黄　规

一种三爪固定式光电寻边器的设计

黄规

（柳州职业技术学院，广西柳州 545006）

寻边器是数控铣床上必备的辅助定位工具，用于确定机床XY坐标系的零件原点。设计一种三爪固定式光电寻边器，由两个固定爪和一个活动弹簧推力卡爪组成，卡爪将探头固定在中心，保持与寻边器同心。探头采用圆柱形设计，尺寸小，适用性广，在发生过行程时，探头在弹簧推力卡爪的作用下可以发生偏移，有效保护探头，具有很好的耐用性和持久性。

寻边器；三爪固定；推力弹簧；数控铣床

引言

寻边器是数控铣床上必备的辅助定位工具，用于确定机床XY坐标系的零件原点。寻便器定位是数控机床加工前的一项准备工作，目前市面上有机械式寻边器和光电式寻边器。传统的机械和光电式寻边器均存现一些不足，针对这些问题，本文设计了一种三爪固定式寻边器，采用两个固定接触面和一个活动接触面固定中间的对刀探头，探头的设计形状为圆柱体，尺寸可做得更小，相对于球形的点接触，圆柱形为线接触，观察更为直观。

1 机械寻边器

机械式寻边器主要有错位和直杆接触两种[1]，机械偏心错位式寻边器如图1所示用得比较多，偏心错位式寻边器接触位置有上下两个部分组成，上端位置较粗，直径通常为10 mm，下端较细直径为4 mm，根据寻边零件的结构和大小不同而选择不同的接触位置，目前直径在4 mm的设计方案基本上满足90%以上的数控加工零件的寻边。在使用时，安装偏心错位式寻边器，主轴转速设定在400 RPM～600 RPM的转速，通过寻边器接触位置与零件触碰，产生0.5 mm的偏心，观察较为直观，定位精度可以达到0.02 mm，可基本上满足定位的要求。缺点是长时间使用滑动端面有微灰和异物吸附在上面，内部弹簧的弹力失效，导致偏心错位反应不灵敏，出现动作滞后现象，这会导致坐标定位的不准确，出现定位误差，造成零件整体加工的错位，影响零件加工质量[2]。机械直杆接触式寻边器就不用开启主轴转速，直接安装在数控铣床主轴上，用直杆下端的圆周接触面与零件侧面直接接触，寻边对刀直观，便于观察，不会担心灰尘影响对刀精度，且造价便宜。缺点是要求寻边操作人员具备很高的操作水平，确保在移动过程中精确的定位，以免造成直杆接触式寻边器与零件的过定位造成寻边器的弯曲变形，且不容易捕捉接触的一瞬间，因此市面上很少使用直杆接触式寻边器。

图1 机械偏心错位式寻边器

2 光电式寻电器

机械式寻边器不同，光电式寻边器是通过声光来确定与零件是否接触，相对于偏心错位式机械寻边器，光电式寻边器的反应更为灵敏，观察更直观，耐久性更好，即便是初学者也很容易掌握。但市面上的传统光电寻边器也存在一些不足，首先是体积大，大多数的传统光电寻边器体积较大，体积大的原因之一就是便于制造，体积越小，制造难度越大，但较大的体积会给操作带来不便。其次是前端的球头过大（通常为Φ10 mm）如图2所示，对于模具类零件上，很多是以内圆孔作为基准定位，如果基准内孔尺寸较小，寻边器上的球头就放不进去，即便艰难的放进去也会存在寻边器在Z轴移动的过程中，容易与零件发生碰撞的危险，增加了很多的不确定危险因素。最后是传统的光电寻边器前端是球形状，在对刀时如果产生过定位，球形在后面弹簧的作用下可以发生偏移，起到保护作用。但是反复的偏移回位，铁屑和灰尘容易进入内部，导致回位发生偏移产生误差，影响定位精度[3,4]。

图2 传统光电寻边器

2 三爪固定式光电寻边器的主体框架及工作原理

2.1 寻边器的主体框架

三爪固定式光电寻边器如图3所示，由电池端盖、寻边器金属主体、电阻、指示灯、弹簧挡板、橡胶密封圈、绝缘体、探头、卡爪推块、推力弹簧、拉伸弹簧、螺栓、透光孔、电源线、电池、弹簧组成。

电池端盖与寻边器金属主体尾端采用螺纹配合，电池端盖内部安装有弹簧，用来固定电池负极。电池的正极部分通过电源线连接到电阻的一端，电阻的另外一端通过电源线连接指示灯的正极连接。指示灯的负极通过电源线，直接连接在寻边探头的绝缘体前端。探头上镶嵌有绝缘体，分别把探头分割成两部分，两端之间绝缘且不导电。探头与寻边器金属主体之间采用拉伸弹簧连接，在寻边器主体内部与拉伸弹簧接触处，放置有弹簧挡板，用来限制和固定拉伸弹簧的作用。

在寻边器主体前端处采用三爪式固定探头，其中两爪圆弧处为固定端，内圆弧与探头外圆配合，且同轴心线。另外一处卡爪推块为活动端，卡爪推块中间安装有推力弹簧，如图3所示，卡爪推块受到推力弹簧的外力作用顶住探头外圆处，使探头的外圆弧面紧贴着寻边器主体的内圆弧面。

1.电池端盖 2.寻边器金属主体 3.电阻 4.指示灯 5.弹簧挡板 6. 橡胶密封圈 7.绝缘体 8.探头 9.卡爪推块 10.推力弹簧 11.拉伸弹簧 12.螺栓 13.透光孔 14.电源线 15.电池 16.弹簧

2.2 寻边器的工作原理

三爪固定式光电寻边器的发光工作原理是：指示灯的正极电源线经过电阻，与电池的正极相连接，指示灯的负极通过电源线直接连接到探头绝缘体另外一侧的金属圆柱体上。电池的负极通过电池端盖与寻边器金属主体连接在一起，与指示灯的负极保持断开状态。将寻边器金属主体安装的数控铣床刀柄的刀夹，并装入机床主轴。使用时，主轴保持静止状态，调节机床主轴上下移动高度，使寻边器上的探头高度位置与寻边的零件对刀基准面位置高度一致[5]。缓慢移动寻边器金属主体使探头，使其在与零件基准面接触的一瞬间如图4所示，寻边器上的指示灯点亮，由于机床采用金属制成，具有导电性，这时指示灯的负极经过探头与机床连接，并连接到寻边器金属主体上，与电池的负极相连接，产生回路，此时立刻停止移动，纪录该点坐标值，并输入机床G54坐标系。

图4 三爪固定式光电寻边器触碰示意图

图5 三爪固定式光电寻边器寻边过行程图

3 主要结构的功能及解决的关键技术点

3.1 寻边器的行程保护

三爪固定式光电寻边器过行程保护如图5所示，在寻边器探头接触零件基准面后，还继续移动并产生过行程时，探头尾端挤压卡爪推块在推力弹簧的作用下向里收缩，使整个探头倾斜，起到保护寻边器的作用。

3.2 探头处绝缘设计

三爪固定式光电寻边器采用外循环回路设计方案，即采用指示灯的负极通过导线经过寻边器金属主体，导线外有绝缘胶，导线内的导体不与寻边器金属主体接触，导线穿过绝缘体中间孔，导线内的金属导体与探头接触。指示灯的正极通过导线与电阻连接，电阻通过导线与电池正极连接，导线中途不与寻边器金属主体连接。电池的负极与寻边器金属主体直接连接。在探头接触被加工零件时，由于机床本体是金属，具有导电性，因此探头连接被加工零件和数控铣床，连接到寻边器金属主体，并与电池负极连接，形成回路，指示灯亮。传统的光电寻边器将绝缘体设计在寻边器金属主体上，如果在安装夹头时安装过深，会直接导致光电寻边器形成回路。因此在探头上放置绝缘体，比传统的光电寻便器设计在寻边器金属主体要合理。

3.3 拟解决的关键技术

拟解决的关键技术如下：

（1）采用内置纽扣电池的设计方案，可使整个寻边器的体积更小。

（2）探头采用圆柱形状设计，寻边器主体最小直径可设计为10 mm，方便携带。

（3）三爪固定探头的设计方案，可使探头与寻边器主体保持同轴心线。

（4）三爪的卡爪推块在推力弹簧的助力下固定，探头接触零件产生超行程时，可起到保护的作用。

4 设计的验证

三爪固定式光电寻边器在数控机床导轨上的使用如图6所示，平口钳装夹的是长方形零件，4条边均为精基准，要求G54坐标在零件的对称中心位置。长方形零件在平口钳上夹紧后，下一步安装三爪固定式光电寻边器寻边，在长方形的4条边上任意去1条边作为起始边，文中取X轴的正方向作为起始边。将三爪固定式光电寻边器探头8移动至X轴的正方向，缓慢靠近零件侧边，当接触的一瞬间，三爪固定式光电寻边器发光，这时在机床坐标系上记下该坐标值。然后将三爪固定式光电寻边器移动至X轴的负方向，缓慢地靠近零件的侧边，当接触的一瞬间，寻边器发光，记下该点坐标值，将X轴两个方向的坐标值累加除以2，得到零件上X轴的对称中心点位置，并输入机床G54中的X轴坐标，完成X轴寻边。同理，将将三爪固定式光电寻边器探头移动至Y轴的正方向，接触的一瞬间，三爪固定式光电寻边器发光，记下该点坐标值。再将三爪固定式光电寻边器移动至Y轴的负方向，当接触的一瞬间，寻边器发光，记下该点坐标值，将Y轴两个方向的坐标值累加除以2，得到零件上Y轴的对称中心点位置，并输入机床G54中的Y轴坐标，完成Y轴寻边，整个零件的XY坐标寻边完成。

图6 三爪固定式光电寻边器在工作台上的寻边

5 三爪固定式光电寻边器的扩展模型

（1）扩展光电寻边器模型结构，相对于三爪定式光电寻边器外观形状做了局部的改变，采用对刀杆尾部斜边设计形式，如图7所示，图中电池后盖1的内圈有内螺纹，与寻边器本体尾端的外螺纹啮合。电池后盖1的内底部镶嵌有电池后盖挡圈，电池后盖挡圈中间嵌入后盖内弹簧。当电池后盖旋进寻边器本体时，电池后盖内部的后盖内弹簧与电池3的负极相接触。电池的正极紧贴电池正极挡圈，正极挡圈中间部分导电线与电容连接，同时导电线经过电容连接到发光体的正极，发光体的负极与弹簧调节螺母连接。

前挡圈与弹簧连接，起到固定端面的作用，弹簧的另外一端连接弹簧调节螺母，弹簧调节螺母可以通过螺纹旋钮调节弹簧的松紧，起到拉伸对刀杆与寻边器本体前端接触面贴合的作用。对刀杆尾端的内锥面与寻边器本体外锥面贴合，起到导向作用，由于锥面是锥面，贴合后对刀杆与寻边器本体保持同轴线。对刀杆的尾部端面与调节垫圈贴合，调节垫圈与寻边器本体的前端采用螺纹连接，通过调节垫圈旋钮，与对刀杆尾部端面刚好接触，不影响对刀杆尾端的内锥面与寻边器本体外锥面贴合。

1.电池后盖 2.后盖内弹簧3.电池 4.电容 5.绝缘体 6.前挡圈 7.弹簧 8.弹簧调节螺母 9.电池后盖挡圈 10.寻边器本体 11.电池正极挡圈 12.电源线 13.发光体 14.透光孔 15.调节垫圈 16.对刀杆

（2）扩展光电寻边器模型实施方式，便携式外循环光电寻边器如图8、图9所示，寻边器上的绝缘体将寻边器本体分割为两部分，电池的正极直接与发光体的正极相连接，并嵌入寻边器本体内部。电池负极经过电池后盖连接到寻边器本体的尾端夹持部位。发光体负极通过导电线与弹簧调节螺母相连并与对刀杆、寻边器主体等（绝缘体的前端的零件）相连，形成发光体的负极区域。

图8 寻边示意图 图9 寻边过行程示意图

扩展光电寻边器模型在使用时，将寻边器的主体10装入数控铣床刀柄内，并安装到机床上。使用便携式外循环光电寻边器上的对刀杆16接触所要寻边的零件外侧边缘处，当对刀杆16接触零件边缘处的一瞬间时，发光体13的负极经过导电线与连接的对刀杆16传入机床上，由于机床本身是具有导电性，因此经过机床连接到安装刀柄处，此时整个寻边器形成回路，发光体13发出亮光，表示已经接触零件侧面，此刻的瞬间接触部位即为当前寻边点处，完成一个端面的对刀操作。

扩展光电寻边器模型在使用过程中，当操作员移动寻边器超过行程时，对刀杆16的底面与调节圈15接触，弹簧向外拉伸，并转动一个角度如图3所示，不会对寻边器造成损伤。当过行程返回时，由于弹簧的拉力作用，将对刀杆16尾部锥面与寻边器本体10前端椎体完全贴合，两锥面贴合后实现同轴线。

6 结束语

数控铣床的使用逐渐普及，加工水平也有了很大提高。但目前现阶段的数控铣床加工辅助工具的更新迭代还是比较缓慢，这极大影响产品的加工效率。本文设计的三爪固定式光电寻边器采用三个爪固定探头，两个固定爪，一个活动弹簧推力卡爪，将探头固定在圆弧中心，这样可以保证探头与整个寻边器同心，且在过行程的时候起到保护的作用，探头小，寻边灵活，解决了传统光电寻边器的一些不足，为光电寻边器的普及提供了新思路。

[1]魏胜. 自供电式光电寻边器的设计与研究[J]. 机械与电子，2019，37(6):42-45.

[2]刘成，刘中辉，刘景兰，等. 光电寻边器在齿轮键槽对齿加工中的应用[J]. 矿山机械，2017，45(11): 59-62.

[3]洪美琴. 光电寻边器在铣削异型工件对刀中的应用[J]. 现代制造工程，2017(6): 83-85.

[4]刘峰，朱和军，徐欢，等. 一种数控铣削加工快速对刀方式的研究与实践[J]. 机械工程师，2017(6): 144.

[5]韦江波，王大红，杨南，等. 三爪固定式光电寻边器: 中国，209598823U[P]. 2019-11-8.

Design of a Three Claw Fixed Photoelectric Edge Finder

Edge finder is a necessary auxiliary positioning tool on CNC milling machine, which is used to determine the origin of parts in XY coordinate system of machine tool. A three claw fixed photoelectric edge finder is designed, which is composed of two fixed claws and a movable spring thrust claw. The claw fixes the probe in the center and keeps concentric with the edge finder. The probe adopts cylindrical design, with small size and wide applicability. In case of over travel, the probe can shift under the action of spring thrust claw, which effectively protects the probe and has good durability.

edge finder; three claw fixation; thrust spring; CNC milling machine

TG659

A

1008-1151(2022)07-0033-04

2022-03-25

2020年校级科研课题项目“数控铣床生产线柔性化夹具设计研发”（2020KA05）；2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“数控铣床专用柔性夹具设计研发”（2022KY1050）。

黄规（1982－），男（壮族），广西柳州人，柳州职业技术学院助理工程师，研究方向为机械设计与制造、模具设计与制造。