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数控车床对刀及建立工件坐标系的方法

摘要：利用数控车床进行零件加工时，开机后，我们先要执行回参考点的操作，以便建立机床坐标系；然后要进行对刀及建立工件坐标系的操作，最后再编制零件的程序并加工。对刀的准确与否直接会影响后面的加工。在实际使用中，试切法对刀有三种形式，本文主要介绍这三种对刀形式。
关键字：数控车床 机床坐标系 工件坐标系 试切法对刀
正文：
在数控车床上加工零件时，我们通常先开机回零，然后安装零件毛坯和刀具，接着要进行对刀和建立工件坐标系的操作，最后才是编制程序和自动加工。对刀操作的正确与否，直接会影响后续的加工。对刀有误的话，轻则影响零件的加工精度，重则会造成机床事故。所以作为数控车床的操作者，首先要掌握对刀及工件坐标系的建立方法。
数控车床上的对刀方法有两种：试切法对刀和机外对刀仪对刀。一般学校没有机外对刀仪这种设备，所以采用试切法对刀。而根据实际需要，试切法对刀又可以采用三种形式，本文以华中数控HNC-21/T系统为例来阐述这三种形式的对刀及工件坐标系的建立方法。
一、T对刀
T对刀的基本原理是：对于每一把刀，我们假设将刀尖移至工件右端面中心，记下此时的机床指令X、Z的位置，并将它们输入到刀偏表里该刀的X偏置和Z偏置中。以后数控系统在执行程序指令时，会将刀具的偏置值加到指令的X、Z坐标中，从而保证所到达的位置正确。其具体的操作如下：
（1）开启机床，释放“急停”按钮，按“回零”，再按“+X”和“+Z”，执行回参考点操作。
（2）按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适的位置然后按“-Z”手动车削外圆，最后按“+Z”沿Z向退刀，如图1所示。
（3）按“主轴停止”停止主轴，然后测量试切部分的直径，测得直径为Φ69.934，按“F4（MDI）”，再按“F2（刀偏表）”，将光条移到1号刀的试切直径上，回车，输入69.934，再回车，1号刀的X偏置会自动计算出来，如图3所示。

图1 图2
（4）移动刀具到合适的位置，按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，然后按“-X”手动车削端面，最后按“+X”沿X向退刀，如图2所示。
（5）按“主轴停止”停止主轴，将光条移到1号刀的试切长度上，回车，输入0，再回车，1号刀的Z偏置会自动计算出来，如图3所示。

图3
2号刀的对刀过程与1号刀类似，只不过不能切端面。具体如下：
（1）按“刀位转换”将2号刀换到切削位置，按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适的位置然后按“-Z”手动车削外圆，最后按“+Z”沿Z向退刀，如图4所示。
（2）按“主轴停止”停止主轴，然后测量2号刀试切部分的直径，测得直径为Φ65.980，将光条移到2号刀的试切直径上，回车，输入65.980，再回车，2号刀的X偏置会自动计算出来，如图6所示。
（3）按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，然后按“-Z”手动继续车削外圆，最后按“+X”沿X向退刀，如图5所示。
（4）按“主轴停止”停止主轴，测量2号刀的试切长度，得33.087， 将光条移到2 号刀的试切长度上，回车，输入-33.087，再回车，2号刀的Z偏置会自动计算出来，如图6所示。
如果还有3号和4号刀具，其对刀方法与2号刀具是一样的，这里不再赘述。

图4 图5

图6
使用T对刀需要注意两点：
（1）G54~G59这六个坐标系的坐标原点都要设成（0，0），后面将会讲述。
（2）程序中，每一把刀具在使用前，都应该用T指令调用相应的刀偏，如T0101，T0202等。
二、G54~G59对刀
G54~G59又称零点偏置指令，它是将机床坐标系偏移一定的距离来建立工件坐标系。其具体操作如下：
（1）按“刀位转换”将1号刀换到加工位置上，按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适的位置然后按“-Z”手动车削外圆，最后按“+Z”沿Z向退刀，如图1所示。
（2）按“主轴停止”停止主轴，然后测量1号刀试切部分的直径，测得直径为Φ69.934，则半径为34.967。记下机床指令位置的X值，为-185.034。那么工件轴线在机床坐标系下的X坐标为X=-185.034-34.967=-220.001。
（3）按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适位置，然后按“-X”手动车削端面，最后按“+X”沿X向退刀，如图2所示。
（4）按“主轴停止”停止主轴，记下机床指令位置的Z坐标Z=-103.167，这表示工件右端面在机床坐标系下的Z坐标Z=-103.167。
（5）按“F10（返回）”返回顶层菜单，按“F4（MDI）”，再按“F4（坐标系）”，进入自动坐标系G54的界面，在MDI的提示下输入“X-220.001 Z-103.167”，如图7所示。
（6）按回车，结果G54的界面就会显示“X-220.001 Z-103.167”，如图8所示。

图7

图8
2号刀的对刀过程与1号刀类似，只不过不能切端面。具体如下：
（1）按“刀位转换”将2号刀换到切削位置，按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适的位置然后按“-Z”手动车削外圆，最后按“+Z”沿Z向退刀，如图4所示。
（2）按“主轴停止”停止主轴，然后测量2号刀试切部分的直径，测得直径为Φ65.980，则半径为32.990。记下机床指令位置的X值，为-108.99。那么工件轴线在机床坐标系下的X坐标为X=-10899-32.99=-141.980。
（3）按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，然后按“-Z”手动继续车削外圆，最后按“+X”沿X向退刀，如图5所示。
（4）按“主轴停止”停止主轴，测量2号刀的试切长度，得33.087。记下机床指令位置的Z值，为-70.559。那么工件右端面在机床坐标系下的Z坐标Z=-70.559-33.087=-103.646。
（5）按“F10（返回）”返回顶层菜单，按“F4（MDI）”，再按“F4（坐标系）”，进入自动坐标系G54的界面，按“PgDn”键进入G55的界面，在MDI的提示下输入“X-141.980 Z-103.646”，按回车，结果G55的界面就会显示“X-141.980 Z-103.646”，如图9所示。
如果还有3号和4号刀具，其对刀方法与2号刀具是一样的，这里不再赘述。
使用G54~G59对刀需要注意以下几点：
（1）刀偏表中所有刀具的X偏置和Z偏置都要设为0。这是因为如果采用G54~G59进行了零点偏移，而同时在刀偏表中设置了刀具偏置，程序执行时会进行双重偏置，系统会产生超程报警，不予执行。

图9
（2）程序中，每一把刀具在使用前，都应该用G54~G59指令调用相应的工件坐标系，如：
%0001
G54 （调用G54坐标系）
M03 S800 T0101 （用1号刀）
……
……
G55 （调用G55坐标系）
T0202 （用2号刀）
……
……
M30 （程序结束）

三、G92设定工件坐标系
上面介绍的T对刀和G54~G59对刀都是在程序执行之前手动进行的。我们也可以在程序执行的过程中动态地建立工件坐标系，这就要用到G92指令。它的格式是G92 Xα Zβ。其原理是：以刀具当前位置为基准，建立一个坐标系，使得刀尖在该坐标系下的坐标值是（α，β）。用法如下：
（1）按“刀位转换”将1号刀换到加工位置上，按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适的位置然后按“-Z”手动车削外圆，最后按“+Z”沿Z向退刀。
（2）按“主轴停止”停止主轴，然后测量1号刀试切部分的直径，测得直径为Φ69.934，则半径为34.967。记下机床指令位置的X值，为-185.034。那么工件轴线在机床坐标系下的X坐标为X=-185.034-34.967=-220.001。
（3）按“主轴正转”启动主轴，按“手动”，将刀具移动到合适位置，然后按“-X”手动车削端面，最后按“+X”沿X向退刀。
（4）按“主轴停止”停止主轴，记下机床指令位置的Z坐标Z=-103.167，这表示工件右端面在机床坐标系下的Z坐标Z=-103.167。
（5）按“F10（返回）”返回顶层菜单，按“F4（MDI）”，再按“F6（MDI运行）”，在MDI方式下，逐行输入以下程序段。每输入一行后敲回车，并按“循环启动”。
M03 S600
（主轴正转，转速600r/min）
G53 G90 G01 Z-103.167 F100
（直接机床坐标系编程，刀具移动到工件右端平面上）
G53 G90 G01 X-220.001 F100
（直接机床坐标系编程，刀具移动到工件右端面中心，如图10）
G91 G00 X100 Z50
（相对编程，刀具相对右端面中心，沿X正向移动100，Z正向移动50，如图11、图12）
M05
（主轴停止）

图10 图11
进行以上操作后，编写程序时，程序开头应该有G92 X100 Z50。例如：
%0002
G92 X100 Z50
M03 S600
……
G00 X100 Z50
M30

图12
使用G92应该注意以下问题：
（1）G92只是在程序开头动态建立工件坐标系，实际系统执行该指令时，刀具并不产生动作。
（2）使用G92时，1号刀的X偏置和Z偏置都要设为0，G54~G59这六个坐标系的X和Z也都要设为0。
（3）MDI方式下将刀具移动到（100，50）后，在程序执行前不要再手动移动刀具。
（4）程序结束前，应该将刀具移动到（100，50）的位置。否则下次执行程序时会产生偏移。
（5）本例中只给了一把刀具，如果有几把刀具，则其它刀具的X偏置和Z偏置只能设置为相对于1号刀的相对刀偏。至于怎么设置，本文不作深入讨论，有兴趣的读者可以自行研究。
四、结论
对刀方法灵活多样，初学者容易迷惑。建议初学者开始只使用T对刀，等慢慢熟练后，再试用另外两种方法并且掌握它们。这样，我们就可以根据不同的场合需要而采用相应的对刀方法。
参考文献：
《华中数控HNC-21/T编程说明书》
《华中数控HNC-21/T操作说明书》
《宇龙数控仿真系统使用说明书》