摘要：根據數控磨床（端面外圓磨床、螺母磨床）的工作特點及加工産品的工藝特性，自行設計的自動對刀裝置在磨削工序中進行自動對刀，可以更好地保證工件磨削的效率和質量。

1. 概述

　　（1）自動對刀裝置的主要功能。自動對刀裝置是數控磨床的必備部件，當數控磨床完成對工件的裝夾後，首先要通過自動對刀系統，找到砂輪對工件加工切入點的精确位置，即前道工序加工好的位置基準，以實現精确、高效的自動對刀功能，并将其數據記入機床數控系統進行處理，從而直接進行程序磨削，完成磨削工序。數控自動對刀系統其對刀精度可達0.003mm以内，較之傳統磨床的手動對刀（ 觀察火花）方式有大幅提高，從而可以減少工件磨削餘量，優化生産加工工藝，提高生産效率。因此，自動對刀裝置已廣泛應用在各類數控磨床上， 如數控床外圓磨床、端面外圓磨床、螺母磨削中心、齒輪磨床及曲軸磨床等。

　　（2）自動對刀裝置的測量原理。根據前道工序的加工特點，選擇正确的對刀基準，然後使測頭快速移動至所需的測量位置（此時測頭不接觸工件），要求該運動具有較高的重複定位精度，再通過直線軸或回轉軸的運動， 使測頭觸碰工件， 由數控系統采集數控軸的數據， 經過處理後找到正确的工件磨削位置（即砂輪表面距加工面0.1～0.3mm），此時已完成自動對刀，可轉入自動磨削程序。

　　（3）自動對刀裝置的結構形式。自動對刀裝置的結構形式主要有回轉式和直線式，這兩種方式的确定，首先取決于機床對自動對刀裝置布局位置上的滿足度，其次是測量精度、功能及可靠性上的要求，其要點是布局合理、結構緊湊，測量完畢後測頭要脫離磨削區域， 且不能影響工件裝夾、設備調試及砂輪更換等，同時要具有良好的防護密封性能。

　　回轉式的結構形式一般都采用液壓傳動方式，可以實現快速回轉減速定位，以保證重複定位精度及運行平穩性、可靠性；直線式結構采用液壓、氣動方式均可，但氣動方式結構緊湊，易于實現，且清潔無污染，通過加裝緩沖器也可實現較高的重複定位精度。因此，氣壓驅動的直線式結構在自動對刀裝置設計中應用較為廣泛。對于需要測頭直接觸碰工件進行對刀的特定場合，可采取數控軸驅動的設計方案，通過加裝光栅或測微計等測量元器件，能夠實現測頭直接獲取對刀位置坐标。

　　（4）測頭選擇。在自動對刀裝置測量單元的選擇上，有國際知名品牌馬波斯、雷尼紹、東京精密等，也有國内品牌如中原精密等，應從測頭的測量精度及性價比上考慮。值得注意的是，測頭的結構形式及探針的規格有多種，應根據對工件檢測的實際需要進行選取。

　　我公司在2015 年對英國MATRIX公司産的GNCA300端面外圓磨床和6900内螺紋磨床進行了數控化改造，根據改造機床的功能及其對加工精度的要求，設計了自動對刀裝置，具體介紹如下。

2. 數控端面外圓磨床自動對刀裝置設計

　　（1）對刀位置及方法。我公司數控端面外圓磨床主要用于磨削滾珠絲杠螺母的外圓及端面，自動對刀裝置用于測量端面位置，如圖1所示。

　　我公司螺母産品磨前工序一緻性誤差：大端面厚度誤差為0.3mm，總長誤差為0.5mm，因此在首件加工時，手動使測頭分别進至距大、小端面≥2mm處，記錄下數控軸坐标，為以後自動對刀的測頭切入位置。值得注意的是在任何情況下，測頭都不得與工件發生碰撞，否則會造成測頭的損壞。

　　（2）測量原理及系統控制。在首件工件裝夾完成後，手動設定好自動對刀起始安全位置（此時測頭未接觸工件），再啟動自動磨削程序：①X軸砂輪架退至安全位置，測頭伸出，X軸切入至大端面自動對刀位置，然後工作台沿Z軸正方向移動，測頭觸碰到端面後，系統記錄下位置1坐标，返回安全位置。②測頭再切入至小端面自動對刀位置，Z軸移動，測頭觸碰後系統記錄下位置2坐标，返回安全位置。③通過系統處理測頭、工件與砂輪的位置關系，實現自動磨削。

　　自動對刀裝置的安全保護措施應納入機床的磨削程序加以控制：在手動操作條件下，測頭可以任意伸出退回；在執行程序時，隻有在X軸和Z軸運行至對刀位置時，測頭才可以伸出，其他任何時候測頭無法伸出。當測頭退回時（含停機前的狀态），為了防止在停氣狀态下， 對刀機構下滑導緻測頭撞壞，電磁閥需使用有中位機能的三位四通電磁閥，中位機能為阻斷形式；同時，為了避免因電磁閥失靈在測頭未退回時，工作台或砂輪架的移動導緻測頭撞壞，氣缸需選用兩端帶磁石發信裝置的形式，即由磁感發信， 确認測頭已退回後，數控軸才能動作。

　　（3）機械結構設計。經我們了解，目前市場上尚無自動對刀裝置的系列産品，一般都是由機床生産廠家根據機床産品的需要自己設計。國内某知名磨床制造廠配套在端面外圓磨床上的自動對刀裝置為導柱導套加回轉控制、鑄件支座的結構設計，采用液壓驅動。我們認為導柱導套在直線傳動過程中會發生回轉，如加裝回轉控制機構， 結構過于龐大。因此，我們采用直線滾動導軌副傳動。直線滾動導軌副屬于閉式導軌，可以有效控制除直線運動外的自由度， 結構緊湊， 具有較高的運動精度及傳動效率， 潤滑方式為脂潤滑，方便有效， 故選用我公司生産的GGB20BAMN2P11X580-4型導軌副産品。在支架設計上，考慮到單機改造，采取鑄件形式成本高、周期長，故采取焊接件形式及人工時效，這樣結構更為緊湊，方便制造，且可以滿足輕載狀态下的直線運動要求。

　　自動對刀裝置安裝在機床上應滿足以下條件：①當測頭伸出時，在砂輪架（X軸）的有效行程内，使測頭既能到達工件中心，也能夠完全脫離工件。②當測頭退回時，應能夠退至最小砂輪直徑以内的位置，使得測頭盡可能遠離磨削區， 這有益于減少測頭污染和避免因更換工件及砂輪時發生碰撞。③安裝時應控制測頭移動軌迹與工件中心線垂直，測頭伸出至工作位置時，其中心高應與工件中心一緻（特别在自動對刀裝置斜置時），且重複定位精度應≤0.01mm。

　　在驅動方式的選擇上，基于輕載、簡潔及清潔上的考慮，我們采取氣壓傳動。氣缸選型，可按公式F=P·A–f，我們選取氣缸直徑為20mm，行程250mm，選擇壓縮空氣壓力0.3MPa，選用MAL20X250SCM型氣缸。其機械結構如圖2、圖3所示。

　　該機床在改造完畢後現已投入使用，運行情況良好，加工精度一緻性在0.002mm以内，自動對刀系統工作正常，對刀誤差≤0.002mm，降低了操作人員的技能要求，減小了勞動強度。操作人員首件加工完畢後，隻需上下工件即可，對刀及磨削完全由程序自動完成，可以實現一人多機工作，大大提高了生産效率。

3. 數控螺母磨床自動對刀裝置設計

　　（1）對刀位置及方法。我公司數控螺母磨床主要用于滾珠螺母螺紋滾道的磨削，對刀時通過螺母外圓上的返向器孔校準滾道中心（返向器孔加工時要求與滾道偏差≤0.03mm），對刀位置如圖4所示。

　　（2）測量原理及系統控制。螺母磨床的測量原理是通過工件上的返向器孔對刀，其對刀過程如下：夾校好工件後，X軸行至設定好的位置，測頭伸出，X軸正方向移動，測頭進入返向器孔，Z軸及C軸分别正負方向移動，系統通過測頭的觸碰獲取4個坐标，通過程序計算出滾道中心，将Z軸及C軸調整至正确螺旋線位置後，進行自動磨削。

　　（3）機械結構設計。螺母磨床自動對刀裝置在機械結構上應滿足以下條件：①測頭伸出時在機床縱向及高度方向上與砂輪中心一緻。②測頭退回時應低于砂輪電主軸端面。③測頭與砂輪中心在機床橫向上的距離應大于該機床能加工的最大螺母外圓尺寸。④測頭伸出時所在位置的重複定位精度要求≤0.002mm。

　　根據該型機床參數及加工範圍，氣缸行程應選250mm，氣缸型号為MAL20X250SCM。

　　由于螺母磨床結構較為複雜，砂輪架附近空間有限，在自動對刀裝置的結構設計上需要更加緊湊，GGB型導軌不能滿足要求， 我們選用我公司生産的GGC型滾動直線導軌，型号為GGC15BAK2P11X520-4，其機械結構設計如圖5所示。

　　螺母磨床的自動對刀裝置是在Z軸方向上伸縮，而對刀時需要記錄Z軸的坐标參數，故而在重複定位精度上的要求比端面磨要高得多，要求≤0.002mm，因此，為了提高重複定位精度，需要加裝緩沖及定位裝置。我們在此方面采用彈簧緩沖，根據彈簧的彈力公式F=k x及彈力系數k=Gd4/（8ND3）得出彈簧尺寸：1mm×10mm×28mm。其結構如圖6所示。

　　内螺紋磨床由于床身小，零部件多，自動對刀的支架設計應盡可能地減小空間占用；且該機床工作時，冷卻油油量較大，支架設計需要能夠做到嚴密防護。其結構如圖7所示。

　　在設計自動對刀裝置時，首先應根據被加工工件的設計工藝要求，選擇好正确合理的對刀基準及方法，這一點至關重要。如該設備改造，采取了以返向器孔為基準的對刀方法，能夠有效控制螺紋滾道中心對返向器的誤差在0.01mm以内，從根本上解決了手動看火花對刀所産生的誤差，大大提高了産品的質量及穩定性，同時為操作提供了便利，為實現一人多機創造了條件，大幅提高了生産效率。

4. 結語

　　目前數控機床已呈現高精度、高性能、柔性化和高效率的發展趨勢，同時因用戶使用數控機床時的加工對象、産品要求及加工工藝呈現不同的個性化特征，故對與之配套的機床檢測單元提出了更高的要求。因此，國内數控機床生産廠家和檢測單元的專業生産廠商應根據用戶不同的産品特點進行研發，能夠形成專業化、産業化的生産模式，以提高該領域的制造水平。

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