數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法的製作方法

2023-06-01 16:46:36 2

專利名稱：數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種車床車刀刀尖圓弧半徑值的測量方法。
背景技術：
一般車床採用的車刀刀尖在刃磨後似乎是尖的，但是在顯微鏡下可以看到實際上的車刀的刀尖是圓頭的。這種車刀在一般工件的車削中可以通用，但在數控車床對工件進行精加工時，就必須測量出車刀刀尖的圓弧半徑，將實測的車刀刀尖的圓弧半徑值輸入到數控車床的計算機中，由計算機進行補償計算後，將計算值自動輸入車削加工程序中，方可加工出精確的精密工件。但是實測的車刀刀尖的圓弧半徑測量若不夠正確，則在輸入數控車床的數控系統中會構成對工件車削結果產生誤差，這種誤差可能使加工的工件的精度降級，甚至於報廢。目前，在實際的數控車床的工件精加工中，測量車刀刀尖的圓弧半徑的方法有兩種，一種是將車刀的刀尖放在工具顯微鏡下觀察，若選擇在放大100倍的條件下測量出車刀刀尖的圓弧半徑是50毫米，那麼可確定此車刀刀尖的實際圓弧半徑是0.5毫米。另一種方法是採用具有不同圓弧凹槽的卡規，將車刀的刀尖在逐個圓弧凹槽內核對，對上一個基本相符的凹槽，再根據此凹槽在卡規上的標註圓弧半徑值來確定此車刀刀尖的圓弧半徑值。這兩種方法都較可靠、直觀，但是因工具顯微鏡不能放在生產現場，又必須將刀具從車床上拆下方可測量，而拆下刀具的方式在很多生產場合下是不允許或是不經濟、不方便的，如在成批量生產時就不允許取下刀具。由於上述兩種測量方法都是靜態測量，所以不一定符合刀具在實際切削時狀態，尤其是當車刀刀塵的圓弧半徑小於1/4圓周率時，就會產生不能符合實際切削的情況。

發明內容
本發明是針對現有技術的不足，提供一種對數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法。這種方法是採用一個材料有足夠剛性的車削試件，此車削試件的縱向截面為十字形的三圓柱疊加體，將三圓柱疊加體的左端圓柱插入數控車床的夾具盤中固定，測量中間大直徑圓柱體的右端面至左端面的距離為L毫米，因為經車削後的L值不容易測量準確；然後用待測量刀尖圓弧半徑的車刀從十字形的右端圓柱體的端頂以直徑為d的尺寸車削至十字形的中部的大直徑圓柱體的右端面停刀，然後從大圓柱體右端面上的停刀處起開始以θ為設定角，此設定角θ經計算以45°角為最佳角度車削至大圓柱體的左端面為止，並形成錐面，此時大圓柱體成為一個錐臺，準確測量錐臺的底面直徑為D毫米，於是代入公式r=(D-d)-2L2(2-2)---(11)]]>即可求得r值。
將r值輸入到數控車床的刀具補償寄存器中，再移入加工程序中。於是在數控車床啟動加工程序時，數控車床即可自動使刀具精確定位和復位，加工出符合精度要求的工件成品。
為了將車削試件上求得的數據輸入到數控車床的計算機中，可以在數控車床的計算機鍵盤上設置參數D、d、L的按鍵，並將選擇刀具號、輸入參數D、d、L和按公式(11)計算車刀的刀尖圓弧半徑值r、將r值存入刀具補償寄存器、調用r進入加工程序等功能製成軟盤或光碟。再將軟盤或光碟上的數據輸入到數控車床中的計算機的硬碟中；也可直接將此功能直接裝入數控車床的計算機系統中；於是使數控車床具有採用車削試件求取參數D、d、L後，自動編程並進入加工程序中使車刀具有精確定位和復位的功能。
裝有上述功能的數控車床必須在其計算機控制盤上設置參數輸入按鍵。
採用數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法的有益效果是其測量值更逼近刀具實際工作半徑值，所以其測量精度高；測量時可以在線測量，不必一再卸下刀具作刀尖圓弧半徑值測量，而只需將工件取下換上車削試件，用需要測量刀尖圓弧半徑的車刀去車削換上的車削試件，然後測量參數D、d、L，最後由車床自動將車刀精確定位和復位；由此市售的數控車床在設置具有數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法的軟體或硬體計算電路後，可使數控車床具有更完善的高精度車削功能。
下面將參照附圖、實施例對本發明所述的數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法的計算基理、公式推導與應用方法作詳細的闡述。


附圖1是車削圓錐面、曲面時存在的實際切削點偏移分析示意圖；附圖2是車削試件的結構示意圖；附圖3是車削試件被車削後的結構示意圖；附圖4是車削試件的編程軌跡與實際加工軌跡的偏移量示意圖；附圖5是車刀刀尖的間接測量值更逼近車刀的實際工作半徑值的示意圖；附圖6是車床數控系統中增加的計算刀尖圓弧半徑r與應用r的編程程序流程圖。
具體實施例方式參照附圖1圖1中的粗線條為編程理論軌跡，細線條為無刀補實際加工軌跡。其中θ為錐面的半錐角；0為X、Z兩軸線的中心點；
Pb為編程理論軌跡的X、Z軸線的中心點；Pj為實際刀尖軌跡的X、Z軸線的中心點；XoZo為要求加工的圓弧的圓心點；Xo+r，Zo+r為實際加工的圓弧的圓心點；ΔZ 為理論與實際軌跡的Z向差值；h為理論與實際加工的厚度差值；R為需要加工的工件圓弧半徑。
1、加工錐面由於對刀時總是以刀尖圓弧上的X、Z向相應的最凸點A、B為準，而實際切削點總是弧線AB上與被加工表面相切的那一點，它隨錐面的半錐角0值的變化而變化。由此，必然造成實際加工錐面對編程錐面的偏移。
可以推導編程點Pb與實際加工點Pj偏移量為ΔX＝r(1-cosθ) (1)ΔZ＝r(1-sinθ) (2) ＝r(sin+cosθ-1)(3)其X、Z分量為hΔx＝r(sinθ+cosθ-1)/cosθ(4)hΔz＝r(sinθ+cosθ-1)/sinθ(5)設編程表面母線方程為Z＝xtgθ+bb為常數則實際切削表面母線方程為Z＝xtgθ+b+h/cosθ＝xtgθ+b+(tgθ+1-secθ)r其中θ∈(0，π/2)2、加工曲面曲面是用錐面加工來逼近獲得的，以圓弧加工為例，它是用一系列切線加工來擬合的，隨著輪廓步長參數的不斷輸出，0角不斷變化，因此，同樣存在對刀點與實際切削點的偏移，偏移量在圓弧的不同位置是不等的。
設編程圓弧的母線方程為(x-xo)2+(z-zo)2＝R2其中xo、zo為常數；則實際加工表面的母線方程為(x-r-xo)2+(z-r-zo)2＝(R+r)2凹弧情況；或 (x-r-xo)2+(z-r-zo)2＝(R-r)2圖示凸弧情況；由於上述偏移，車削任何不平行於X或Z軸表面時，肯定會因為刀尖圓弧半徑的存在而產生加工誤差，由於工藝及力學性能需要，刀尖半徑r一般取0.2-1.5毫米，精車時，偏移誤差將相對很大，故數控系統應按公式(1)、(2)或(4)、(5)提供半徑補償算法。
參照附圖2、附圖3、附圖4附圖3中的θb是指理論半錐角；θo是指實際半錐角。
附圖4中的粗實線為無刀補實際加工軌跡，細虛線為編程理論軌跡。
上述偏移能否得到精確補償，關鍵刀尖半徑r的測量，宏觀上看，刀尖半徑r較小，普通方法不便測量，生產中常依經驗估值，誤差相當大。用工具顯微鏡等測量，既不便又有不合理之處。
經研究，採用間接測量法用車削試件，刀具不必半徑補償，按圖3所示切削後用千分尺測出L、D、d；其中要求L應儘量取小，一般取用2-10毫米；而錐面加工必須是θ為45°角；並要求車削試件的材料應有足夠的剛性。
由圖3可見編程軌跡與實際加工軌跡存在偏移量，由此可推導公式如下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)，為編程設定值，因為當0＝π/4時，∧r有最小誤差，則可使r=(D-d)-2L/2(2-2)]]>§對所測得的r值的誤差評定對下述的誤差評定內容所引用的符號設定如下Db、db、Lb、為編程值、即理論值，Do、do、Lo、θo、ro為 相應表面真實值；Dc、dc、Lc、θc、rc為 實測值，ΔD、Δd、ΔL、Δ0、Δr為測量誤差值。
§Δr的影響因素公式(7)中，D與0的相關因素，當θo不等於θb時，可導出D與θ的變化關係do＝[2r(sec2θ-secθ×tgθ)+2Lsec2θ]do當取0＝π/4時， 故必須嚴格控制車床加工錐面時的0角誤差，使(θo-θb)→0，當(θo-θb)→0時，此時Do、do的加工誤差敏感因素主要是絲槓間隙，主軸徑跳，卡盤徑跳、安裝偏心，但對(Do-do)而言，上述誤差均可設法消除，使|(Do-do)-(Db-db)|→0，Lb取值於Lc，故Lb＝Lc§Δr的計算；ro＝(Db-db)-2Lbtgθb/2(tgθb+1-secθb)＝(Do-do)-2Lotgθb/2(tgθb+1-secθb)此時測量誤差為主要誤差，其它誤差均可忽略，Δr＝rc-ro＝(ΔD-Δd)-2ΔLtgθb/2(tgθb+1-secθb) (9)於是rc＝(Dc-dc)-2Lctgθb/2(tgθb+1-secθb)§Δr的極限值與θ角問題令X＝D-d，Y＝L，公式(7)可化為r＝X-2Ytgθ/2(tgθ+1-secθ) (10)因為槓桿千分尺測量誤差≤0.001毫米，所以X∈[-0.002+(Do-do)，0.002+(Do-do)]Y∈[-0.001+Lo，0.001+Lo]|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|顯然，在測量誤差相同的條件下，試件的(θo-θb)將決定|Δr|的誤差值。
設f(θ)＝0.001(1+|tgθ|)/|tgθ+1-secθ|令f′(X)＝0可解出，當θ＝π/4時，有f(θ)＝0.0034毫米，加工試件目的是為了測出r，做試件的0角應設計為π/4；此時應按公式r=(D-d)-2L2(2-2)---(11)]]>計算，產生的 |Δr|max＝0.0034毫米。參照附圖5附圖5的 A、B是指實際工作時刀尖的觸點；A、B′是指理論上工作時刀尖的角點；α是指A′、B′弧線與圓心0之間的夾角；
R是需要加工的工件圓弧半徑；r為刀尖圓弧半徑；A′、B′弧線為細實線，指理論上刀尖弧線；A、B弧線為經磨刃後的實際刀尖弧線。
由於目前車床的數控系統均是按公式(1)、(2)或(4)、(5)進行補償計算的，這種計算是把刀尖圓弧作為≥π/4的條件下來處理的，而實際刃磨刀具經常會出現附圖5中的情況，此時r≤R，直接測量法得出的R，存在誤差(R-r)，它隨α減小而增大，而間接測量法卻不受影響，得到的就是r。在許多情況下是不允許卸下刀具去作測量的，如在成批加工的過程中，就無法在加工的中途得知已磨損的刀尖半徑r。而間接測量法只需將待車削的工件更換上車削試件，經車削測量後，將有關參數輸入數控系統中，即可使車刀精確復位。
只要車床與數控系統的精度足夠，間接測量法的測量精度不會低於直接測量法的測量精度。而實際使用中，間接測量法的測量精度明顯高於直接測量法的測量精度。
在使用間接測量法時，如何保證|θo-θb|→0由於r的精確度與車床、數控系統的精度關係很大，所以必須在(θo-θb)→0時，才有上述的誤差分析結果。
當車床加工錐面而形成的半錐角θo不等於θb時，將有公式(8)所示的ΔD＝4LΔ0 ，經計算，要保證r的精確度至u級，應使 設L取5毫米，應使0max2(2-2)10-3/4L=5.910-5(rad)=0.2]]>即要求車床導軌扭曲度及刀架縱向移動與總軸線的不平行總和小於0.059毫米/米。
對一般經濟型及改造型的數控車床而言，應當每隔3-6個月，做一次用間接測量法測量出Δθ＝θo-θb，並記住這個Δθ。
當測量r時，編程計算用π/4，代入公式(七)時，θb＝π/4+Δθ，此時，(θo-θb)→0條件成立。
在加工車削試件時，刀尖務必與主軸中心線等高，否則會造成θo不等於θb的現象；並要求試件的材料應有足夠的剛性；L值在2-10毫米範圍內取一個值，使θo＝θb。因ΔD＝4L(θo-θb)，則L值越大，會使Δr越大，嚴重時會使測量方法失去其應有的精確度。對試件的加工要求必須符合附圖4所示的要求。
參照附圖6為了將車削試件上求得的數據能輸入到數控車床的計算機中，可以在數控車床的計算機鍵盤上設置參數D、d、L的按鍵，並將選擇刀具號、輸入參數D、d、L和按公式(11)計算車刀的刀尖圓弧半徑值r、將r值存入刀具補償寄存器、調用r進入加工程序等功能製成軟盤或光碟。再將軟盤或光碟上的數據輸入到數控車床中的計算機的硬碟中；也可直接裝入數控車床的計算機系統中；於是使數控車床在採用車削試件求取參數D、d、L後，自動編程並進入加工程序中使車刀具有精確定位和復位的功能。
實施例1採用一個材料有足夠剛性的車削試件，此車削試件的橫截面為十字形的三圓柱疊加體，將三圓柱疊加體的左端圓柱插入數控車床的夾具盤中固定，準確測量三圓柱疊加體的中部大直徑圓柱體的左端面與右端面的距離L為5毫米，然後用待測量刀尖圓弧半徑的車刀，此車刀是自貢硬質合金廠生產的31303C(r＝0.3毫米)可轉位刀片來車削車削試件，車削是從十字形的右端圓柱體的端頂以直徑d為20毫米的要求車削至十字形的中部的大直徑圓柱體的右端面停刀，然後從大圓柱體右端面的停刀點開始以45°角為設定角將大圓柱體的車削成錐面，使大圓柱體成為一個錐臺，準確測量錐臺的底面直徑D為30.35毫米，於是代入公式(11)r=(D-d)-2L2(2-2)]]>即可求得r值為0.2987毫米。再以此r值通過參數輸入鍵輸入到數控車床裝有的r值刀具補償寄存器中，並進入調用r值的加工程序之中。再啟動此數控程序即可使車床的車刀按精確定位和復位的功能加工工件，使加工出的工件符合精度要求。
實施例2將選擇刀具號、請輸入參數L、d、L和按公式(11)計算刀尖值r、r值存入車床的刀具補償寄存器、加工程序調用r等功能製成軟盤或光碟。供裝入數控車床中使用，但必須在其計算機輸入鍵盤上設置參數輸入按鍵。然後採用一個材料有足夠剛性的車削試件，將車削試件的左端圓柱體插入數控車床的夾具盤中固定，精確測量車削試件中部的大直徑圓柱體的左端面至右端面的距離L為5毫米，然後用待測量刀尖圓弧半徑的車刀來車削車削試件，車削工作是從車削試件的右端圓柱體的端頂以直徑d為20毫米的要求車削至車削試件中部的大直徑圓柱體的右端面停刀，然後由大圓柱體右端面的停刀點起開始以45°角為設定角將大圓柱體的側面車削成錐面，即使大圓柱體成為一個錐臺，準確測量錐臺的底面直徑D為30.35毫米。即可將取得的L、D、d值通過數控車床的計算機鍵盤輸入到具有刀尖圓弧半徑r值的計算功能的計算機硬碟中，於是計算機可自動計算出r值，並及時存入寄存器，再輸入到加工程序，最後數控程序可使車床的車刀具有精確定位和復位的功能。
權利要求
1.數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法，其特徵在於採用一個車削試件，此車削試件的縱向截面為十字形的三圓柱疊加體，將三圓柱疊加體的左端圓柱插入數控車床的夾具盤中固定，精確測量車削試件中部的大直徑圓柱體的左端面至右端面的距離L毫米，要求2≤L≤10毫米，然後用車刀從車削試件的右端圓柱體的端頂以直徑為d毫米的尺寸車削至車削試件中部的大直徑圓柱體的右端面停刀，然後從大圓柱體右端面的停刀處開始以0為設定角，此設定角0經計算以45°角為最佳角度，車削大圓柱體的側面成為錐面，使大圓柱體成為一個錐臺，準確測量錐臺的底面直徑為D毫米，於是代入公式r=(D-d)-2L2(2-2)]]>即可求得r值；將r值輸入到數控車床的刀具補償寄存器中，再引入加工程序中使數控車床獲得可使刀具精確定位和復位的功能。
2.根據權利要求1所述的數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法，其特徵在於在數控車床的計算機鍵盤上設置參數D、d、L的按鍵，並在數控車床的計算機系統中引入選擇刀具號、輸入參數D、d、L和按公式r=(D-d)-2L2(2-2)]]>計算車刀的刀尖圓弧半徑值r、將r值存入刀具補償寄存器、調用r進入加工程序等功能的硬碟；於是將從車削試件上求得的參數D、d、L值、通過數控車床的計算機鍵盤上設置參數D、d、L值的按鍵直接輸入數控車床的計算機的硬碟中。
3.根據權利要求1所述的數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法，其特徵在於將選擇刀具號、輸入參數D、d、L和按公式r=(D-d)-2L2(2-2)]]>計算車刀的刀尖圓弧半徑值r、將r值存入刀具補償寄存器、調用r進入加工程序等功能製成軟盤或光碟；通過軟盤或光碟可將所含內容輸入到無此功能的數控車床的計算機硬碟中；並在此數控車床的計算機鍵盤上設置車削試件參數輸入按鍵。
全文摘要
數控車床車削刀具刀尖圓弧半徑的間接測量法涉及一種車床車刀刀尖圓弧半徑值的測量方法。這種方法是採用一個車削試件,此試件是縱向截面為十字形的三圓柱疊加體,準確測量車削試件中部的大圓柱體的左端面至右端面的距離L,要求2≤L≤10毫米,再用待測量刀尖圓弧半徑的車刀將試件右端的圓柱體以直徑為d毫米的尺寸車削至車削試件中部的大直徑圓柱體的右端面停刀,再從大圓柱體右端面的停刀點起將大圓柱體的側面以45°角車削成錐面,準確測量錐臺的底面直徑為D毫米;將所得的參數D、d、L值通過鍵盤輸入到數控車床所裝的具有選擇刀具、計算刀尖r值、r值寄存器、r值調用加工程序等功能的計算機硬碟中,使車床刀具具有精確定位和復位的功能。
文檔編號B23Q17/22GK1354071SQ0113803
公開日2002年6月19日 申請日期2001年12月21日 優先權日2001年12月21日
發明者周建來, 唐學飛 申請人:連雲港化工高等專科學校