CN1354071A - 数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法 - Google Patents

Abstract

数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法涉及一种车床车刀刀尖圆弧半径值的测量方法。这种方法是采用一个车削试件,此试件是纵向截面为十字形的三圆柱叠加体,准确测量车削试件中部的大圆柱体的左端面至右端面的距离L,要求2≤L≤10毫米,再用待测量刀尖圆弧半径的车刀将试件右端的圆柱体以直径为d毫米的尺寸车削至车削试件中部的大直径圆柱体的右端面停刀,再从大圆柱体右端面的停刀点起将大圆柱体的侧面以45°角车削成锥面,准确测量锥台的底面直径为D毫米;将所得的参数D、d、L值通过键盘输入到数控车床所装的具有选择刀具、计算刀尖r值、r值寄存器、r值调用加工程序等功能的计算机硬盘中,使车床刀具具有精确定位和复位的功能。

Description

数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法

技术领域：

本发明涉及一种车床车刀刀尖圆弧半径值的测量方法。

背景技术：

一般车床采用的车刀刀尖在刃磨后似乎是尖的，但是在显微镜下可以看到实际上的车刀的刀尖是圆头的。这种车刀在一般工件的车削中可以通用，但在数控车床对工件进行精加工时，就必须测量出车刀刀尖的圆弧半径，将实测的车刀刀尖的圆弧半径值输入到数控车床的计算机中，由计算机进行补偿计算后，将计算值自动输入车削加工程序中，方可加工出精确的精密工件。但是实测的车刀刀尖的圆弧半径测量若不够正确，则在输入数控车床的数控系统中会构成对工件车削结果产生误差，这种误差可能使加工的工件的精度降级，甚至于报废。目前，在实际的数控车床的工件精加工中，测量车刀刀尖的圆弧半径的方法有两种，一种是将车刀的刀尖放在工具显微镜下观察，若选择在放大100倍的条件下测量出车刀刀尖的圆弧半径是50毫米，那么可确定此车刀刀尖的实际圆弧半径是0.5毫米。另一种方法是采用具有不同圆弧凹槽的卡规，将车刀的刀尖在逐个圆弧凹槽内核对，对上一个基本相符的凹槽，再根据此凹槽在卡规上的标注圆弧半径值来确定此车刀刀尖的圆弧半径值。这两种方法都较可靠、直观，但是因工具显微镜不能放在生产现场，又必须将刀具从车床上拆下方可测量，而拆下刀具的方式在很多生产场合下是不允许或是不经济、不方便的，如在成批量生产时就不允许取下刀具。由于上述两种测量方法都是静态测量，所以不一定符合刀具在实际切削时状态，尤其是当车刀刀尘的圆弧半径小于1/4圆周率时，就会产生不能符合实际切削的情况。

发明内容：

本发明是针对现有技术的不足，提供一种对数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法。这种方法是采用一个材料有足够刚性的车削试件，此车削试件的纵向截面为十字形的三圆柱叠加体，将三圆柱叠加体的左端圆柱插入数控车床的夹具盘中固定，测量中间大直径圆柱体的右端面至左端面的距离为L毫米，因为经车削后的L值不容易测量准确；然后用待测量刀尖圆弧半径的车刀从十字形的右端圆柱体的端顶以直径为d的尺寸车削至十字形的中部的大直径圆柱体的右端面停刀，然后从大圆柱体右端面上的停刀处起开始以θ为设定角，此设定角θ经计算以45°角为最佳角度车削至大圆柱体的左端面为止，并形成锥面，此时大圆柱体成为一个锥台，准确测量锥台的底面直径为D毫米，于是代入公式： $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}---\left(11\right)$

即可求得r值。

将r值输入到数控车床的刀具补偿寄存器中，再移入加工程序中。于是在数控车床启动加工程序时，数控车床即可自动使刀具精确定位和复位，加工出符合精度要求的工件成品。

为了将车削试件上求得的数据输入到数控车床的计算机中，可以在数控车床的计算机键盘上设置参数D、d、L的按键，并将选择刀具号、输入参数D、d、L和按公式(11)计算车刀的刀尖圆弧半径值r、将r值存入刀具补偿寄存器、调用r进入加工程序等功能制成软盘或光盘。再将软盘或光盘上的数据输入到数控车床中的计算机的硬盘中；也可直接将此功能直接装入数控车床的计算机系统中；于是使数控车床具有采用车削试件求取参数D、d、L后，自动编程并进入加工程序中使车刀具有精确定位和复位的功能。

装有上述功能的数控车床必须在其计算机控制盘上设置参数输入按键。

采用数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法的有益效果是其测量值更逼近刀具实际工作半径值，所以其测量精度高；测量时可以在线测量，不必一再卸下刀具作刀尖圆弧半径值测量，而只需将工件取下换上车削试件，用需要测量刀尖圆弧半径的车刀去车削换上的车削试件，然后测量参数D、d、L，最后由车床自动将车刀精确定位和复位；由此市售的数控车床在设置具有数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法的软件或硬件计算电路后，可使数控车床具有更完善的高精度车削功能。

下面将参照附图、实施例对本发明所述的数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法的计算基理、公式推导与应用方法作详细的阐述。

附图说明：

附图1是车削圆锥面、曲面时存在的实际切削点偏移分析示意图；

附图2是车削试件的结构示意图；

附图3是车削试件被车削后的结构示意图；

附图4是车削试件的编程轨迹与实际加工轨迹的偏移量示意图；

附图5是车刀刀尖的间接测量值更逼近车刀的实际工作半径值的示意图；

附图6是车床数控系统中增加的计算刀尖圆弧半径r与应用r的编程程序流程图。

具体实施方式：

参照附图1：图1中的粗线条为编程理论轨迹，细线条为无刀补实际加工轨

           迹。其中    θ    为锥面的半锥角；

                        0    为X、Z两轴线的中心点；

P_b  为编程理论轨迹的X、Z轴线的中心点；

P_j  为实际刀尖轨迹的X、Z轴线的中心点；

X_oZ_o 为要求加工的圆弧的圆心点；X_o+r，Z_o+r  为实际加工的圆弧的圆心点；

ΔZ          为理论与实际轨迹的Z向差值；

h            为理论与实际加工的厚度差值；

R            为需要加工的工件圆弧半径。

1、加工锥面：

由于对刀时总是以刀尖圆弧上的X、Z向相应的最凸点A、B为准，而实际切削点总是弧线AB上与被加工表面相切的那一点，它随锥面的半锥角0值的变化而变化。由此，必然造成实际加工锥面对编程锥面的偏移。

可以推导编程点Pb与实际加工点Pj偏移量为

ΔX＝r(1-cosθ)                 (1)

ΔZ＝r(1-sinθ)                 (2)

＝r(sin+cosθ-1)                (3)

其X、Z分量为：

h_Δx＝r(sinθ+cosθ-1)/cosθ    (4)

h_Δz＝r(sinθ+cosθ-1)/sinθ    (5)

设编程表面母线方程为：

Z＝xtgθ+b    b为常数

则实际切削表面母线方程为：

Z＝xtgθ+b+h/cosθ

＝xtgθ+b+(tgθ+1-secθ)r    其中θ∈(0，π/2)

2、加工曲面：

曲面是用锥面加工来逼近获得的，以圆弧加工为例，它是用一系列切线加工来拟合的，随着轮廓步长参数的不断输出，0角不断变化，因此，同样存在对刀点与实际切削点的偏移，偏移量在圆弧的不同位置是不等的。

设编程圆弧的母线方程为：

(x-x_o)²+(z-z_o)²＝R²    其中x_o、z_o为常数；

则实际加工表面的母线方程为：

(x-r-x_o)²+(z-r-z_o)²＝(R+r)²    凹弧情况；或  (x-r-x_o)²+(z-r-z_o)²＝(R-r)²    图示凸弧情况；

由于上述偏移，车削任何不平行于X或Z轴表面时，肯定会因为刀尖圆弧半径的存在而产生加工误差，由于工艺及力学性能需要，刀尖半径r一般取0.2-1.5毫米，精车时，偏移误差将相对很大，故数控系统应按公式(1)、(2)或(4)、(5)提供半径补偿算法。

参照附图2、附图3、附图4：

附图3中的θ_b   是指理论半锥角；

         θ_o   是指实际半锥角。

附图4中的粗实线为无刀补实际加工轨迹，细虚线为编程理论轨迹。

上述偏移能否得到精确补偿，关键刀尖半径r的测量，宏观上看，刀尖半径r较小，普通方法不便测量，生产中常依经验估值，误差相当大。用工具显微镜等测量，既不便又有不合理之处。

经研究，采用间接测量法用车削试件，刀具不必半径补偿，按图3所示切削后用千分尺测出L、D、d；

其中要求L应尽量取小，一般取用2-10毫米；而锥面加工必须是θ为45°角；并要求车削试件的材料应有足够的刚性。

由图3可见编程轨迹与实际加工轨迹存在偏移量，由此可推导公式如下：

h＝r(sinθ+cosθ-1)                                        (3)

D-d/2-Ltgθ＝hsecθ                                       (6)

求出r ＝(D-d)-2Ltgθ/2(tgθ+1-secθ)                       (7)

其中          θ∈(0，π/2)，为编程设定值，因为当

0＝π/4时，∧r有最小误差，则可使 $r=(D-d)-2L/2(2-\sqrt{2})$

§对所测得的r值的误差评定：

对下述的误差评定内容所引用的符号设定如下：

D_b、d_b、L_b、为                编程值、即理论值，

D_o、d_o、L_o、θ_o、r_o为       相应表面真实值；

D_c、d_c、L_c、θ_c、r_c为       实测值，

ΔD、Δd、ΔL、Δ0、Δr为        测量误差值。

§Δr的影响因素：

公式(7)中，D与0的相关因素，当θ_o不等于θ_b时，可导出D与θ的变化关系：    d_o＝[2r(sec²θ-secθ×tgθ)+2Lsec²θ]d_o

当取0＝π/4时，

故必须严格控制车床加工锥面时的0角误差，使(θ_o-θ_b)→0，

当(θ_o-θ_b)→0时，此时D_o、d_o的加工误差敏感因素主要是丝杠间隙，主轴径跳，卡盘径跳、安装偏心，但对(D_o-d_o)而言，上述误差均可设法消除，使|(D_o-d_o)-(D_b-d_b)|→0，L_b取值于L_c，故L_b＝L_c

§Δr的计算；

r_o＝(D_b-d_b)-2L_b tgθ_b/2(tgθ_b+1-secθ_b)

  ＝(D_o-d_o)-2L_o tgθ_b/2(tgθ_b+1-secθ_b)

此时测量误差为主要误差，其它误差均可忽略，

Δr＝r_c-r_o

＝(ΔD-Δd)-2ΔLtgθ_b/2(tgθ_b+1-secθ_b)             (9)

于是r_c＝(D_c-d_c)-2L_ctgθ_b/2(tgθ_b+1-secθ_b)

§Δr的极限值与θ角问题：

令X＝D-d，Y＝L，公式(7)可化为

r＝X-2Ytgθ/2(tgθ+1-secθ)                             (10)

因为杠杆千分尺测量误差≤0.001毫米，

所以    X∈[-0.002+(D_o-d_o)，0.002+(D_o-d_o)]

        Y∈[-0.001+L_o，0.001+L_o]

|Δx|≤|ΔD|+|Δd|＝0.002毫米，

|ΔY|≤|ΔL|＝0.001毫米，

因ΔX《(D-d)，ΔY《L

故有：|Δr|＝|dr|＝|r/X×ΔX+r/Y×ΔY|

           ≤|r/X|×|ΔX |+|r/Y||ΔY|

           ＝|ΔX|+2|tgθ|×ΔY|/2|tgθ+1-secθ|

           ≤0.001(1+|tgθ|)/|tgθ+1-secθ|显然，在测量误差相同的条件下，试件的(θ_o-θ_b)将决定|Δr|的误差值。

设f(θ)＝0.001(1+|tgθ|)/|tgθ+1-secθ|

令f′(X)＝0可解出，当θ＝π/4时，有f(θ)＝0.0034毫米，

加工试件目的是为了测出r，做试件的0角应设计为π/4；此时应按公式 $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}---\left(11\right)$ 计算，产生的 |Δr|_max＝0.0034毫米。参照附图5：附图5的  A、B是指实际工作时刀尖的触点；

     A、B′是指理论上工作时刀尖的角点；

     α是指A′、B′弧线与圆心0之间的夹角；

R    是需要加工的工件圆弧半径；

r    为刀尖圆弧半径；

A′、B′弧线    为细实线，指理论上刀尖弧线；

A、B弧线        为经磨刃后的实际刀尖弧线。

由于目前车床的数控系统均是按公式(1)、(2)或(4)、(5)进行补偿计算的，这种计算是把刀尖圆弧作为≥π/4的条件下来处理的，而实际刃磨刀具经常会出现附图5中的情况，此时r≤R，直接测量法得出的R，存在误差(R-r)，它随α减小而增大，而间接测量法却不受影响，得到的就是r。在许多情况下是不允许卸下刀具去作测量的，如在成批加工的过程中，就无法在加工的中途得知已磨损的刀尖半径r。而间接测量法只需将待车削的工件更换上车削试件，经车削测量后，将有关参数输入数控系统中，即可使车刀精确复位。

只要车床与数控系统的精度足够，间接测量法的测量精度不会低于直接测量法的测量精度。而实际使用中，间接测量法的测量精度明显高于直接测量法的测量精度。

在使用间接测量法时，如何保证|θ_o-θ_b|→0：

由于r的精确度与车床、数控系统的精度关系很大，所以必须在(θ_o-θ_b)→0时，才有上述的误差分析结果。

当车床加工锥面而形成的半锥角θ_o不等于θ_b时，将有公式(8)所示的

ΔD＝4LΔ0  ，经计算，要保证r的精确度至u级，应使

设L取5毫米，应使 $\mathrm{\Δ}{0}_{\max }\≤2(2-\sqrt{2})\×{10}^{-3}/4L=5.9\×{10}^{-5}\left(\mathrm{rad}\right)=0.2$

即要求车床导轨扭曲度及刀架纵向移动与总轴线的不平行总和小于0.059毫米/米。

对一般经济型及改造型的数控车床而言，应当每隔3-6个月，做一次用间接测量法测量出Δθ＝θ_o-θ_b，并记住这个Δθ。

当测量r时，编程计算用π/4，代入公式(七)时，θ_b＝π/4+Δθ，此时，(θ_o-θ_b)→0条件成立。

在加工车削试件时，刀尖务必与主轴中心线等高，否则会造成θ_o不等于θ_b的现象；并要求试件的材料应有足够的刚性；L值在2-10毫米范围内取一个值，使θ_o＝θ_b。因ΔD＝4L(θ_o-θ_b)，则L值越大，会使Δr越大，严重时会使测量方法失去其应有的精确度。对试件的加工要求必须符合附图4所示的要求。

参照附图6：

为了将车削试件上求得的数据能输入到数控车床的计算机中，可以在数控车床的计算机键盘上设置参数D、d、L的按键，并将选择刀具号、输入参数D、d、L和按公式(11)计算车刀的刀尖圆弧半径值r、将r值存入刀具补偿寄存器、调用r进入加工程序等功能制成软盘或光盘。再将软盘或光盘上的数据输入到数控车床中的计算机的硬盘中；也可直接装入数控车床的计算机系统中；于是使数控车床在采用车削试件求取参数D、d、L后，自动编程并进入加工程序中使车刀具有精确定位和复位的功能。

实施例1：

采用一个材料有足够刚性的车削试件，此车削试件的横截面为十字形的三圆柱叠加体，将三圆柱叠加体的左端圆柱插入数控车床的夹具盘中固定，准确测量三圆柱叠加体的中部大直径圆柱体的左端面与右端面的距离L为5毫米，然后用待测量刀尖圆弧半径的车刀，此车刀是自贡硬质合金厂生产的31303C(r＝0.3毫米)可转位刀片来车削车削试件，车削是从十字形的右端圆柱体的端顶以直径d为20毫米的要求车削至十字形的中部的大直径圆柱体的右端面停刀，然后从大圆柱体右端面的停刀点开始以45°角为设定角将大圆柱体的车削成锥面，使大圆柱体成为一个锥台，准确测量锥台的底面直径D为30.35毫米，于是代入公式(11)： $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}$

即可求得r值为0.2987毫米。再以此r值通过参数输入键输入到数控车床装有的r值刀具补偿寄存器中，并进入调用r值的加工程序之中。再启动此数控程序即可使车床的车刀按精确定位和复位的功能加工工件，使加工出的工件符合精度要求。

实施例2：

将选择刀具号、请输入参数L、d、L和按公式(11)计算刀尖值r、r值存入车床的刀具补偿寄存器、加工程序调用r等功能制成软盘或光盘。供装入数控车床中使用，但必须在其计算机输入键盘上设置参数输入按键。然后采用一个材料有足够刚性的车削试件，将车削试件的左端圆柱体插入数控车床的夹具盘中固定，精确测量车削试件中部的大直径圆柱体的左端面至右端面的距离L为5毫米，然后用待测量刀尖圆弧半径的车刀来车削车削试件，车削工作是从车削试件的右端圆柱体的端顶以直径d为20毫米的要求车削至车削试件中部的大直径圆柱体的右端面停刀，然后由大圆柱体右端面的停刀点起开始以45°角为设定角将大圆柱体的侧面车削成锥面，即使大圆柱体成为一个锥台，准确测量锥台的底面直径D为30.35毫米。即可将取得的L、D、d值通过数控车床的计算机键盘输入到具有刀尖圆弧半径r值的计算功能的计算机硬盘中，于是计算机可自动计算出r值，并及时存入寄存器，再输入到加工程序，最后数控程序可使车床的车刀具有精确定位和复位的功能。

Claims (3)

1、数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法，其特征在于采用一个车削试件，此车削试件的纵向截面为十字形的三圆柱叠加体，将三圆柱叠加体的左端圆柱插入数控车床的夹具盘中固定，精确测量车削试件中部的大直径圆柱体的左端面至右端面的距离L毫米，要求2≤L≤10毫米，然后用车刀从车削试件的右端圆柱体的端顶以直径为d毫米的尺寸车削至车削试件中部的大直径圆柱体的右端面停刀，然后从大圆柱体右端面的停刀处开始以0为设定角，此设定角0经计算以45°角为最佳角度，车削大圆柱体的侧面成为锥面，使大圆柱体成为一个锥台，准确测量锥台的底面直径为D毫米，于是代入公式 $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}$

即可求得r值；将r值输入到数控车床的刀具补偿寄存器中，再引入加工程序中使数控车床获得可使刀具精确定位和复位的功能。

2、根据权利要求1所述的数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法，其特征在于在数控车床的计算机键盘上设置参数D、d、L的按键，并在数控车床的计算机系统中引入选择刀具号、输入参数D、d、L和按公式 $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}$ 计算车刀的刀尖圆弧半径值r、将r值存入刀具补偿寄存器、调用r进入加工程序等功能的硬盘；于是将从车削试件上求得的参数D、d、L值、通过数控车床的计算机键盘上设置参数D、d、L值的按键直接输入数控车床的计算机的硬盘中。

3、根据权利要求1所述的数控车床车削刀具刀尖圆弧半径的间接测量法，其特征在于将选择刀具号、输入参数D、d、L和按公式 $r=\frac{(D-d)-2L}{2(2-\√2)}$ 计算车刀的刀尖圆弧半径值r、将r值存入刀具补偿寄存器、调用r进入加工程序等功能制成软盘或光盘；通过软盘或光盘可将所含内容输入到无此功能的数控车床的计算机硬盘中；并在此数控车床的计算机键盘上设置车削试件参数输入按键。

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