摘要：鉴于数控机床操作中对刀的重要性以及在传统教学中差强人意的效果，从另外一个角度论述了数控机床对刀的教学问题和数控机床对刀刀补值的由来。通过分析教学重点，使数控车床和铣床对刀教学从以前条条框框的说教式教与学的模式中解脱出来，非常有利于教师教学和学生学习，对学生数控技能的提高有一定的帮助。
关键词：对刀；偏差；补偿值
对刀，也就是把毛坯和刀具在无精确位置要求的情况下装夹在机床上之后，使数控系统运行用户程序对毛坯进行精确加工的人工或自动的预处理过程。对刀是数控机床实现自动加工至关重要的一步，对刀的精度将决定工件加工的精度，对刀的效率也将决定工件加工的效率。
一、数控车床和铣床要对刀的原因
数控机床尽管精密，智能化程度高，但那也是在程序支配开始自动运行以后的事，其他时候则远非如此。
（一）工件的形状和大小是多变的，毛坯在机床工作空间的装夹位置是不确定的
对刀以后再装夹毛坯时，毛坯的位置就必须要确定，否则又要重新对刀。工件的多样性对应毛坯的多样性，工件的形状和大小变化无穷，则毛坯的形状和大小就千变万化；对于位置来说，数控车床在对刀之前，毛坯在主轴上方向上的装夹，是没有严格位置限制的，在铣床和铣削加工中心上，毛坯装在整个工作空间的位置也是没有限制的，并且如果机床具有坐标旋转功能的话，工件坐标系的XY轴不平行于机床的XY轴装夹也是可以的。所以，要想实现正确加工，就必须把这些信息告诉数控系统。
（二）刀具的形状和大小是多变的，在主轴或刀架上的装夹位置是不确定的
对刀以后再装夹毛坯时，毛坯的位置就必须要确定，否则又要重新对刀。我们也需要主动告诉数控系统。那么，完成这些工作的过程也就是对刀操作了，具体包括数控车床位置和半径补偿值的处理，数控铣床和数控铣削加工中心的长度和半径补偿值的处理。
二、绝对坐标系
绝对坐标系是我们的教学重点，它与刀具补偿值的产生有密切关系。由于数控系统的差异，有的系统会提及绝对坐标系，有的系统就没有这个名词，其实从原理来说，无论哪个系统都是有的，只是叫法不一样，在FANUC、GSK系统中叫绝对坐标系，在华中系统中叫工件坐标系，在SIEMENS系统也叫做工件坐标系。之所以说“绝对”，是因为它是数控系统运行用户程序所依据的坐标系，运行用户程序时，无论实际的毛坯在什么位置，数控系统都会以这个坐标系为依据运行程序，它是数控机床除了机械坐标系之外我们最为关注的坐标系。利用数控系统的特有功能———刀具补偿，使刀具实际的运行位置发生偏移，这也就是刀具的位置和长度补偿。它极大地解决了程序与刀具的关系问题，编程序不再需要过多考虑刀具问题，只需要把刀具看作一个点，按精加工路线编程序，并把长度和半径补偿写进程序，之后就可以通过修改刀具补偿值以不变应万变，实现程序与刀具的分离。工艺改变时修改程序，而不用改动刀具；刀具参数改变时，只需要修改刀具补偿值，而不用修改程序。用这个方法对刀时，车床不用再去处理绝对坐标原点的位置（在任何位置都可以），铣床也不用再去处理绝对坐标Z轴方向原点的位置（在任何位置都可以）。
三、数控车床位置补偿值的由来———定位偏差
在数控车床上对刀时，许多资料都会以步骤操作的方式示人，以求得补偿值，至于说这个值是怎么来的，从来不会提起，致使老师教得机械，学生学得呆板，只知其一不知其二，实际情况稍有变化就会无所适从。下面我们来分析一下它的由来。在不对刀的情况下让刀位点定位于工件坐标系中的P点，而实际上由于数控系统是依据绝对坐标系运行的，并且它的指针是对刀参考点，所以，系统会以对刀参考点为基准定位于B点，显然矢量AB=WP，那么这个定位就出现了偏差。由图可见，只要进行矢量BC的补偿（偏移）就可以实现正确定位了（也就可以实现正确加工了），所以，BC就是这把刀的位置补偿值，从图中矢量关系可以看出:
AB=WP
AB+BC=AC或WP+BC=AC
也即：BC=AC–AB或BC=AC–WP
AC：从当前绝对坐标系页面读到的绝对坐标值；
WP：用测量工具测量到的当前刀位点的工件坐标值。
也就是说，某把刀的位置补偿值等于当前绝对坐标值减去当前刀位点的工件坐标值，这也就是位置补偿值的由来。从对刀操作的角度来说，要进行刀具刀位点工件坐标值的测量，也就是试切后测量到的直径和长度值，资料只说其一不说其二，就是不说这是一个坐标，以至于有的同学输入数据时连正负号都搞不明白。如果系统具有计算功能，输入刀位点工件坐标值后，按执行键计算即可，如果系统不能计算，人工这样计算就可以。
W—工件坐标系原点
A—绝对坐标原点
P—刀位点需要定位到的工件坐标系目标点
C—对刀参考点需要定位到的工件坐标系目标点
B—对刀参考点实际定位到的绝对坐标系位置点
WP—刀位点的工件坐标矢量，AB=WP
AC—定位到实际目标点时对刀参考点的绝对坐标矢量
BC—刀架实际上需要从错误位置偏移的矢量值
当WP=AB=0时，也即刀位点重合于工件坐标系原点时，刀补值BC=AC，以此我们可以直观地用来验证对刀结果是否正确，如果对刀正确，当刀位点重合于工件坐标系原点时，当前绝对坐标值就是当前刀具的位置补偿值。当AC=AB时，即当前绝对坐标值等于刀位点的工件坐标值时，刀补值BC=0，此时不需要补偿，我们说绝对坐标系与工件坐标系“重合”，即刀位点与刀参考点二者的坐标值在同一时刻相同。
四、数控铣床长度补偿值的由来
对于铣床和加工中心的对刀，教课书上极少提到，机床操作说明书上也是条条框框式的操作，其实铣床和加工中心的对刀和车床的原理也是一样的。对于铣床和铣削加工中心（三坐标立式铣床）来说，由于任何刀具的刀位点在XY方向都是重合的，故需要多把刀时，只要用其中任意一把刀重新设立一下绝对坐标系原点，使其在XY方向和工件坐标系重合（用G92、G50、G54-G59，Z方向在任何位置均可），之后就可以处理刀具的长度补偿值了，任何一把刀的长度补偿值都等于当前Z向绝对坐标值减去当前刀位点的Z向工件坐标值（以G43进行长度补偿为例，当然，如果用G44的话，值的正负与G43相反），求得补偿值后输入相应位置，如此即完成了对刀。对于有刀柄的气动换刀的铣床，如果用主轴下端面中心当刀位点来使绝对坐标与工件坐标原点重合，还可以实现机外对刀。
五、对刀操作
（一）车床对刀之精度
对刀操作（精确求取刀位点的工件坐标值）的方法有多种，较常用的有两种，即定点对刀与试切对刀，前者也就是把刀位点放到工件坐标的一个已知点上，之后输入这个坐标点，求得补偿值，操作较为简单，不用切削，不伤毛坯，由是但于人眼的误差，其精度十分有限；后者就是用刀具切削一下工件，之后测量切削后的长度或直径，求得刀位点的坐标，进而求得目标值，这时的精度取决于测量工具和读数误差，一般说来要比前者高得多。
（二）车床对刀之试切
一个半精加工之后的毛坯，其余量已然很少，再要试切对刀，就要慎之又慎，最好另寻它法。试切时为了保证毛坯的完整性，不能切除过多，以切到能测量为准，多则不宜。沿X轴或Z轴切削，到终点稍等，以减小停主轴时，刀尖与工件的压力，停主轴，测量两轴上的坐标值，输入相应位置求目标值即可。
（三）车床对刀之测量值
试切之后要进行切削结果的测量，测量结果总是一个正数(长度或直径)，而实际我们要求取的是刀具刀位点的工件坐标值，是有正负之分的，这一点很多学生容易弄错，所以，同样的试切，如果选择的工件坐标原点的位置不一样或者选择的刀具的刀位点不一样，比如圆弧型车刀，既可以把圆弧圆心作为刀位点，也可以把它假想成尖型车刀，把刀尖作为刀位点，那么它的测量结果也可能是一样的，但是求得的刀位点的工件坐标值是肯定不一样的，其最终的补偿值也一定不一样。测量求得坐标值后还有一项重要的操作也极其重要，这就是即时性，输入刀具刀位点坐标值后，在刀具离开当前点之前，就要按下求取刀补值的键（FANUC系统是按测量键，华中系统是按确认键），否则对刀失败，其原因是很明显的，运算用的刀位点坐标值已经不是当前的刀位点坐标了。我们在教学过程中，重点讲述了上述内容，取得了较好的教学效果，学生对刀得心应手，刀效率有了很大提高，刀的精度也有了保障。
参考文献：
[1]张丽华,马立克.数控编程与加工技术[M].大连:大连理工大学出版社,2004.
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[3]黄益华,刘伟.数控加工编程和操作[M].北京:电子工业出版社,2006.
[4]王志平.数控机床及应用[M].北京:高等教育出版社,2007.
[5]赵长明,等.数控加工工艺及设备[M].北京:高等教育出版社,2003.
作者：朱卫国 孙国斌 樊留锁 单位：河南农业职业学院
