CN113695987B - 直刃型刀具的自动对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直刃型刀具的自动对刀方法，采用激光对刀仪对固定连接在机床主轴上的所述直刃型刀具进行自动对刀，其中自动对刀分为多步依次进行对刀，每步对刀时先沿着与所述激光对刀仪的激光束垂直的方向来回移动以确定直刃型刀具的刀尖点的坐标位置，再依次正反向旋转所述直刃型刀具以确定所述直刃型刀具的零位角度。本发明可以实现自动化、高精度对刀，校正直刃型刀具起始角度，保证后续切割加工的顺利进行，并减少人工的对刀的时间成本，提高效率和对刀精度。

Description

直刃型刀具的自动对刀方法

技术领域

本发明涉及超声加工技术领域，尤其涉及一种直刃型刀具的自动对刀方法。

背景技术

蜂窝材料具有重量轻、密度小、比强度高、自熄性好等优点，广泛应用于航空、航天、导弹等设计要求比较严格的夹芯结构零件中。超声数控切割新工艺具有加工效率高、加工质量好、环境污染少、能耗低等显著优点，已成为蜂窝材料加工的一个重要发展方向。对刀是数控加工前的重要工艺过程，蜂窝材料直刃形刀具对刀需求不同于传统数控加工对刀，直刃型刀具切割过程中需要根据走刀路径调整刀刃角度，所以在对刀时除了需要获取刀具顶点Z坐标信息外，还需要额外获取直刃型刀具的零位角度信息，为直刃型刀具的切割刃在工件坐标系中的准确定位提供基础。手动对刀方法需要机床操作人员使用多次使用千分表等工具调整获取零位角度信息，该方法耗时、费力，且精度稳定性差，严重影响主轴切割声学系统的稳定性和可靠性，进而影响蜂窝材料加工的精度和效率。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种面向蜂窝材料超声切割加工中直刃型刀具的自动对刀方法，可以实现自动化、高精度对刀，校正直刃型刀具起始角度，保证后续切割加工的顺利进行，并减少人工的对刀的时间成本，提高效率和对刀精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种直刃型刀具的自动对刀方法，采用激光对刀仪对固定连接在机床主轴上的所述直刃型刀具进行自动对刀，其中自动对刀分为多步依次进行对刀，每步对刀时先沿着与所述激光对刀仪的激光束垂直的方向来回移动以根据是否遮挡所述激光束确定直刃型刀具的刀尖点的坐标位置，再依次正反向旋转所述直刃型刀具以根据是否遮挡所述激光束计算所述直刃型刀具的零位角度。

优选地，具体包括以下步骤：

S1：设定直刃型刀具的对刀位置，并将所述机床主轴移动到所述对刀位置；

S2：设定总对刀步数n，以及每一步使用的对刀回撤量；

S3：开始第i步对刀，沿第一进给方向移动所述机床主轴，直至激光被遮挡停止移动；

S4：沿第二进给方向回撤所述机床主轴，回撤距离为第i步的对刀回撤量，其中所述第二进给方向与所述第一进给方向相反；

S5：沿第一旋转方向旋转所述机床主轴，直至激光被遮挡停止旋转，并记录此时所述机床主轴的角度值SPi1；

S6：沿第二旋转方向旋转所述机床主轴，直至激光被遮挡停止旋转，并记录此时所述机床主轴的角度值SPi2，其中所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；

S7：根据步骤S5记录的所述机床主轴的角度值SPi1和步骤S6记录的所述机床主轴的角度值SPi2计算第i步的对刀角度SPi3；

S8：旋转所述机床主轴，调整所述机床主轴的角度值至步骤S7计算得到的第i步的对刀角度SPi3，完成第i步对刀；

S9：判断i是否小于n，如果是，则令i＝i+1，并返回步骤S3，如果否，则对刀结束，记此时的所述机床主轴的角度为所述直刃型刀具的零位角度；

其中，第一次执行步骤S3时，设定i＝1。

优选地，步骤S7中第i步的对刀角度SPi3的计算公式为：

优选地，所述第一进给方向为从所述对刀位置沿垂直于所述激光对刀仪的激光束的方向移动向所述激光束的方向。

优选地，所述第一旋转方向为绕所述机床主轴的Z轴顺时针或逆时针旋转的方向。

优选地，步骤S2还包括设定每一步使用的对刀进给速度，步骤S3中沿第一进给方向移动所述机床主轴具体为：沿第一进给方向以第i步的对刀进给速度移动所述机床主轴；步骤S4中沿第二进给方向回撤所述机床主轴具体为包括：沿第二进给方向以第i步的对刀进给速度回撤所述机床主轴。

优选地，步骤S2中设定的每一步使用的对刀进给速度时具体为：设定第i+1步使用的对刀进给速度小于第i步使用的对刀进给速度。

优选地，步骤S2还包括设定每一步使用的对刀主轴旋转速度，步骤S5中沿第一旋转方向旋转所述机床主轴具体为：沿第一旋转方向以第i步的对刀主轴旋转速度旋转所述机床主轴；步骤S6中沿第二旋转方向旋转所述机床主轴具体为：沿第二旋转方向以第i步的对刀主轴旋转速度旋转所述机床主轴。

优选地，步骤S2中设定的每一步使用的对刀主轴旋转速度时具体为：设定第i+1步使用的对刀主轴旋转速度小于第i步使用的对刀主轴旋转速度。

优选地，步骤S2中设定每一步使用的对刀回撤量时具体为：设定第i+1步使用的对刀回撤量小于第i步使用的对刀回撤量，且每一步使用的对刀回撤量不小于所述激光对刀仪的检测精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的直刃型刀具的自动对刀方法，解决了现有单光束激光对刀仪无法实现直刃型刀具的角度对刀的问题，使得直刃型刀具也能实现自动对刀，省时省力，精度稳定性好，且保证了主轴切割声学系统的稳定性和可靠性，进而提高了蜂窝材料加工的精度和效率。

附图说明

图1是本发明的直刃型刀具对刀系统的结构示意图；

图2是本发明的直刃型刀具对刀系统的侧面结构示意图；

图3是本发明优选实施例的直刃型刀具的自动对刀方法的流程图；

图4是本发明具体实施例的直刃型刀具的自动对刀示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

近年来兴起的激光非接触式对刀方法是一种借助激光线投射到被测刀具上，再通过遮挡后的光信息来获取刀具参数的方法，具有操作简单、省力且精度稳定性高等优点，是现代数控加工对刀的一种发展趋势。但是该激光非接触式对刀方法目前只能应用在只需确定刀尖点Z坐标以及刀具直径等信息的常规铣刀、钻头、磨头等圆柱形的回转工具的对刀，而无法应用于还需要额外获取零位角度等信息的直刃型刀具的对刀中。本发明根据蜂窝夹芯结构超声直刃型刀具结构特点，提出一种基于激光对刀仪的直刃型刀具自动对刀方法。

本发明采用激光对刀仪的理论依据是通过直刃型刀具的对称性，旋转主轴触碰激光，从而计算得出零位角度信息。如图1所示，是整个直刃型刀具对刀系统示意图，该系统中包括激光对刀仪1和直刃型刀具2，其中激光对刀仪1的主要功能部件包括激光发射器101和激光发射器102，激光发射器101向激光接收器102发射激光束301，如果该激光束301被物体遮挡(或部分遮挡)，激光接收器102无法接收到激光信号(或接收到的激光信号减弱)，则激光对刀仪1向机床数控系统反馈被遮挡信号。激光对刀仪1安装时一般须保证激光发射器101与激光接收器102在机床坐标系中的Z坐标相同，优选地，激光束301平行于机床坐标系的X轴或Y轴。

直刃型刀具2的中心位置与主轴中心位置201重合，在对刀的过程中通过调节主轴中心位置201来进行对刀。结合图2，对刀位置302为对刀流程开始时机床主轴需要移动到的一个特定位置，该位置处，直刃型刀具2位于激光束附近，激光束301的Z坐标位于直刃型刀具2的切削刃部分的最大和最小Z坐标之间(其中直刃型刀具切削刃最大Z坐标表示为309，直刃型刀具切削刃最小Z坐标表示为310)，直刃型刀具对刀截面长度307为直刃型刀具2与激光束Z坐标311相同的截面的长度，直刃型刀具对刀截面宽度308为直刃型刀具2与激光束Z坐标311相同的截面的宽度，主轴中心位置201到激光束301的垂直距离大于直刃型刀具2对刀截面长度的一半，且主轴中心位置201到激光束301的垂线与激光束301的交点到激光发射器101与激光接收器102的距离均大于直刃型刀具对刀截面长度307的一半；因此在选择激光对刀仪1的硬件和选择对刀位置时，需要保证激光对刀仪1的激光发射器101与激光接收器102之间的距离，即激光束301的长度大于直刃型刀具对刀截面长度307。

如图1，第一进给方向303为从对刀位置302沿垂直于激光束301的方向移动向激光束301的方向；第二进给方向304，为第一进给方向303的反方向。第一旋转方向305为沿机床Z轴顺时针(或逆时针)旋转的方向，第二旋转方向306与第一旋转方向305相反，为沿机床Z轴逆时针(或顺时针)旋转的方向。

本发明的一个实施例公开了一种直刃型刀具的自动对刀方法，采用激光对刀仪对固定连接在机床主轴上的直刃型刀具进行自动对刀，其中自动对刀分为多步依次进行对刀，每步对刀时先沿着与激光对刀仪的激光束垂直的方向来回移动以根据是否遮挡激光束确定直刃型刀具的刀尖点的坐标位置，再依次正反向旋转直刃型刀具以根据是否遮挡激光束计算直刃型刀具的零位角度。

如图3所示，是本发明优选实施例提出的直刃型刀具对刀的流程图，完整的对刀过程按以下步骤进行：

S1：设定直刃刀具对刀位置，并移动主轴到该位置。

S2：设定总对刀数步数n，以及每一步使用的对刀进给速度、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量。

对刀步数n是根据刀具加工精度要求确定，精度要求越高，需要的对刀步数越多，对刀过程时间越长，例如可以为3～5步。对刀进给速度、对刀主轴旋转速度主要由对刀仪激光精度决定，对刀仪精度越高，灵敏度越好，对刀进给速度和旋转速度就可以越快，反之则需要降低速度来保证对刀精度。设置对刀回撤量设置需从大到小设定，对刀最小回撤量是根据激光的精度决定，对刀仪激光精度越高，灵敏度越好，回撤量可以设置更小，对刀误差就会更小，但回撤距离不能小于激光对刀仪的检测精度。

其中在优选的实施例中，对刀进给速度、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量均逐步减小，也即第i+1步对刀进给速度、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量分别小于第i步对刀进给速度、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量。

S3：第i步对刀(i＝1，2，…，n，初始值为1)，沿第一进给方向、第i步对刀进给速度移动主轴，移动过程中如激光被遮挡则停止移动；

S4：主轴停止移动后，沿第二进给方向、第i步对刀进给速度回撤主轴，回撤距离等于第i步对刀回撤量；

S5：沿第一旋转方向、第i步对刀主轴旋转速度旋转主轴，旋转过程中如果激光被遮挡则立即停止旋转并记录此时主轴SP角度值SPi1。

S6：沿第二旋转方向、第i步对刀主轴旋转速度旋转主轴，旋转过程中如果激光被遮挡则停止旋转并记录此时主轴SP角度值SPi2。

S7：计算第i步对刀角度SPi3。第i步的对刀角度计算公式为：

S8：旋转主轴，调节SP角度值至SPi3，完成第i步对刀。

S9：如果i是小于n，则i＝i+1，重新执行到步骤S3～S8，否则对刀结束，记此时的主轴SP角度为主轴角度零点SP0。

通过本发明优选实施例提出的直刃型刀具对刀方法，解决了现有单光束激光对刀仪无法实现直刃型刀具的角度对刀的问题，使得直刃型刀具也能实现自动对刀，省时省力，精度稳定性好，且保证了主轴切割声学系统的稳定性和可靠性，进而提高了蜂窝材料加工的精度和效率。

如图4所示，是本发明的一个具体实施例的直刃型刀具的自动对刀过程示意图，下述主要描述了机床数控程序的实现过程。

以西门子840d系统的五轴机床为例。首先是激光对刀仪安装，当有物体遮挡住激光时，激光对刀仪会发送信号到数控机床。以此为依据，安装一个激光束与数控机床Z轴垂直，与X轴(或Y轴)平行的激光对刀仪。

程序执行过程：

对刀前准备：确定好对刀步数及对刀进给速度、进给方向、主轴旋转方向、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量。本实施例对刀步数为三步，第一进给方向为数控机床坐标系中X轴的正方向，第一旋转方向为顺时针旋转方向。对刀进给速度、对刀主轴旋转速度、对刀回撤量如下表1所示。

表1

通过机代码SPOS(主轴旋转角度)指令，执行SPOS＝0，将主轴角度归零。然后将刀具移动到合适位置通过$P_UIFR[15,X,TR]语句标定好X轴位置。同理，$P_UIFR[15,Y,TR]、$P_UIFR[15,Z,TR]等语句分别标定好Y轴、Z轴的位置，以便下一次对刀时会自动把刀具移动到合适的位置。

第一步对刀：对刀前准备完成后，执行G01MEAS＝1X-5F50指令，刀具以50mm/min对刀进给速度沿第一进给方向往激光束位置移动，遮挡到激光后对刀仪触发信号，刀具停止移动。然后再执行$P_UIFR[15,X,TR]＝$AA_IM[X]+0.25指令，刀具沿第二进给方向回退0.25mm。再执行MEAS＝1FA[S1]＝2000SPOS＝179，使主轴以2000°/min的速度沿第一旋转方向旋转，刀具遮挡到激光后触发信号停止旋转。此时得到一个SP旋转角度值SP11，用R69＝$AA_IM[SP1]指令，把该角度值存入寄存器R69中。同理，再执行MEAS＝1FA[S1]＝2000SPOS＝181指令，使刀具沿第二旋转方向旋转，遮挡激光得到一个旋转角度值SP12存入寄存器R70。再执行判断如果R69≥R70，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70)/2，反之，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70+360)/2。因此便可以算出刀具第一步回正角度SP13，存入寄存器R71。

第二步对刀：第一步对刀完成后，得到了第一步回正角度，执行SPOS＝R71指令，刀具回正角度。回正角度后执行G01MEAS＝1X-5F35指令，刀具以35mm/min的对刀进给速度沿第一进给方向，往激光束位置移动，遮挡到激光后对刀仪触发信号，刀具停止移动。然后再执行$P_UIFR[15,X,TR]＝$AA_IM[X]+0.1指令，刀具沿第二进给方向回退0.1mm。再执行MEAS＝1FA[S1]＝30SPOS＝179+R71，使主轴以30°/min的速度沿第一旋转方向旋转，刀具遮挡到激光后停止旋转。得到此时SP旋转角度值SP21，用R69＝$AA_IM[SP1]指令将角度值存入寄存器R69。同理，再执行MEAS＝1FA[S1]＝30SPOS＝181+R71指令，使刀具沿第二旋转方向旋转，得到一个旋转角度值SP22存入寄存器R70，再执行判断如果R69≥R70，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70)/2，反之，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70+360)/2，得出第二步回正角度SP23并存入寄存器R71。

第三步对刀：第二步对刀完成后，得到了第二步回正角度，执行SPOS＝R71指令，刀具回正角度。回正角度后执行G01MEAS＝1X-5F15指令，刀具以15mm/min的对刀进给速度第一进给方向，往激光束位置移动，遮挡到激光后停止移动。然后再执行$P_UIFR[15,X,TR]＝$AA_IM[X]+0.05指令，刀具沿第二进给方向回退0.05mm。再执行MEAS＝1FA[S1]＝15SPOS＝179+R71，使主轴以15°/min的速度沿第一旋转方向旋转，刀具遮挡到激光后停止旋转。得到此时SP旋转角度值SP31，执行R69＝$AA_IM[SP1]指令，存入寄存器R69。同理，再执行MEAS＝1FA[S1]＝15SPOS＝181+R71指令，使主轴沿第二旋转方向旋转，得到一个旋转角度值SP32存入寄存器R70。再执行判断如果R69≥R70，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70)/2，反之，执行计算方法R71＝R70+(R69-R70+360)/2。得出第三步回正角度SP33并存入寄存器R71。执行SPOS＝R71指令，将刀具回正。程序执行结束。

此具体实施例的整个对刀过程在一分钟左右(取决于初始角度)，对刀误差在0.2°以内。

本发明提出的直刃型刀具的自动对刀方法不需通过刀具遮挡激光的宽度来进行对刀，而仅需使用单光束激光，降低了直刃型刀具对刀过程对激光测试硬件的要求，可以使用目前市面上成熟的激光对刀仪，也可以使用激光开关进行自主开发。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (9)

1.一种直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，采用激光对刀仪对固定连接在机床主轴上的所述直刃型刀具进行自动对刀，其中自动对刀分为多步依次进行对刀，每步对刀时先沿着与所述激光对刀仪的激光束垂直的方向来回移动以根据是否遮挡所述激光束确定直刃型刀具的刀尖点的坐标位置，再依次正反向旋转所述直刃型刀具以根据是否遮挡所述激光束计算所述直刃型刀具的零位角度；

其中，所述自动对刀方法具体包括以下步骤：

S1：设定直刃型刀具的对刀位置，并将所述机床主轴移动到所述对刀位置；

S2：设定总对刀步数n，以及每一步使用的对刀回撤量；

S3：开始第i步对刀，沿第一进给方向移动所述机床主轴，直至激光被遮挡停止移动；

S4：沿第二进给方向回撤所述机床主轴，回撤距离为第i步的对刀回撤量，其中所述第二进给方向与所述第一进给方向相反；

S5：沿第一旋转方向旋转所述机床主轴，直至激光被遮挡停止旋转，并记录此时所述机床主轴的角度值SPi1；

S6：沿第二旋转方向旋转所述机床主轴，直至激光被遮挡停止旋转，并记录此时所述机床主轴的角度值SPi2，其中所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；

S7：根据步骤S5记录的所述机床主轴的角度值SPi1和步骤S6记录的所述机床主轴的角度值SPi2计算第i步的对刀角度SPi3；

S8：旋转所述机床主轴，调整所述机床主轴的角度值至步骤S7计算得到的第i步的对刀角度SPi3，完成第i步对刀；

S9：判断i是否小于n，如果是，则令i＝i+1，并返回步骤S3，如果否，则对刀结束，记此时的所述机床主轴的角度为所述直刃型刀具的零位角度；

其中，第一次执行步骤S3时，设定i＝1。

2.根据权利要求1所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S7中第i步的对刀角度SPi3的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，所述第一进给方向为从所述对刀位置沿垂直于所述激光对刀仪的激光束的方向移动向所述激光束的方向。

4.根据权利要求1所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，所述第一旋转方向为绕所述机床主轴的Z轴顺时针或逆时针旋转的方向。

5.根据权利要求1所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S2还包括设定每一步使用的对刀进给速度，步骤S3中沿第一进给方向移动所述机床主轴具体为：沿第一进给方向以第i步的对刀进给速度移动所述机床主轴；步骤S4中沿第二进给方向回撤所述机床主轴具体为包括：沿第二进给方向以第i步的对刀进给速度回撤所述机床主轴。

6.根据权利要求5所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S2中设定的每一步使用的对刀进给速度时具体为：设定第i+1步使用的对刀进给速度小于第i步使用的对刀进给速度。

7.根据权利要求1所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S2还包括设定每一步使用的对刀主轴旋转速度，步骤S5中沿第一旋转方向旋转所述机床主轴具体为：沿第一旋转方向以第i步的对刀主轴旋转速度旋转所述机床主轴；步骤S6中沿第二旋转方向旋转所述机床主轴具体为：沿第二旋转方向以第i步的对刀主轴旋转速度旋转所述机床主轴。

8.根据权利要求7所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S2中设定的每一步使用的对刀主轴旋转速度时具体为：设定第i+1步使用的对刀主轴旋转速度小于第i步使用的对刀主轴旋转速度。

9.根据权利要求1至8任一项所述的直刃型刀具的自动对刀方法，其特征在于，步骤S2中设定每一步使用的对刀回撤量时具体为：设定第i+1步使用的对刀回撤量小于第i步使用的对刀回撤量，且每一步使用的对刀回撤量不小于所述激光对刀仪的检测精度。

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