数控雕刻对刀装置的设计

　　数控机床可以在圆柱，圆锥和平面上雕刻各种字符，曲线和图案。单个CNC雕刻机的成本高并且处理效率不高。使用多位置固定装置可以大大提高雕刻效率，但是多位置的最大问题是，由于加工和制造原因，每个工件的尺寸和公差不能完全一致。例如，如果刻度和字符刻在圆柱表面上，则划线的深度通常为0.02-0.05mm。如果工件直径有误差(一般误差为0.01-0.05mm)，如果有圆柱度误差，则中心一侧的线深度较深，偏向圆心一侧刻线深度较深，不能满足加工要求。同样，在平面和圆锥面上雕刻时也存在上述问题。为了解决这个问题，特别是对于高精度雕刻，例如在仪器仪表上进行刻度雕刻，必须使用专用的雕刻工具设定装置。

　　一、对刀装置的机械结构及工作原理

　　如图1所示，雕刻机底座的主体以及工作台，固定装置和工件都是良好的导体，它们都连接到5V电源的接地端。当雕刻头固定在主体上时，中间使用一种特殊的绝缘材料，该绝缘材料与电路上的主体分开，并连接到5V电源的正极。 CNC系统发出对刀指令后，对刀装置向Z轴进给电机发出向下步进脉冲(步进距离为0.001mm)指令，然后检测雕刻头的电信号是否为低电平。例如，低电平指示雕刻头接触工件，例如高电平指示雕刻头尚未接触工件，并继续发送进给指令。刀具设置精度不得大于0.002mm。

　　多工位数控雕刻的对刀装置采用多个独立的控制系统，控制每次雕刻进给前多个雕刻头的自动对刀检测(配备特殊的数控系统，每个对刀控制系统在进给前后均独立工作)刀具设置完成后，CNC系统统一发送运动指令)。刀具设置采用电触点检测。雕刻头和工件分别是5V电源的正极和负极。接触后如果检测到相应的电信号，则将立即停止对刀。由于刀具处于高速旋转状态，为了实现可靠的电信号检测，有必要使用石墨碳刷压紧雕刻头外部固定部分与高速之间的接触。旋转主轴，以确保液位信号的可靠性和连续性。该方法的高灵敏度误差小于0.002mm，结合的可能性小于0.0001%。

　　二、对刀装置电路设计

　　多头对刀装置采用多个独立的单片机控制系统，主要功能如下：

　　(1)等待CNC系统发出刀具设定指令，并在收到刀具设定指令后开始刀具设定动作。 刀具设置操作完成后，反馈的刀具设置完成信号被发送到CNC系统。

　　(2)CNC系统可以随时释放刀具设置状态。

　　(3)切刀未对准时，从CNC系统接收z轴脉冲指令，然后将脉冲指令发送到MCU系统控制的电机。 实现Z脉冲的分配。

　　(4)根据面板拨盘开关确定是否为电动机。 电路图如图2所示：

　　当上位机发出刀具设置指令时，运动控制卡输出信号以开始刀具设置。 89C51单片机接收到该信号后，便开始控制74f157选择单片机发送的脉冲信号，并通过光电隔离和差动驱动来驱动对刀电机以开始对刀。 当工具接触到工件表面时，89C51微处理器可以立即捕获该信号，并控制相应的对刀电机停止移动，并输出该对刀完成信号的路径。 完成所有工件刀具设置后，74LS32将输出一个低点平面，该低点平面通知运动控制卡刀具设置已完成并准备开始加工。

　　三、可靠性保证措施

　　引入对刀装置可以解决上述一些列问题，但是也带来了严重问题。如果对刀信号出现问题，就会出现扎刀现象。刀具不停向下运动碰到工件表面仍继续向下运行，就会出现严重撞刀事故。，沙，不的这种现象一定要避免，否则雕刻机床根本无法正常运行。为了避免扎刀现象，采取了以下可靠性保证措施:

　　(1)雕刻头采取特殊设计结构。雕刻头结构设计图如图3所示。整个雕刻头作为一个电极，但是在雕刻头结构图中可以看到雕刻头机体和中间高速旋转轴是在做高速旋转相对运动。这两个导体之间的接触可以说不是100%可靠接触，这样检测刀尖电信号就会出现误差。实验证明:这种结构对刀扎刀率达到1% ~5%，严重影响使用性能。为了改进检测可靠性，在雕刻头上端部加装了一个压紧的石墨碳刷装置。石墨碳刷靠弹簧压力紧贴高速主轴。采用这种结构后实际扎刀率不超过0.0001%，目前在客户使用中还未见扎刀报告。

　　(2)高速主轴电机采用无刷直流电机，一方面无刷直流电机转速高达10000r/min，相比同转速交流电主轴价格要便宜许多。另外与普通直流电机相比，运行稳定可靠，没有电磁干扰，也极大减少了扎刀的概率。

　　(3)对刀装置软硬件也都采取了抗干扰措施。

　　四、结语

　　多工位数控雕刻对刀装置成功运用在全自动数控五轴雕刻机上，并取得良好的效果，生产效率较以前提高了6~7倍。