数控车床多刀对刀实习教学优化初探及其他

化繁为简事半功倍——数控车床多刀对刀实习教学优化初探及其他广东梅州齿轮厂技工分校黄周祥2005年6月27日化繁为简事半功倍——数控车床多刀对刀实习教学优化初探及其他梅州齿轮厂技工分校黄周祥【内容提要】数控车床对刀实习教学是个难点。本文就此环节教学过程的优化处理及其相关的一些问题，试作初步探讨。文中并提出一种高效而简单的多刀对刀方法。【关键词】数控车床实操刀具偏差补偿分轴集中对刀一、相关背景介绍用手动试切法对数控车床多把车刀进行对刀及刀具偏差补偿，一直被公认为是十分棘手而又仍在广泛使用的操作方法。对于技校数控班的学生及其实习指导老师而言，属于一个困难程度较高的教学难点。数控车床在车削零件过程中，往往要用多把车刀。下面图一中的各种车刀，经常被数控车床使用。另还有各种可转位车刀（略）。图一中，1、切断刀；2、90°右偏刀；3、90°左偏刀；4、弯头车刀；5、凹圆弧成形车刀；6、直头车刀；7、凸圆弧成形车刀；8、宽刃精车刀；9、外螺纹车刀；10、端面车刀；11、内螺纹车刀；12、内槽车刀；13、内凹R槽成形车刀；14、通孔车刀；15、内凸R台成形车刀；16、盲孔车刀。如果把上述车刀中的任何一把装到数控车床上，不经过对刀就调用的话，立刻就会产生撞刀、撞工件，甚至损毁机床的危险。没经过对刀及刀具偏差补偿这道操作环节，数控车床的车削加工将是“无米之炊。”1、有一道工序，由机床启动到零件加工完毕，时间仅用6秒钟。2、在加工过程中，师傅发现零件外圆尺寸大了0.02毫米（一根头发丝的外圆直径约为0.07毫米），立刻停下机床，调出刀具偏差补偿数据U值进行修改，令相应的车刀在车削该外圆原尺寸的基础上，再增加0.01毫米的切削深度。3、无论是操作几十万元一台的外国数控车床，还是操作仅仅配上一个单板机的简易型数控车床；无论是使用JWK系统，还是使用FANUC或者SIEMENS系统，师傅们都密切地关注着所加工的零件尺寸变化情况，及时对刀，调整刀具偏差补偿数据U值或W值。（开数控车床若是囿于“一丝不苟”，就将成为“废品大王”，在岗的日子也就指日可数！）读数控专业的技工生到时都要拿数控车床中级操作证书。相关文件明确规定，考生必须掌握对刀与刀具偏差补偿理论知实和实际操作技能。（见“中级数控车床操作工的要求”知识要求第12条，技能要求第10条。）二、实施优化对刀实习教学过程的必要性对学生而言，随着入读技校的时间推移，应知知识和应会技能要由简到繁，与时俱进。实习指导老师则恰恰与学生相反，要处处设法变难为易，化繁为简。从远处、大处着眼，近处、细处着手，让学生“温故而知新”，在已掌握的知识、技能基础“平台”上，都能尽力“往上跳”，做到一课一得，尽快地使一位位当初按下数控车床最简单的一个按钮都显得胆怯的山乡“细妹细佬哥”，到时候都可以做到眼看图纸心编程，熟练地操作各式数控车床，成为社会急需的合格数控技工。这就是我们数控专业实习指导老师所要追求的最大工作目标。随着近年普通高中扩招，入读技校数控班学生的数理基础似乎一届逊于一届。在本人所带过的几届学生中，每当到了对刀实习环节，没有几个人不会视之为畏途。对于相关的书本知识，好些同学众口一词：不是说看过下几行，就联系不起上几行的内容了；或是说，看过两页，就分不清究竟是x轴方向还是z轴方向的数据了。究其原委，除了心理浮躁的因素之外，更有阅读、理解方面的问题。在数控车床实操机过程中，往往是做了上一步，不识下一步。这是一条拦路虎。此关不过，学数控的路子难以延伸；过程太缓慢太繁难，将会使相当部分眼高手低的学生“打退堂鼓”，好不容易才培育起来的学习兴趣也将前功尽弃！虽然目前较高档次的数控车床已配备对刀仪等先进设施，但其技术基础，特别是具体实际操作手法，仍属于手动试切法的对刀及刀具偏差补偿范畴。通过对毕业离校、已走上数控机床操作就业岗位学生的情况了解，他们在技校里学得的具体操作技能都还大有用场，具体到下文将要介绍的数控车床多刀分轴对刀的操作方法，也一样。实施优化对刀实习教学以前，很多学生往往是笔考试卷得分，实际操作不行。另外，限于我校现时条件，师生尚无法把课本上的理论知识全都付诸实践操作，安排的课时也不可能更多地用于对刀及刀具偏差补偿实习教学。因此，只有设法对此环节的实习数学过程进行优化，才有利于学生更好地掌握数控车床实习操作技能。三、优化后的多刀对刀实习操作方法实质对于数控车床实习操作，我校学生往往在第二学期就开始熟悉数控程序输入，调用，删除，复制，修改，用手动数据输入方式MDI调用各把车刀；用单把车刀完成或球头，台阶，或圆柱、圆锥体等模拟零件的车削，对于“基准刀”，“U值”，“W值”等也已有所了解。所谓多刀分轴对刀，是指各把车刀先对x轴（外圆），使各把车刀分别获取刀具偏差补偿值U；或是各把车刀先对z轴（端面），使各把车刀分别获取刀具偏差补偿值W。在使用经优化后的数控车床多刀对刀实操教学过程中，我对学生提出要求：要把理论课中所学到的知识与实习课中进行的实操过程进行对照。教科书《数控机床编程与操作·数控车床分册》中，有P26～P28、P50～P54、P100~P102等三处讲的都是讲对刀方面的内容。在车制广东省职业技能鉴定中级数控车床工知识考题SK（11201）实操零件（如图二，有修改，被删的螺纹部分，在熟悉用固定循环G22、G80车公制螺纹以后的综合实操中完成）过程中，学生可以用两种方法完成对刀操作。（参考图三所示，图中的4、5、6号车刀为备份，先不参加下文方法一的对刀。其中图三的1号刀为基准刀，与其关联的工件座标系原点，已按常规方法获得，下同，指方法二。）其中方法一如下（参考图三所示，这是优化前我校学生使用的一种对刀方法：1号刀的相关数值X1,Z1已按常规方法求得。略）1、让2号刀转至切削位置（在MDI状态下）；2、让2号刀的刀尖点和工件右端面对齐，并记录显示器Z轴数值Z2（在手动状态下）；3、让2号刀主切削刃和工件外径对齐，并记录显示器X轴X2（在手动状态下）；4、回零（在回零状态下，按“+Z”“+X”键）；5、让3号切槽刀转至切削位置（在MDI状态下）；6、让3号切槽刀左刀尖（或右刀尖）和工件右端面对齐，并记录显示器Z轴数值Z3（在手动状态下）；7、让3号切槽刀主切削刃和工件外径对齐，并记录显示器X轴数值X3；8、回零（同上）；9、让1号刀转至工作位置。10、X2–X1=U2Z2–Z1=W2X3–X1=U3Z3–Z1=W3以上计算均做代数减法。U2、W2即为2号刀的刀位刀具位置偏差值；U3、W3即为3号刀的刀位偏差值。（若图三中的4号、5号、6号车刀也要完成对刀操作，则从第9步开始，重复第5、6、7步骤一次，用4号刀得到Z4与X4；重复第1、2、3步骤二遍，用5、6号刀分别得到Z5、X5和Z6、X6。再用第10步的计算，分别获得4、5、6号车刀的U4、W4，U5、W5，U6、W6。第9步，10步则改写为第19、20步，第20步则含10道代数运算。略。）方法二的数控车床对刀实操，也是在我校已装备的CKJ7620—Ⅲ数控车床上进行的。该车床采用国产JWK数控系统（国内外具有代表性的三种控制系统之一。另二种为日本FANUC控制系统，德国SIEMENS数控系统，见数控教科书，略）。编程格式符合ISO国际代码标准。参加对刀的车刀共6把。如图三所示。方法二被本人称作多刀分轴集中对刀法，具体实操过程如下：A、用1号刀车出图三带加工符号的外圆（不用量尺寸，下同）。顺序调用2～6号刀，使各刀尖点分别与外圆相切，分别记下相切时各X轴数值X2～X6。并分别记作U2,U3,U4,U5,U6。B、用1号刀车出图三右端面。顺序调用2～6号刀。使各刀的刀尖点分别与右端面相切，分别记下相切时各z轴数值Z2~Z6。并分别记作W2,W3,W4,W5,W6。3号、4号刀都用左刀尖。操作时，A、B顺序可任意。按常规方法将U值W值输入机床数控系统，完成对刀。下表为我校03级数控班王亮珠同学测得的刀位偏差值（经检测，修正）CKJ76203—Ⅲ数控车床刀位偏差表U11.53W-19.02T04图三1号车刀为基准刀U-1.42W-1.46T02U2.9W-2.86T05U13.36W-12.83T03U-1.72W2.90T06我校02级数控班班长洪科同学（今在梅县车轴有限公司开数控车床）初次使用第一种方法对刀，在同学的协助下，用了近三个小时；03级数控班王亮珠同学用第二种方法对刀，约二十分钟完成。由于多刀分轴集中对刀法不用测量，也不用计算，所费时间，快者二十多分钟，慢者也仅约30分钟。因此，从03级学生开始，我规定人人都必须完成一份刀位偏差表。他们将该方法用于今年数控车床中级证书考试实操零件制作过程，效果明显。（相关成绩见梅州市劳动局所存考生档案，略）在学生用多刀分轴集中对刀过程中，我充分运用分数杠杆作用，明确要求学生；已做、未做的前后二位学生，必须共同完成如下二个监控项目后，我才记录成绩。（监控者不得动手操作，也不得动口。）1、换刀前，数控车床刀架必须先回到X120Z80处（G92刀具起始点）。2、——万一搞错，立刻就会产生撞刀撞工件，甚至损毁机床的危险。）我也是打起十二分精神在关注学生操作──仅仅是关注而已。每人的操作情况，都记入本子，以备到时评分。在车制图二零件过程中，1号刀、2号刀为外圆精车刀，（基准刀为1号车刀）；3号刀、4号刀为切槽刀；5号刀、6号刀为外圆粗车刀。所用的粗车、精车车刀和切槽刀，均含备份。在中级证书实操考试过程中，某号车刀出了问题，用手指轻摁按键，调整相应程序段中的T指令，很快就可用备份车刀续加工。对照本人从各种途径（包括一些教科书和上网查询的部分所得，见《数控加工工艺基础》P79、P153～155，覃岭主编；新编21世纪高等职业教育电子信息类规划教材《数控加工技术与实训》P112～114，蒋建强主编；张超英主编的《数控车床》P149～154。上网查google于2005年4月13日由刘建萍、郭建华合著的《数控车床精确对刀法》，等等）得到的多种对刀及刀具位置偏差补偿操作方法，至今我仍认为，本人归纳出来的多刀分轴集中对刀方法显得高效而简单，并以为此环节的教学优化是成功的——学生一学就会，不易遗忘，车出的零件合乎要求。四、学生对刀实操得到U值W值后的精度检测在前面第一部分文中讲到，数控车床师傅在操作过程中，对U值的控制精确度，达到0.01毫米，即一根头发丝直径七分之一的尺寸范围（W值同样也可以）。对照学生各人的对刀实操所得，几乎无一相同，其中最大的一项相对误差尺寸达0.42毫米。哪份最为准确？它与身份无关。人人都很关注，结论如何得出，并能尽快些吗？我让学生讨论、分析、归纳后，意见统一为一句话：做个工件量量看。图四为本人设计的数控车床刀位偏差补偿值检测件工作图，数控程序号定为%3000。这是基本程序。测量件材料可共用，亦可一人一份。图四中有六个台阶，各个外圆直径尺寸不固定，即一人一个尺寸系列，当不共用材料时，尺寸可以重复。六个台阶长度相同，直径尺寸如图按顺序变化。图中φ82至φ72，我规定分别由6号至1号车刀依次车出，以方便统一核查，即6号刀车出φ82处……1号刀车出φ72处，并以此顺序编制程序。下为供参考的基本程序：（精车部分）%3000（T10T20为外圆精车刀。T30T40为切糟刀，以左刀尖Z向为基准。T50T60为外圆粗车刀。均含备份。）N10G92X120Z80； N20T11S01M27; N30M03;（调用1号刀，准备车φ72处尺寸。转速700转/min。）N40G00X72Z1; N50G01Z-15F70; N60X74.5;（φ72处车出。） N70G26; N80T22;（准备用2号刀车φ74处。）N90G00X74Z-14; N100G01Z-30F70; N110X76.5;（φ74处车好。） N120G26；N130T33;（准备用3号刀车φ76处。）N140G00X76Z-29; N150G01Z-45F50;N160X78.5；（φ76处车好。）N170G26；N180T44；（准备用4号刀车φ78处。）N190G00X78Z-44；N200G01Z-60F50；N210X80.5；（φ78处车好。）N220G26；N230T55；（准备用5号刀车φ80处。）N240G00X80Z-59；N250G01Z-75F70；N260X82.5；（φ80处车好。）N270G26；N280T66；（准备用6号刀车φ82处。）N290G00X82Z-74；N300G01Z-90F70；N310X82.5M05;(φ82处车好，主轴停)N320G26T00M30；（程序结束）由于各人车的台阶外圆尺寸不同，我要求大家，无论是谁都要将基本程序复制到自己“户头”上第10个程序里去，即座号为1号的同学，复制时用的程序号为%3901，2号同学用%3902……第99位同学用%3999。其中头两位数字“39”为公用。即使共有99位同学参与，仍方便使用或查找。相关的台阶外圆直径尺寸，各人自理，但要报知以备查。一个人一个尺寸系列的检测件车好后，用千分尺检验。若偏离预定尺寸，如6号刀车出的外圆尺寸为φ82.12，则应在T06U值加上（－0.12），使6号刀把φ82处的外圆直径尺寸再车小0.12毫米。余类推。值得注意的是，修改U值或W值时，方法千万别搞错。只能是预定尺寸减去实际加工出来的尺寸，得数与原来的U值或W值相加。例：T06的U值（－1.72）+（－0.12）＝－1.84（毫米）对检测件的各个尺寸（包括长度方向的Z值或W值，直径方向的x值或U值）都需要分别检测。得到修改后的新刀位偏差值后，调出相关运行程序，将自己的尺寸系列直径方向的x值全都调小1毫米。再车一次。这时候的尺寸，大都准确了。在这环节中，我所关注的，是每个同学用千分尺量车出来的台阶直径和长度方向的尺寸。这时候可以发现，同学们的误差范围都在0.02毫米内波动。（上面记下的亮珠同学所测得的刀位偏差补偿值，被大家公认为最准确，决定保留在我校数控车床的数控系统内。03级数控班学生在后来进行的中级数控车床操作证书考试实操零件制作过程中都用它。）实际上，车制图四检测件的过程，又是一次较综合的数控车床实操。由于具有可比性，大家都兴致很高，这也有利于提高学生综合实操技能。五、相关问题的探讨1、文中几次提到了包括教科书在内的数控车床方面的技术书以及网上与此相关联的内容。为此，本人特加说明：对相关作者、编者，本人从来不敢有，也不会有任何不恭的行为或想法。一有机会，我都一定会明确告诉学生：书中、网中的数控车床技术知识，是一笔笔宝贵的知识财富，里面包蕴着无数科技工作者的心血！随着你们知识水平的提高，到了能看懂上述内容时，那你们的认知层次就实现了一个质的飞跃！只有对那些学问不断钻研，并用来指导工作实践，才能使自己的技能水平不断提高。试想，当小宝宝柔嫩的胃肠还无法消受满汉大席，没长出锋利的牙齿以咀嚼、享用鲍鱼牛排美味时，淡淡的米糊，即使是稀稀的，也不失为一种适宜小宝宝成长的营养。苔花小如米，也学牡丹开。然而，牡丹毕竟是牡丹，“花开时节动京师”，谁敢比试！2、有位叫罗东元的技工说得好：“动手能力差，不能解决实际问题的‘考试学生’，最终难以赢得用人单位青睐！”（见羊城晚报2005年5月27日A9版《百名知识技工登大学讲坛》）。把自己学校的学生培养成为由始至终都能“赢得用人单位青睐”的合格人材，是个系统工程。“水到”方能“渠成”。具体到实习指导老师“名下”的责任，窃以为如下数方面工作非要注意做好不可：(1)、打铁还须本身硬，知己知彼两相宜。学生要在各个阶段完成的各个项目，老师应先做出来，最好能够“一题多解”。这是进行实习教学优化的重要依据来源；要研究自己的学生，探明其“最近发展区”以便各施其宜，各得其所。(2)、强按牛头不喝水，通力合作促“内驱”。再合适的温度，也不能把石头孵成小鸡。要把各个实习项目完成好，除了该项目所具有的吸引力之外，学生的“学习内驱”起关键作用。因而需要实习指导老师与班主任，各科任，特别是相关科目的理论课老师多加沟通，里里外外共同营造一个“以努力掌握实际动手操作技能为荣”的氛围。只有这样，渴求“事半功倍”的“化繁为简”技校实习教学优化过程，经过“春耕夏耘”，方有可能“秋收冬藏”。(3)、实习指导老师也要不断充实自己，以备学生“各取所需”。此外，还要设法为学生提供包括类似于“无干扰服务”之类的各种服务，这才更有利于学生成长。例如，当学生在操作数控车床时，做着做着，突然会停手凝视机床，凝神思考，然后再三一三十一地按部就班地把实习任务完成；有的同学一到数控车床前，用眼神与我交流以后，就手脚麻利地巡查机床，手指如飞点点点，迅速输入、检查数据或程序，随后就机声隆隆响起……每遇如此情况，我都总是保持适当距离，投予默默关注，而且仅仅是密切地关注其操作过程有无失误——数控车床不可有闪失，学生人身更要绝对保证安全！(4)、当学生到实习基地拜师见习、实习，寻求新的长进点时，实习指导老师应尽己所能，为学生“牵线当红娘”——急性子的最好为其找急性子师傅，以便“舍短扬长”，使其反应更灵敏更快捷，或又为其找慢性子的师傅，使其“取长补短”，以提高其综合素质。反之亦然。我觉得，这也是为学生提供的一种很有价值的服务，属于自己的职责范围。六、小结1、对照图一中的16把数控车床常用车刀，好些同学会想：（1）六把内孔车刀的对刀及刀具位置偏差补偿值怎样求得和检测？（2）车外圆的其它车刀，怎样确定各车刀在对刀时的刀尖点？（3）初步掌握了数控车床的对刀及刀位偏差补偿办法，但刀位偏差中的刀尖圆弧半径补偿方法还要学（见《数控机床编程与操作·数控车床分册》P52）。看来，路头仍然长得很！然而，淡淡的馒头做好了，不也是为做美味的包子积累了经验吗？2、文中所述的数控车床多刀分轴集中对刀方法的应用，使我校数控车床对刀实习教学过程化繁为简。学生用已有的知识，掌握到了新的技能，不再把数控车床多刀对刀实操看作难事；它又事半功倍，学生都可以在二十至三十分钟内轻松完成，比往届同学快了约2个小时。这种数控车床多刀分轴集中对刀方法，已经得到梅州齿轮厂数控加工工程师的肯定；用于学生中级实操考试过程，效果理想。综上所述，该方法是一种简单、高效的多刀对刀方法。上述对刀方法的提出，意在抛砖引玉。祈请同行赐教或提出新见解，以便更好地促进技工学校数控专业教学水平的提高。附：本人电子邮件mz_hzx@163.com2005年6月27日于梅州齿轮厂技工分校校园

附录资料：不需要的可以自行删除课题一数控铣床入门知识一、教学要求1、了解华中世纪星HNC-21M系统数控铣2、掌握华中世纪星HNC-21M系统数控铣3、掌握华中世纪星HNC-21M系统数控铣二、教学内容1．1华中世纪星HNC-21M华中世纪星（HNC-21M)是一基于PC的铣床CNC数控装置，是武汉华中数控股份有限公司在国家八五、九五科技攻关重大科技成果一华中I型(HNC-1)高性能数控装置的基础上，为满足市场要求，开发的高性能经济型数控装置。HNC-21M采用彩色LCD液晶显示器，内装式PLC可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可.靠性好、性能价格比高、操作维护方便的特点。本次课主要介绍HNC-21M的基本配置、技术规格、操作台构成以及软件操作界面。1．1．1基本结构及主要功能(1)数控单元a)工业控制机中央处理器板(CPUBOARD):原装进口嵌入式上业PC机;中央处理单元(CPU):高性能32位微处理器;存储器(DRAMRAM):8MBRAM加工缓冲区；程序断电存储区(FlashROM):4MB(可扩至72MB);显示器.7.5’彩色LCD(分辨率为硬盘:可选(选件):软驱:1.44M3.5";RS232接口:RS23219200BaudRate;网络接口:以太网接口(选件)。b)控制轴数:3轴，最大至4轴(选件):c)伺服接口:数字量、模拟量接口和串行口，.可选配各种脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电机驱动单元，及本公司生产的串行接口HSV-11系列交流伺服驱动单兀;d)开关量接口:输入40点，输出32点;e)其它接口:手摇脉冲发生器接口、主轴接口、远程输入/输出接口(选件);f)控制面板:防静电薄膜标准机床控制面板;g)MPG手持单元:4轴MPG一体化手持单元选件);h)NC键盘:包括精简型MDI键盘和F1～F10个功能键;i)软件:华中世纪星高性能铣削数控系统软件。(2)进给系统HSV-1