刀具测量装置的正确使用

随着加工中心的广泛使用，许多用户也开始使用刀具测量装置。它不仅可以检测刀具的磨损情况，而且可实现自动补偿(通过修改刀补值实现)，极大的提高了加工效率和精度。另外，同时使用其刀具破损检测功能与刀具寿命管理功能，还可以实现自动寻找同组刀具的功能，节约了刀具检查和更换的时间。但由于用户对测量原理不是很了解，使用时容易产生误区，有时补偿后的精度反而不如补偿前，这就使用户产生了迷惑，限制了测量装置的广泛使用。本文以英国雷尼绍(RENISHAW)公司TS27 R测头的安装调试为例，就如何更好的使用刀具测量装置做一详细介绍，供读者参考借鉴。

刀具测量的基本原理是利用系统的跳步功能(G31)：在程序中指令“G31 Zx x x Fx x x”(与GO1的动作相同)。但此时如果SKIP信号由“0”变为“1”时，Z轴将停止运动，再用宏程序控制坐标轴后退，然后再次碰触量块，反复测量并运算后得出刀具的实际长度和直径，最后修改系统宏变量从而达到修改刀补值的目的。

刀具测量装置的使用主要包括三个步骤：安装和接线；标定；测量。

1 安装和接线

刀具侧量装置通常包括测头和信号转换装置(硬件)及相关的测量程序(软件包)。测头(TS27R)安装在工作台上，并尽量远离加工区域，外部应加防护装置，使用前先将防护装置打开并将刀具用风吹干净(用M代码控制气动元件可实现自动)，确保刀具表面无杂物，测量完成后关闭防护。

测头安装完成后，首先要调整测头接触面的平行度和直线度。将一只百分表(或千分表DTI)吸在主轴头上，表头打在量块(圆形或方形)的上表面；用手轮控制X轴沿量块表面来回移动，观察表针变化，同时调整测头上的调节螺钉，使X向的直线度保证在0.010mm，调整好后紧固螺钉。再控制Y轴沿量块表面来回移动，同时调整测头上的调节螺钉，使Y向的直线度也保证在0.010mm，调整好后紧固螺钉。

转换装置(MI 8-4)用35mm标准导轨安装在电气柜里。需要注意的是，给转换装置提供DC24V的稳压电源最好是单独的，尽量不要和电磁阀或中间继电器共用电源，如果必须共用，就要考虑信号的抗干扰能力，否则可能会影响测量结果。

安装结束后，按照图1(三菱系统)或图2(FANUC系统)正确接线。

图1 测量装置接线原理图(三菱64M系统)

图2 测量装置接线原理图(FANUC-0i-M系统)

2 测头的标定

为了确定测头在机床坐标系中的坐标位置，需要对测头进行标定。以下情况进行测量前，都必须首先进行测头的标定：①首次使用前；②更换新量块后；③怀疑量块扭曲或测头安装松动；④意外碰撞后。

测头的标定步骤如下(手动标定)：

1) 量块Z向坐标值的确定执行机床返回参考点的操作，确认机床参考点；再选择一把标准刀具(已知该刀具精确的长度和直径，如主轴检棒)，手动使刀具运行到距离量块上表面10mm的地方(起始位置)，选择MDI方式，执行如下程序：G65 P9851 K149.536(K：代表标定循环，输入所选标准刀具的精确长度)，结束后就建立了量块的Z向坐标值。

2) 量块X,Y向坐标值的确定(以圆形量块为例) 在系统变量#530中设定“1”(沿X轴方向测量)，手动使标准刀具移动到距离量块中心表面约10mm的地方，执行程序：G65 P9852 S20.001 K12.7。［S：标准刀具直径，需输入精确值；K：表示标定循环，输入量块的理论尺寸(理论尺寸 2.7mm)〕，结束后就建立了量块在X方向的中心位置(循环结束后，主轴返回距离量块表面10mm的初始位置，准备进行下一次Y向的测量循环)。

修改方向变量#530=2，再次执行G65 P9852S20.001 K12.7，则可建立Y向的位置以及量块的尺寸。循环结束后主轴返回初始位置。标定的坐标值和量块的尺寸被存储到宏变量中(断电保持型)，以便在以后的测量宏程序中使用。

以上是手动标定量块位置的方法。还可以通过一些专用的标定程序自动标定。限于篇幅，这里不再赘述，详细的资料参见RENISHAW的手册介绍。

3 刀具的测量

标定完成后，就确定了量块的尺寸及其在机床坐标系中的位置，这时才可进行刀具测量。

1) 手动刀具长度测量(09851)用于测量旋转或非旋转的刀具的有效切削长度。

使用方法：手动使切削刀具定位到距离量块上表面10mm的地方，运行以下程序：G65 P9851 S80. T8[S80：被测刀具的理论切削直径，T8：刀具长度偏置号8〕。

图3 刀具长度测量 图4 刀具直径测量

2) 手动刀具直径测量(09852)测量切削刀具的有效切削直径(沿X或Y方向)。

使用方法：手动使切削刀具定位到距离量块上表面10mm的地方，运行以下程序：G65 P9852 S80. D8．[ S80.：切削刀具直径，D80.：刀具半径的偏置号码］。

机床运动步骤如下(见图4)：刀具以程序指定的速度沿X向(或Y向)快速运动→使刀具的侧面和量块的侧面产生一定距离(Rr)→然后Z轴向下运动，使刀具侧面和量块侧面在同样的高度→刀具以指定速度逼近量块→碰上量块后停止并后退一定距离→再减速逼近量块→碰上后再次停止并后退一定距离→然后刀具再运行到量块的另外一边(180°方向)→用同样的步骤进行测量。最后得出刀具的实际切削直径，同时自动修改其补偿值。下次加工时，就可以使用新的刀具半径补偿值了。

3) 自动刀具长度和直径测量(09853)测量旋转的切削刀具(或不旋转)的有效切削长度和直径，也可用于刀具破损检测。

注意：测量前，首先应在对应的刀具偏置表中设定理论的刀具长度和半径值。

编程格式：G65 P9853 Bb Tt[Dd Ss]；[]：代表选择项目
输入参数的定义，B按以下设定：B=1，仅测量长度(缺省设定);B=2，仅测量直径;B=3，长度和直径都测量。D：要更新的刀具半径偏置号码(仅用于旋转刀具测量)。如欲同时测量刀具长度和直径，则指令B=3，执行程序：G65 P9853 B3 ．T1. D20．S30。

机床运行步骤如下(见图5)：从刀库中选择刀具T1(A)→快速移动X和y轴→使刀具位于量块的上方(B)→快速向下移动到逼近位置并调用T1的刀具补偿值→慢速移动到净空位置(距离量块上表面10mm的地方)→测量刀具长度(旋转或非旋转，与09851的步骤一样)→测量刀具半径(旋转或非旋转，与09852的步骤一样)→退回起始点。

图5 刀具长度和直径自动测量

注意：如果未使用Ss，则必须在刀具补偿页面输入刀具半径的理论尺寸。

4) 刀具破损检测(09853)

使用方法：执行如下编程格式的程序，当检测到刀具的实际长度或半径的破损值已经超出设定范围时，会产生刀具破损报警或提示信息，用户可根据实际情况进行处理。

编程格式：G65 P9853 B1. T1. H0. 5 D8. S30.Q3 ．R3 ．Z-4. M30. 10. 01

其中：Hh中的h为刀具破损允许差值，如定义H0.5，即检查刀具损耗与偏置值是否在±0.5mm之内；Mm中的m为PLC的输入信号地址，当检测到刀具破损时，该信号将变为“1”，无破损时则为“0”。(此时的“M”代表宏变量，不同于一般的M代码，请使用者注意区分)。当定义M30时，则当检测到刀具破损时，宏变量#2030(即2000＋M)将变为“1”，此时不会出现报警，但可以在零件程序中检查#2030的状态，同时在PLC中处理该信号去报警或者去寻找同样的刀具(见例2)，后者需要系统具备刀具寿命管理的功能。

例1：破损刀具处理方法1——仅提示报警

M06 T1 选择T1刀具
G65 P9853 B1. T1. H0.5 检测刀具是否破损，如超差则会出现刀具破损报警
M06 T2 选择下一把刀进行加工

在上例中，只有破损超出0.5mm时才会产生“BROKEN TOOL”服警。当不适合使用报警信息的时候，可以使用标志位提示(在PLC中处理)。

例2：破损刀具处理方法2——选择同组(同样的)刀具继续加工

M06 T1 选择T1刀具
…… 加工
G65 P9853 B1. T1. H0.5 M30 检测刀具是否破损，如超差则会出现刀具破损报警
IF #2030 EQ1 GOTO N** 如果标志位为1，则跳转到N**段去，否则继续
M06 T2 选择下一把刀进行加工
N** (重新开始循环) N**：去寻找同组刀具(与破损刀具相同的刀具)的程序段

4 结语

刀具测量的过程比较简单，但首次使用前的调整和标定非常重要，用户一定要非常重视。当改变测头的安装位置后、测量精度经常有误差、怀疑测头松动、更换新量块或意外碰撞后，都必须重新进行标定。为了防止意外碰撞，可定期的检查SKIP信号是否灵敏。这可在系统的自诊断画面上看到：人为使测头动作，SKIP信号应该有0→1→0→1的变化。另外还应注意电缆的走线，尽量与动力线分开，并单独给转换装置提供DC24V电源。由于数控系统的不同，所使用的测量程序也不尽相同，但测量原理都是一样的。用户在使用前一定要明确机床所用的系统类型，再去购买专用的测头和测量程序软件。