CN112207627B - 数控加工中心刀具磨损自动补偿装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控加工中心刀具磨损自动补偿装置及补偿方法，所述数控加工中心刀具磨损自动补偿装置包括主轴、电动气缸和环形块，所述主轴一端设置在主轴箱内，另一端安装有刀柄，刀柄上安装有切削刀具，所述电动气缸轴线与主轴的轴线平行设置，电动气缸设置在主轴箱内部，电动气缸内设置有可以沿气缸体直线运动的推杆，所述推杆通过环形块与激光测径仪连接，所述环形块的一端设置有位移传感器，所述主轴箱靠近环形块一面设置有环形块收纳凹槽，该装置工作时采用动态测量，同时测得刀具直径和长度参数，通过传感器测得的刀具数据与标准数据比较来完成刀具自动补偿，这种方法原理易懂，装置结构简单，能节省大量人力和时间成本。

Description

数控加工中心刀具磨损自动补偿装置及补偿方法

技术领域

本发明涉及加工设备技术领域，具体是一种数控加工中心刀具磨损自动补偿装置及补偿方法。

背景技术

在数控加工过程中，数控系统的实际控制对象是刀具中心或刀架相关点，数控系统通过直接控制刀具中心或刀架相关点的运动轨迹来间接的实现实际零件轮廓的加工。然而，实际刀具参与切削的部位是车刀的刀尖或铣刀的刀刃边缘，它们与刀具中心或刀架相关点之间存在着尺寸偏差，因此数控系统必须根据刀尖或刀刃边缘的实际坐标位置，即零件轮廓的实际坐标位置来计算出刀具中心或者刀架参考点的相对坐标位置，这种计算过程就成为刀具补偿。

采用刀具补偿功能不仅可以大大简化数控加工程序的编写工作，还可以提高数控加工程序的利用率，刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿两种类型。随着刀具使用的过程中由于刀具直径磨损或者长度磨损都会影响对工件的加工精度，此时就需要操作者多次测量刀具长度或者直径，然后控制程序修改刀具补偿，该检测修改刀补的过程很繁琐，且时间久了，对于时刻投入工作的数控机床浪费的时间成本便是金钱成本，且操作者的测量也有一定的误差，若操作者如果将数据输入错误则会导致严重的安全事故。

中国专利申请CN110187671A公开了一种在线外径自动测量和刀具补偿的方法，该发明专利申请通过测量夹具来测量获得刀具数据，并将测量值反馈给测量站主控制器，以此来完成自动刀具补偿，但是这种方法只能测量刀具外径，且通过夹具测量不规则刀具形状时可能会产生较大测量误差，此外对于刀具切削部分的长度，该方法无法测得。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种数控加工中心刀具磨损自动补偿装置及补偿方法，该装置采用可伸缩的测量机构，既能测量刀具切削部分直径也能测量刀具切削部分的长度，测量时采用刀具动态测量，测量结果更接近于刀具实际加工时的数据，系统能根据测得的数据自动完成补偿动作或者发出警报，测试和补偿方法原理易懂、结构简单，能节省大量时间和人工成本。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种数控加工中心刀具磨损自动补偿装置，包括主轴、电动气缸、激光测径仪和位移传感器，所述主轴一端设置在主轴箱内，另一端安装有刀柄且伸出主轴箱外，刀柄上安装有切削用的刀具，至少两个电动气缸对称设置于主轴箱内的主轴外侧，且电动气缸的轴线与主轴的轴线平行，电动气缸内设置有能沿气缸体内壁直线运动的推杆，电动气缸的推杆外端与环形块的一端面连接，主轴和刀具均从环形块的中心穿过，主轴、刀具均与环形块的内腔壁之间有间隙，所述环形块上设置有激光测径仪，环形块的另一端面设置有至少一个位移传感器，所述激光测径仪和位移传感器分别与数控加工中心处理器建立通讯连接，所述主轴箱靠近环形块一面设置有环形块收纳凹槽，当激光测径仪和位移传感器工作时，推杆推动环形块伸出主轴箱，反之，推杆带动环形块缩回主轴箱上的收纳凹槽中。

所述主轴能绕主轴轴线转动，主轴的转动带动刀具转动来提供足够的切削力来加工工件，也在测量刀具切削部分的直径时提供低速转动，使测量结果更加准确、更加接近实际工作时的数据。

所述电动气缸内径和推杆外径相同，且电动气缸和推杆同轴线，两者的接触表面均为光滑圆柱面，便于气缸工作时两者之间形成密闭空间，使气缸内的气体能够推动推杆活动。

所述主轴箱在有环形块一面设置的收纳凹槽深度和轮廓与环形块一致，用于在测量完毕后收纳环形块，不会影响主轴箱整体结构的完整美观，也避免了刀具工作时与推杆和环形块等的接触发生安全事故。

所述环形块为与主轴同轴线的圆环形筒体，其中环形块的内壁直径大于刀具切削部分的直径，圆环的空心部分套在主轴和刀具外侧，环形块靠近主轴箱的一端为推杆安装位置，另一端为位移传感器的安装位置，避免测量时环形块与刀具切削部分发生接触，避免刀具损坏环形块以及环形块上的传感器。

所述环形块的圆环内壁为激光测径仪的安装位置，这样设置充分利用了环形块空间，在测量切削部分直径时没有其他部件阻挡，以便于得到更精确的测量结果。

所述电动气缸设置有多个时，电动气缸以主轴轴线为对称线对称设置，保证每个电动气缸受力均匀，在带动推杆伸缩和测量刀具参数过程中保持稳定。

一种利用数控加工中心刀具磨损自动补偿装置的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：数控加工中心结束加工工件后，主轴带动刀柄上的刀具回到设定好的零点位置，该位置为刀具原始标准尺寸与真实尺寸的参考点，主轴到达零点位置后停止转动；

步骤2：电动气缸推动推杆带动环形块以及环形块上的激光测径仪和位移传感器整体向刀具方向移动，至推杆的最大行程，这个过程中环形块由主轴箱上的收纳凹槽伸出至环形块安装有位移传感器的一端与刀具外端位置平行，便于测量刀具切削部分的全部长度；

步骤3：主轴带动刀具的切削部分低速旋转，同时激光测径仪开始工作，主轴旋转的目的是为了测量刀具的动态直径，避免因刀具形状等因素导致测得的只是刀具某一截面的宽度，使测得的数据更加接近刀具工作时的数据，激光测径仪测得的刀具直径并通过数据线传输至数控加工中心处理器；

步骤4：数控加工中心处理器记录测得的刀具切削部分实际直径，并且将刀具切削部分实际直径与刀具切削部分的标准直径进行对比，并且判断标准尺寸与刀具实际尺寸之差是否满足刀具补偿条件；

步骤5：若刀具切削部分实际直径与刀具切削部分的标准直径之差小于等于最大补偿值，则系统自动根据测得的数据生成刀具半径补偿值，并将刀具补偿值加到下一段加工程序中；若刀具切削部分实际直径与刀具切削部分的标准直径之差大于最大补偿值，则系统发出警报信号，提醒操作人员检查核实是否更换刀具；

步骤6：若步骤5不需要更换刀具，则在半径补偿值加到下段程序以后，位移传感器开始收集数据，位移传感器收集数据时推杆自最大行程处开始收回至电动气缸内，在收回的过程中依靠刀具切削部分上的多个特征点完成刀具切削长度的测量，并且将位移传感器测得的刀具直径并传输至数控加工中心处理器，测量完成后主轴停止低速转动，推杆带动环形块收回至主轴箱上的收纳凹槽里；

步骤7：若刀具切削部分的标准长度与测得的刀具切削部分实际长度之差小于等于最大补偿值，则系统自动根据测得的数据生成刀具长度补偿值，并将刀具补偿值加到下一段加工程序中；若刀具切削部分实际长度与刀具切削部分的标准长度之差大于最大补偿值，则系统发出警报信号，提醒操作人员检查核实是否更换刀具；

步骤8：刀具补偿完成后，数控加工中心处理器结合当前刀具号、补偿类型和补偿值自动生成刀具补偿程序，然后数控机床会根据最新的刀具补偿数据完成接下来的加工主轴继续加工工件，直至下一次对道具进行测量，重复步骤1-7。

本发明的有益效果是：

结合现有技术，采用多种高精度传感器同时对刀具切削部分的直径和长度进行监测，根据测量结果自动完成补偿命令，不用人工参与测量、测量高精度高；结构简单原理易懂、便于操作，节省了大量人力与时间成本；该补偿装置自动根据刀具磨损程度选择自动输入补偿或者报警，节省了加工时间，降低了操作者的劳动强度；测量时传感器与刀具无直接接触，避免刀具损坏传感器，采用动态测量方法，测量结果更加真实、有效。

附图说明

图1是数控加工中心刀具磨损自动补偿装置非测量状态的结构图；

图2是数控加工中心刀具磨损自动补偿装置测量状态的结构图；

图3是数控加工中心刀具磨损自动补偿装置工作流程图；

其中，1.主轴箱、2.主轴、3.电动气缸、4.环形块、5.激光测径仪、6.位移传感器、7.刀柄、8.切削部分、9.推杆、10、第一测量点、11、第二测量点、12.第三测量点、13.收纳凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例：

如图1所示，一种数控加工中心刀具磨损自动补偿装置，包括主轴箱1、主轴2、电动气缸3和位移传感器6，所述主轴2的一端设置在主轴箱1的内部，主轴箱1内的传动机构带动主轴转动，主轴的另一端伸出主轴箱，为刀柄7，刀柄7上安装有切削部分8，切削部分8就是数控加工中心使用的刀具，主轴2带动切削部分8转动来完成切削工作，电动气缸3设置在主轴箱1内，呈圆柱形，电动气缸3与主轴轴线平行设置并且以主轴的轴线为对称线设置有2个，每个电动气缸3内都设置有推杆9，推杆9能沿电动气缸3的内壁直线滑动，推杆9的一端设置在电动气缸3的缸体内，另一端伸出电动气缸且与环形块4的一端面连接，主轴箱1上靠近环形块4的一面开设有收纳凹槽13，用来在不测量刀具时收纳环形块4，环形块4呈圆环形柱体，收纳凹槽13与环形块4的外轮廓一致，环形块4中间的空心部分套在主轴2的刀柄7外侧，环形块4与切削部分8不接触，环形块4的圆环内壁上安装有激光测径仪5，激光测径仪5用于测量刀具切削部分8的直径数据，2个位移传感器6呈对称设置在环形块4与推杆9连接端面的另一面，位移传感器6用于测量刀具切削部分的长度有无变化。

当切削部分8对工件进行加工时，由环形块4激光测径仪5和2个位移传感器6组成的测量机构整体由推杆9带动缩进主轴箱1内，等到切削部分8加工完一段程序需要检测磨损数据时，主轴2会带动刀柄7和切削部分8回到设定好的零点位置，随后电动气缸3推动推杆9带动环形块4以及环形块4上的激光测径仪5和2个位移传感器6伸出主轴箱1至推杆的最大行程，如图2所示为环形板伸出时的状态。

如图3所示为该刀具补偿数据的测量方法逻辑流程图，在切削部分8回到零点位置开始测量时，推杆9伸出至最大行程，同时主轴2带动刀柄7和切削部分8做低速转动，便于激光测径仪5测量切削部分8的转动状态下的直径，然后激光测径仪5开始工作，这样测得的数据更加接近刀具切削部分8工作时的真实数据。经过上述直径测量过程后，测得的数据经过数控加工中心处理器与初始工作时切削部分8的直径数据标准值进行对比，当标准值与测得的数据之差小于最大补偿量时，数控加工中心处理器自动生成刀具需要的半径补偿值并把该半径补偿值加入到下一段加工程序中；当标准值与测得的数据之差大于最大补偿量时，系统就会自动发出警，以提醒操作者对切削部分8进行检查。

当半径补偿值测量完毕并且加入到下一段程序后，位移传感器6开始工作，如图2所示，切削部分8上有第一测量点10、第二测量点11和第三测量点12，首先位移传感器6测得第一测量点10与位移传感器6之间的距离，得到一个数据值T1，然后电动气缸3带动推杆9以及固定在推杆9上的环形块4向主轴箱1的方向运动，当环形块4上的位移传感器6经过第二测量点11时，位移传感器6测得位移传感器6与第二测量点11之间的距离数据T2，推杆继续运动，位移传感器6测得位移传感器6与第三测量点12之间的距离数据T3，T3相对T1和T2差别较大，为突变，故数控加工中心处理模块认定第三测量点12作为切削部分8参考点，刀具切削部分8长度上的磨损大多发生在刀尖或切削刃位置，而不会发生在刀具安装处，即第一测量点10和第二测量点11之间的长度即切削部分8的实际长度，第一测量点10和第二测量点11就作为刀具切削部分的特征点，位移传感器6记录切削部分8的长度后通过处理模块记录该数值并且将该数值与切削部分标准长度进行对比，当标准长度与测得的切削部分8的实际长度之差小于最大补偿值时，系统就自动把该补偿值加到下段加工程序中；当标准长度与测得的切削部分8的实际长度之差大于最大补偿值时系统会发出警报，以提醒操作者对刀具进行检查，结合实际情况确定是否需要更换刀具。

经过以上的刀具半径补偿和刀具长度补偿，数控加工中心的处理器将刀具号、补偿类型和补偿值发送至数控加工中心，数控加工中心处理器自动生成刀具补偿程序，然后数控机床会根据最新的刀具补偿数据完成接下来的加工。

进一步的，当加工的零件为批量加工的小型零件时，每加工10件产品对刀具切削部分8测量一次，当单独生产大型零件时，根据实际生产情况在一定的程序步骤后对道具进行测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，采用的数控加工中心刀具磨损自动补偿装置包括主轴箱、主轴、电动气缸、环形块、激光测径仪和位移传感器，所述主轴一端设置在主轴箱内，另一端安装有刀柄且伸出主轴箱外，刀柄上安装有切削用的刀具，至少两个电动气缸对称设置于主轴箱内的主轴外侧，且电动气缸的轴线与主轴的轴线平行，电动气缸内设置有能沿气缸体内壁直线运动的推杆，电动气缸的推杆外端与环形块的一端面连接，主轴和刀具均从环形块的中心穿过，主轴、刀具均与环形块的内腔壁之间有间隙，所述环形块上设置有激光测径仪，环形块的另一端面设置有至少一个位移传感器，所述激光测径仪和位移传感器分别与数控加工中心处理器建立通讯连接，所述主轴箱靠近环形块一面设置有环形块收纳凹槽，当激光测径仪和位移传感器工作时，推杆推动环形块伸出主轴箱，反之，推杆带动环形块缩回主轴箱上的收纳凹槽中；所述环形块为与主轴同轴线的圆环形柱体；所述推杆外端与靠近主轴箱的环形块的环形外壁的端面固定连接；所述激光测径仪安装于环形块的圆环形内壁上；

其特征是，所述数控加工中心刀具磨损自动补偿方法包括如下步骤：

步骤1：数控加工中心结束加工工件后，主轴带动刀柄上的刀具回到设定好的零点位置，并且停止转动；

步骤2：电动气缸推动推杆带动环形块整体自主轴箱向刀具方向移动，至推杆的最大行程；

步骤3：主轴带动刀具的切削部分缓慢旋转，同时激光测径仪开始工作，激光测径仪测得的刀具直径并传输至数控加工中心的数据处理模块；

步骤4：数控加工中心的数据处理模块记录刀具切削部分的实际直径，并且将刀具切削部分实际直径与刀具切削部分的标准直径进行对比；

步骤5：若刀具切削部分的标准直径与刀具切削部分实际直径之差小于等于最大补偿值，则系统自动根据测得的数据生成刀具补偿值，并将刀具补偿值加到下一段加工程序中；若刀具切削部分的标准直径与刀具切削部分实际直径之差大于最大补偿值，则系统发出警报信号，提醒操作人员检查核实是否更换刀具；

步骤6：若步骤5不需要更换刀具，则在半径补偿值加到下段程序以后，位移传感器开始收集数据，位移传感器收集数据时推杆自最大行程处开始收回至电动气缸内，在收回的过程中依靠刀具切削部分上的特征点和参考点完成刀具切削长度的测量，并且将位移传感器测得的刀具直径并传输至数控加工中心的数据处理模块，测量完成后主轴停止低速转动，推杆带动环形块收回至主轴箱上的收纳凹槽里；

步骤7：若刀具切削部分的标准长度与刀具切削部分实际长度之差小于等于最大补偿值，则系统自动根据测得的数据生成刀具补偿值，并将刀具补偿值加到下一段加工程序中；若刀具切削部分的标准长度与刀具切削部分实际长度之差大于最大补偿值，则系统发出警报信号，提醒操作人员检查核实是否更换刀具；

步骤8：若步骤7不需要更换刀具，则刀具补偿完成后，数控加工中心的处理器将刀具号、补偿类型和补偿值发送至数控加工中心，数控加工中心的处理器自动生成刀具补偿程序，然后数控机床会根据最新的刀具补偿数据完成接下来的加工主轴继续加工工件，直至下一次对道具进行测量，重复步骤1-7。

2.如权利要求1所述的一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，其特征是，所述主轴能绕主轴轴线转动。

3.如权利要求1所述的一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，其特征是，所述电动气缸内径和推杆外径相同，电动气缸与推杆同轴线，且两者的接触表面均为光滑圆柱面。

4.如权利要求1所述的一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，其特征是，所述收纳凹槽与环形块外轮廓一致，收纳凹槽的深度与环形块厚度一致。

5.如权利要求1所述的一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，其特征是，所述收纳凹槽与环形块的表面均为光滑表面。

6.如权利要求1所述的一种数控加工中心刀具磨损自动补偿方法，其特征是，所述推杆在电动气缸内的伸出口设置在收纳凹槽的内端面上。

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