數控車床刀尖半徑補償的原理和應用分析.

1、數控車床刀尖半徑補償的原理和應用分析  (2011-11-07 19:39:41)標簽： 雜談分類： 工程技術摘  要：分析了數控車削中因刀尖圓弧產生誤差的原因，介紹了糾正誤差的思路及半徑補償的工作原理，明確了半徑補償的概念。結合實際，系統(tǒng)介紹了刀具半徑補償的應用方法，及使用中的注意事項。 Abstract: Analyzed the error's reason in numerical control turning because of  arc of cutting tool , introduce

2、d the correction error's mentality and the radius compensation principle of work, cleared about the radius compensation concept. Union reality, introduced the cutting tool radius compensation application method, and in use matters needing attention. 關鍵詞：數控車床；假想刀尖；半徑補償；程序輪廓；原理；應用； Key w

3、ord:  CNC lathe；immaginary cutting tool point; radius compensation; procedure outline; principle; using  1、前言在數控車床的學習中，刀尖半徑補償功能，一直是一個難點。一方面，由于它的理論復雜，應用條件嚴格，讓一些人感覺無從下手；另一方面，由于常用的臺階軸類的加工，通過幾何補償也能達到精度要求，它的特點不能有效體現，使一些人對它不夠重視。事實上，在現代數控系統(tǒng)中，刀尖半徑補償，對于提高工件綜合加工精度具有非常重要的作用，是一個必須熟練掌握的功能。 2、

4、刀尖圓弧半徑補償的原理（1）半徑補償的原因在學習刀尖圓弧的概念前，我們認為刀片是尖銳的，并把刀尖看作一個點，刀具之所以能夠實現復雜輪廓的加工，就是因為刀尖能夠嚴格沿著編程的軌跡進行切削。但實際上，目前廣泛使用的機夾刀片的切削尖，都有一個微小的圓弧，這樣做，既可以提高刀具的耐用度，也可以提高工件的表面質量。而且，不管多么尖的刀片，經過一段時間的使用，刀尖都會磨成一個圓弧，導致在實際加工中，是一段圓弧刃在切削，這種情況與理想刀尖的切削在效果上完全不同。  圖1圖1(a)中，刀片圓弧兩邊延長線的交點（D），我們稱之為理想刀尖，也就是說，如果刀片沒有磨損，它的刀尖的理想形狀應是這樣

5、。如果進行對刀，以確定刀具的偏置值（也叫幾何補償值），X軸和Z軸兩個方向的對刀點正好集中于理想刀尖上。這種情況下，系統(tǒng)會以這個刀尖進行輪廓切削。圖1(b)中，如果刀尖磨圓了，則對刀時，X軸和Z軸兩個方向的對刀點分別在X軸和Z軸方向上最突出的A點和B點上，這時，數控系統(tǒng)就會以A 點和B點的對刀結果綜合確認一個點作為對刀點，比如，對刀結果為：A點，X= -130，B點，Z= -400，則對刀點坐標為（-130，-400），這正是與A 點和B 點相切的兩條直線的交點（C），我們稱之為假想刀尖。而系統(tǒng)正是以這個假想刀尖作為理論切削點進行工作的。也就是說，刀尖磨圓后，只是假

6、想刀尖沿著編程輪廓的軌跡進行運動。但由于假想刀尖與實際的圓弧切削刃之間有一個距離，導致刀具實際切削效果如圖2所示。 圖2圖2 中，在端面車削和外圓車削時，切削效果不受影響。因為在這兩種情況下，系統(tǒng)執(zhí)行的是單坐標，刀尖最突出的的切削點（A點和B點）是對刀點，它們分別與對刀的結果（幾何補償）一致。但對于圖中的錐面部分（CD段），是假想刀尖沿著輪廓運動，實際圓弧切削刃與程序輪廓與有一個距離L，會造成固定欠切的余量（圖中陰影部分），導致錐面直徑的尺寸偏大。對于圓弧加工，它形成的結果更復雜一些，形成的欠切余量隨著輪廓位置的變化而變化。如圖3 所示。 圖3由上可見，

7、刀尖圓弧的存在，對于工件中的錐面和圓弧的尺寸精度是有較大影響的。而且刀尖圓弧半徑越大，加工誤差越大。而刀尖半徑補償，正是基于這一現象而提出的解決措施。 （2）半徑補償量與補償方向圖2中，我們發(fā)現刀具切削得到的實際輪廓與程序輪廓有L的距離，從理論上講，將切削刃向程序輪廓靠近一個L的距離，就可以解決欠切現象。但如果由系統(tǒng)計算實際輪廓與程序輪廓相應點之間的距離并實時糾正，對于錐面，還相對簡單，但對于圓弧來說，就太麻煩了，因此不可行。而且從數控系統(tǒng)的工作原理來看，刀架的運動必須依靠地址指令的變化來實現，也就是說，我們必須要將糾正輪廓誤差的思路變成系統(tǒng)可以實現的動作：即給出新輪廓的起點坐標和終

8、點坐標，讓系統(tǒng)按照新的輪廓程序進行工作。 如圖4如圖4，CD為原始程序輪廓，未補償時，假想刀尖沿著CD運行，結果形成了EF的實際輪廓，造成了欠切?，F在，如果將程序起點從C移至A，終點從D移至B，這樣，假想刀尖將沿著AB的軌跡運行，而實際切削刃正好與程序輪廓相切，基本切出了符合程序要求的輪廓來。圖中，AB段是CD程序段向右平移Z的距離后得到的，可以求出：Z = r 1-ctg (/2) ，其中，為錐面的傾斜角，r為刀尖半徑。如果C、D點的坐標分別為（x1,  z1）、(x2,  z2)，則A、B兩點的坐標分別為：（x1, &#

9、160;z1-Z）、(x2,  z2-Z)。這樣刀尖只需按A、B點運動，即可達到錐面欠切補償的目的。當然，在實際中的坐標計算，還要考慮與之相連的線段與它構成的拐角，及其兼顧兩邊的處理方法。當假想刀尖按新的軌跡AB運行時，刀尖圓弧的圓心O正好與程序軌跡保持一個半徑的距離。所以，所謂刀尖半徑補償，不是說讓刀尖向輪廓方向移動一個半徑的距離，而是讓刀尖的圓弧中心始終保持在與程序段輪廓一個半徑距離的位置上。對于工件中圓弧的加工也是依此原理進行的，即按照一個新的圓弧段進行切削，以確保程序圓弧不欠切或過切，達到精度要求。另外，我們發(fā)現，在計算偏移距離Z = r 1-ctg (/2)

10、60;的公式中，是以刀尖圓弧的半徑r和程序段的傾斜角為依據的，其中的傾斜角是系統(tǒng)根據程序段的坐標計算出來的，而刀尖圓弧半徑則是人工輸入到參數表中的，系統(tǒng)并不檢驗這個半徑的真實性。這樣，我們就可以按需要，靈話確定刀尖半徑的大小，以調整刀具與工件輪廓的距離。這一特點可以用在粗、精加工的工序中。比如，某一把刀的刀尖圓弧實際半徑為0.4mm，我們設計給精加工留0.2mm的余量（半徑值），在粗加工前，將刀尖半徑值調整為0.4+0.2 = 0.6mm，則進行粗加工時，刀尖圓弧中心將距離工件輪廓0.6mm的距離。粗加工完成后，輪廓余量正好為0.2mm（半徑值 ）。然后，將刀尖半徑改回為0.4mm，重新執(zhí)行程

11、序，進行精加工（可能需調整主軸轉速），這時刀尖圓弧中心與工件輪廓距離0.4mm，與實際半徑值一樣，可以將精加工的余量一次車削掉。也就是說，我們不必改變程序，只是通過修改刀尖半徑值，直接執(zhí)行原來的程序，就可以達到粗、精加工的目的。這是一種非常靈活的應用方法。 （3）對刀的方向與假想刀尖號圖4中，為了補償錐面欠切的余量，系統(tǒng)會讓刀尖向兩個坐標軸的負方向移動，這是由刀尖的切削方向與圓弧中心的位置關系決定的。雖然說采用半徑補償，可以加工出準確的軌跡形狀，但若刀具選用不正確，如左偏刀換成右偏刀，那么采用同樣的刀補算法就不能保證加工的準確性。這就引出了刀尖方向的概念。車刀刀尖的方向是從刀尖圓弧中

12、心O看假想刀尖的方向，具體的選用由刀具切削時的方向決定。在西門子802D系統(tǒng)中，為了反映了切削刀具的方向，對不同偏向的假想刀尖都進行了編號，共有9（T1T9）種設置，表達了9個方向的位置關系，其中，T9是刀尖圓弧中心與假想刀尖點重疊時的情況，此時，機床將以刀尖圓弧中心為刀位點進行計算補償。在半徑補償時，需要在刀具參數中輸入刀尖編號，以使系統(tǒng)能夠根據刀尖半徑的矢量計算，判定刀具偏移的方向，否則，可能會出現不合要求的過切和欠切現象。在不同坐標系（前置刀架與后置刀架）中，同一刀尖號表示的刀尖方向不一定相同。圖5所示為前置刀架的刀尖號設置與相應的刀具類型。  圖53、半徑補償的方法

13、（1）補償參數的設置圖6為西門子802 D的刀補界面，各個參數根據刀具的形狀和安裝位置設定。對于新安裝的機夾刀片，半徑可以查閱刀片的相關參數，直接輸入。如果無據可查，最好手工估算一下，但開始半徑不要定的太小，如果設定值小于實際值，可能會造成最后車出的實際尺寸小于輪廓要求。對于錐面或圓弧加工過程中出現的偏差，可以通過車削后，測量工件實際尺寸，輸入半徑磨耗或修改半徑值，以進行補償調整。 圖6 （2）刀補的加入和刀具的幾何補償不一樣，在刀具參數中，即便刀尖半徑已經賦值，但系統(tǒng)在調用刀具補償號時，不會自動執(zhí)行半徑補償，必須有相應的指令才能執(zhí)行。一般是在補償前的程序段中，加入G41或

14、G42指令。需要注意的是，應用刀補指令，必須根據刀架位置、刀尖與工件相對位置來確定補償方向，這和圓弧插補指令G02、G03一樣，也是依據第三坐標軸的方向判定的。如圖7。G41：面對Y軸負方向指向的平面，沿刀具運動方向看，刀具位于工件左側時，稱為刀具半徑左補償。G42：面對Y軸負方向指向的平面，沿刀具運動方向看，刀具位于工件右側時，稱為刀具半徑右補償。  圖7在使用第三軸判斷刀補方向是一件困難的事，為了方便，我們可以這樣記憶：后置刀架，所見即所得（看到的是左補償，用G41,看到的是右補償，用G42）；前置刀架，所見非所得（看到的是左補償，用G42,看到的是右補償，用G41）&

15、#160;（3）補償的方式和路徑現代數控系統(tǒng)執(zhí)行的是C型補償方式。當刀具執(zhí)行半徑補償時，系統(tǒng)會一次預讀兩個程序段，根據兩個程序段交點連接的情況計算出相應的運動軌跡后，再依次執(zhí)行各個程序段。如果是單段運行，會按預讀計算的軌跡在第一個程序段的終點處暫停。如果是連續(xù)運行，先按預讀的兩個程序段的計算結果，執(zhí)行第一個程序段，同時再預讀第三個程序段，然后按照第二、第三程序段的計算結果，執(zhí)行第二程序段，同時，再預讀第四程序段，依此順序完成所有程序段的執(zhí)行工作。由于采用了提前預讀模式，因此，在輪廓控制上很精確。刀尖半徑補償分為三個步驟：刀補建立、刀補進行、刀補取消。從無補償方式到建立G41或G42指令，稱為刀

16、補建立。刀補進行是刀具按照半徑補償的設定方式執(zhí)行工件加工的過程。當設定的補償工作完成后，用G40指令退出補償為刀補取消。圖8為刀補連續(xù)工作的一個例子。 圖8從圖8 可以看出，在不同程序段的連接處，系統(tǒng)對刀具中心的軌跡采取了不同的處理方式，以確保連接處的補償方式科學合理。實際上，針對刀具半徑補償，現代數控系統(tǒng)考慮了多種連接方式，有直線-直線，直線-圓弧，圓弧-直線，圓弧-圓弧等，并根據連接角度的不同，設計了不同的補償算法。這些工作對于充分發(fā)揮半徑補償的功能，更精確地控制程序輪廓的加工，提供了充分的技術保證。盡管現代數控系統(tǒng)已具備了強大的處理運算能力，但在半徑補償方面，我們仍需

17、要注意一些問題，并嚴格按照規(guī)定執(zhí)行。1、半徑補償只能在G00或G01的運動（非切削段）中建立或取消，即G41、G42只能和G00或G01一起使用，不能是圓弧指令G02或G03。補償應加在切入工件的前一程序段中。在補償建立和補償運行過程中，應避免出現非移動指令（如輔助指令）的程序段，因為在處理兩個及以上此類的程序段時，刀尖中心會移到前一程序段終點并垂直于該程序段路徑的位置。這樣會破壞對連續(xù)程序段拐角的處理模式。2、G41和G42是模態(tài)指令，在刀補執(zhí)行完成后，應當用G40指令取消補償，否則，再次調用刀具時，刀具軌跡會偏離一個刀尖半徑值，會引起后續(xù)刀補的計算錯誤。在半徑補償的撤消時，也應安排在刀具切

18、出工件后。當程序執(zhí)行M30指令時，刀補取消。3、進行半徑補償后，刀具路徑應當是單方向遞增或遞減，比如，用G42指令后，刀具是向Z軸負方向連續(xù)切削，這期間就不能向Z軸正方向移動。如必須向正方向移動，需要取消半徑補償，進行換刀或重新設置補償方式。4、刀尖半徑R值不能輸入負值，否則運行軌跡會出錯。5、在使用半徑補償精加工時，應注意，當刀具半徑大于所加工的工件內輪廓拐角，刀尖直徑大于所加工的溝槽，刀具半徑大于所加工的臺階時，會產生過切現象。因此在加工前應核對刀補參數與工件特殊環(huán)節(jié)的匹配。6、在MDA方式下不能執(zhí)行刀補建立，也不能執(zhí)行刀補撤消。7、執(zhí)行CYCLE95毛坯切削等固定循環(huán)指令時，暫時撤消刀尖

19、半徑補償功能。子程序中也不能有半徑補償指令。要執(zhí)行半徑補償進行精加工，必須在后面程序段中以G00、G01、G02、G03的模式進行恢復。 (4) 刀尖圓弧半徑磨損后的處理和刀具幾何磨損后需要設定刀具的磨耗補償值一樣，當刀尖長時間使用后，刀尖圓弧半徑也會發(fā)生變化，如圖9所示。刀具的幾何磨耗，也會引起半徑磨耗，因此，調整了幾何磨耗補償，也應適當調整半徑磨耗補償，這樣才能確保加工精度符合要求。但這些數據一定要通過實際加工后測得的工件尺寸偏差進行確定。   如圖9（5）刀具半徑補償應用實例下面以一個工件加工為例，如圖10。機床刀架為前置，使用刀具為左偏

20、外圓車刀，刀號與刀補為T1D1，刀尖半徑R1，根據刀尖方位，假想刀尖號為3。 圖10程序：G00 X80 Z30 M03 T01D1 S600；定位，開主軸、換刀，執(zhí)行幾何刀補G00 X18 Z3；                在外圓處定位刀具G01 Z0 F300；       刀尖趨近端面X-2；               端面切削開始，并讓刀尖過端面中心，防止中心突起Z5；                端面車削完成，軸向退刀G42 G00 X16