9.98，
X1=0
Z1=0
步进移动刀架
步进+X方向0.148；－Z方向0.02
MDI移动刀架
MDI运行：G91G01X0.148Z－0.02；
Φ28×10
Φ28.236×10.17
X1=0
Z1=0
步进移动刀架
步进－X方向0.236，+Z方向0.17
MDI移动刀架
MDI运行：G91G01X－0.236Z0.17；
非基准刀
（以2号刀为例）
Φ26×8
Φ26.132×8.07
X2=1.251，
Z2=－5.318
修正原刀偏置
X2=1.251－（26.132－26）＝1.119，
Z2=－5.318+（8.07－8）=－5.248
或加入磨损值
原刀偏置不变，将误差加入到磨损栏
Φ26×8
Φ25.872×7.93
X2=1.251，
Z2=－5.318
修正原刀偏置
X2=1.251+（26－25.872）＝1.379，
Z2=－5.318－（8－7.93）=－5.388
或加入磨损值
原刀偏置不变，将误差加入到磨损栏
误差补偿方向总结
误差补偿方向判断依据：以工件坐标系的坐标轴正负方向为依据。
即：对于X方向尺寸的误差，如果实际测量值大于理论值，误差方向为负；反之，为正；
对于Z方向尺寸的误差，如果实际测量值大于理论值，误差方向为正；反之，为负。

注意：
1）单刀试切补偿时，2号基准刀可用O2130程序修正，1、4号刀可修改同一个程序（如文件名为O2131）后使用，其中刀补指令的建立与取消以及试切轴段的直径与长度尺寸（Φd×l，见图3标注）随毛坯棒料及已切削尺寸的变化而动态变化，一般每加工一次，修改程序中有下划线的指令数值，使直径（+X）方向减少0.5mm或1mm，长度（+Z）方向加大0.5mm或1mm，切削成台阶形轴段。切削段直径值最好用千分尺（精度0.01mm）测量，长度值最好用深度游标卡尺测量（精度0.02mm）。3号切断刀的试切程序最好为另一文件（如为O2132），试切退刀槽的轴颈直径（图4的ΦX3尺寸，ΦX3一般比前一切削的轴段直径小Φ3～Φ5mm）与槽的右轴肩距工件右端面间的长度尺寸（图4的L3尺寸）随毛坯棒料及已切削尺寸的变化而动态变化，一般每加工一次，直径（+X）方向减少0.5mm或1mm，长度（+Z）方向加大0.5mm或1mm，即随着试切次数的增多，退刀槽的轴颈直径尺寸越来越小，而向右端面方向的退刀槽宽度将越来越大。切削段的轴颈直径值、长度值最好用带深度尺的游标卡尺测量（精度0.02mm）。
2）用O2130试切程序对2号基准刀的程序起点位置进行修正，修正方法：用MDI或步进移动刀架。基准刀位置误差补偿后，可分别调用O2131,O2132程序修正1，4，3号刀，或者调用同时对三把非基准刀试切的程序（如O2133）。修正方法：在非基准刀原刀偏置的基础上进行误差修正，并重新输入到刀偏表中；或者将误差值直接加入到磨损值栏。修正程序的下划线指令值的动态修改规律同1）。对刀记录数值填入表2所示的表格中。
3）基准刀的起点位置和非基准刀的刀偏置进行误差补偿后，记录基准刀程序起点的机床坐标，并对该位置置零；千万不要再移动刀架，只需选择已经过老师检查、校验正确的程序直接按“循环启动”键进行自动加工即可。
4）在自动试切过程中，保持高度警惕，若发现运行异常，应即时按下急停按钮。

%1000
G92 X100 Z50
M03 S755
M06 T0101
G90 G00 X35
Z5
G80 X26.1 Z-12 F200
G80 X26 Z-12
G00 X100 Z50
T0100
M06 T0202
G90 G00 X100 Z50
T0200
M05
M30
%1000
G92 X100 Z50
M03 S755
M06 T0404
G90 G00 X35
Z5
G80 X24.1 Z-10 F200
G80 X24 Z-10
G00 X100 Z50
T0400
M06 T0202
G90 G00 X100 Z50
T0200
M05
M30
%1000
G92 X100 Z50
M03 S755
M06 T0303
G90 G00 Z-5
X32
G81 X20.1 Z-5 F80
G81 X20.1 Z-7
G81 X20 Z-7
G00 X100
Z50
T0300
M06 T0202
G90 G00 X100 Z50
T0200
M05
M30
试切程序举例如下：[程序中下划线处的数值随刀具、试切轴段实际测量尺寸（ΦD×L）不同可动态修改]
%1000
G92 X100 Z50
M03 S755
G90 G00 X35
Z5
G81 X-1 Z2
G81 X-1 Z1
G81 X-1 Z0.1
G81 X-1 Z0
G80 X28.1 Z-15 F200
G80 X28 Z-15
G00 X100 Z50
M05
M30

O2130程序
O2132程序
O2131程序形式2
O2131程序形式1

接左边程序
G81 X21.1 Z-7 F80
G81 X21 Z-7 F80
G00 X100
Z50
T0300；
M06 T0202
G90 G00 X100 Z50
T0200；
M05
M30

接左边程序
G90 G00 X35
Z5
G80 X25.1 Z-10 F200
G80 X25 Z-10
G00 X100
Z50
T0400
M05
M00；测量尺寸
M06 T0303
M03 S755
G00 Z-5
X32
G81 X21.1 Z-5 F80
％1000
G92 X100 Z50
M06 T0101
M03 S755
G90 G00 X35
Z5
G80 X26.1 Z-12 F200
G80 X26 Z-12
G00 X100
Z50
T0100
M05
M00；测量尺寸
M06 T0404
M03 S755
O2133程序

表2 试切法对刀记录表（单位：mm）

床号：_________工件伸出卡盘端面长度_________________ 记录日期：200____年____ 月____日
刀 号
粗略对刀记录
精确对刀记录
手动试切
自动试切修调
第1次
第1次
第2次
第3次
2号刀
(基准刀)
X伸长
Z伸长
试切点的机床坐标
试切误差
试切误差
试切误差
X=
Z=
ΔD＝
ΔL=
ΔD＝
ΔL=
ΔD＝
ΔL=
测量试切轴段尺寸
步进或MDI运行
步进或MDI运行
步进或MDI运行
ΦD＝
L=
ΔX=
ΔZ=
ΔX=
ΔZ=
ΔX=
ΔZ=
程序起点机床坐标
程序起点机床坐标
程序起点机床坐标
程序起点机床坐标
X=
Z=
X=
Z=
X=
Z=
X=
Z=
1号刀
X伸长
Z伸长
X偏置
Z偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
4号刀
X伸长
Z伸长
X偏置
Z偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
3号刀
X伸长
Z伸长
X偏置
Z偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
试切误差
刀偏置
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=
ΔD＝
ΔL=
ΔX=
ΔZ=

记录人_____________________________学号_______________班级____________ 指导老师_____________

九、操作练习题：
1） 装夹工件，并将刀架上四把刀按规定要求装刀，保证各刀的刀位点与主轴中心线等高；
2） 掌握千分尺、游标卡尺、深度游标卡尺的正确测量与读数方法，测量试切轴段的直径和长度尺寸；
3） 对刀架上的四把刀进行粗略对刀；
4） 将O2130~O2133修正程序输入到系统软件并调试；
5） 对已粗略对刀的四把刀，通过自动试切进行误差补偿，实现精确对刀。

实验报告 (二)

实验名称_____________________________________________ 实验日期 __________________________

学生姓名___________________ 专 业__________________ 班 级________________ 学号______

指导老师_____________________________________________ 成 绩_____________________________

一、 简要写出数控车手动试切法粗略对刀（G92指令对刀）的基本步骤。
二、 观察思考题
1） 带深度游标卡尺、深度游标卡尺、千分尺如何正确地测量与读数？
2） 相对刀偏法对刀中，G92指令与G54~G59指令对刀步骤有何异同点？
3） 手动试切对刀法为什么误差较大？请进行误差分析。
4） 手动试切对刀法占用机床时间长、对刀效率较低且误差较大，很难实现高精度加工；而且，它也不适合钢件，其主要原因是钢件较硬，高速断续切削容易使刀尖崩落或烧刀。请你在今后的实习中多加思索，探索、总结出一种更快更准的对刀方法来。
5） 单件已精确对刀并加工后再批量加工，如何快速准确对刀？
6） 绝对刀偏法对刀与相对刀偏法对刀在编程及其对刀步骤方面有什么不同？
三、 实习作业题
1） 手动试切法粗略对刀后，如何进行误差补偿实现精确对刀？
2） 试举例说明3号切断刀（右尖点对刀）如何实现Z轴方向的精确定位？
四、心得体会与建议（要求字数不少于300字）