數(shù)控車床刀尖半徑補(bǔ)償?shù)脑砗蛻?yīng)用分析.

1、數(shù)控車床刀尖半徑補(bǔ)償?shù)脑砗蛻?yīng)用分析  (2011-11-07 19:39:41)標(biāo)簽： 雜談分類： 工程技術(shù)摘  要：分析了數(shù)控車削中因刀尖圓弧產(chǎn)生誤差的原因，介紹了糾正誤差的思路及半徑補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟恚鞔_了半徑補(bǔ)償?shù)母拍?。結(jié)合實(shí)際，系統(tǒng)介紹了刀具半徑補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用方法，及使用中的注意事項(xiàng)。 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(guān)鍵詞：數(shù)控車床；假想刀尖；半徑補(bǔ)償；程序輪廓；原理；應(yīng)用； Key w

3、ord:  CNC lathe；immaginary cutting tool point; radius compensation; procedure outline; principle; using  1、前言在數(shù)控車床的學(xué)習(xí)中，刀尖半徑補(bǔ)償功能，一直是一個難點(diǎn)。一方面，由于它的理論復(fù)雜，應(yīng)用條件嚴(yán)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(bǔ)償也能達(dá)到精度要求，它的特點(diǎn)不能有效體現(xiàn)，使一些人對它不夠重視。事實(shí)上，在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，刀尖半徑補(bǔ)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(bǔ)償?shù)脑恚?）半徑補(bǔ)償?shù)脑蛟趯W(xué)習(xí)刀尖圓弧的概念前，我們認(rèn)為刀片是尖銳的，并把刀尖看作一個點(diǎn)，刀具之所以能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜輪廓的加工，就是因?yàn)榈都饽軌驀?yán)格沿著編程的軌跡進(jìn)行切削。但實(shí)際上，目前廣泛使用的機(jī)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(zhì)量。而且，不管多么尖的刀片，經(jīng)過一段時間的使用，刀尖都會磨成一個圓弧，導(dǎo)致在實(shí)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(diǎn)（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(yīng)是這樣

5、。如果進(jìn)行對刀，以確定刀具的偏置值（也叫幾何補(bǔ)償值），X軸和Z軸兩個方向的對刀點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)分別在X軸和Z軸方向上最突出的A點(diǎn)和B點(diǎn)上，這時，數(shù)控系統(tǒng)就會以A 點(diǎn)和B點(diǎn)的對刀結(jié)果綜合確認(rèn)一個點(diǎn)作為對刀點(diǎn)，比如，對刀結(jié)果為：A點(diǎn)，X= -130，B點(diǎn)，Z= -400，則對刀點(diǎn)坐標(biāo)為（-130，-400），這正是與A 點(diǎn)和B 點(diǎn)相切的兩條直線的交點(diǎn)（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(diǎn)進(jìn)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(jìn)行運(yùn)動。但由于假想刀尖與實(shí)際的圓弧切削刃之間有一個距離，導(dǎo)致刀具實(shí)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?yàn)樵谶@兩種情況下，系統(tǒng)執(zhí)行的是單坐標(biāo)，刀尖最突出的的切削點(diǎn)（A點(diǎn)和B點(diǎn)）是對刀點(diǎn)，它們分別與對刀的結(jié)果（幾何補(bǔ)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(yùn)動，實(shí)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(dǎo)致錐面直徑的尺寸偏大。對于圓弧加工，它形成的結(jié)果更復(fù)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(bǔ)償，正是基于這一現(xiàn)象而提出的解決措施。 （2）半徑補(bǔ)償量與補(bǔ)償方向圖2中，我們發(fā)現(xiàn)刀具切削得到的實(shí)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(xiàn)象。但如果由系統(tǒng)計算實(shí)際輪廓與程序輪廓相應(yīng)點(diǎn)之間的距離并實(shí)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(shù)控系統(tǒng)的工作原理來看，刀架的運(yùn)動必須依靠地址指令的變化來實(shí)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn)的動作：即給出新輪廓的起點(diǎn)坐標(biāo)和終

8、點(diǎn)坐標(biāo)，讓系統(tǒng)按照新的輪廓程序進(jìn)行工作。 如圖4如圖4，CD為原始程序輪廓，未補(bǔ)償時，假想刀尖沿著CD運(yùn)行，結(jié)果形成了EF的實(shí)際輪廓，造成了欠切。現(xiàn)在，如果將程序起點(diǎn)從C移至A，終點(diǎn)從D移至B，這樣，假想刀尖將沿著AB的軌跡運(yùn)行，而實(shí)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(diǎn)的坐標(biāo)分別為（x1,  z1）、(x2,  z2)，則A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：（x1, &#

9、160;z1-Z）、(x2,  z2-Z)。這樣刀尖只需按A、B點(diǎn)運(yùn)動，即可達(dá)到錐面欠切補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)然，在實(shí)際中的坐標(biāo)計算，還要考慮與之相連的線段與它構(gòu)成的拐角，及其兼顧兩邊的處理方法。當(dāng)假想刀尖按新的軌跡AB運(yùn)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(bǔ)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(jìn)行的，即按照一個新的圓弧段進(jìn)行切削，以確保程序圓弧不欠切或過切，達(dá)到精度要求。另外，我們發(fā)現(xiàn)，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(jù)的，其中的傾斜角是系統(tǒng)根據(jù)程序段的坐標(biāo)計算出來的，而刀尖圓弧半徑則是人工輸入到參數(shù)表中的，系統(tǒng)并不檢驗(yàn)這個半徑的真實(shí)性。這樣，我們就可以按需要，靈話確定刀尖半徑的大小，以調(diào)整刀具與工件輪廓的距離。這一特點(diǎn)可以用在粗、精加工的工序中。比如，某一把刀的刀尖圓弧實(shí)際半徑為0.4mm，我們設(shè)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(diào)整為0.4+0.2 = 0.6mm，則進(jìn)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(jìn)行精加工（可能需調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速），這時刀尖圓弧中心與工件輪廓距離0.4mm，與實(shí)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(dá)到粗、精加工的目的。這是一種非常靈活的應(yīng)用方法。 （3）對刀的方向與假想刀尖號圖4中，為了補(bǔ)償錐面欠切的余量，系統(tǒng)會讓刀尖向兩個坐標(biāo)軸的負(fù)方向移動，這是由刀尖的切削方向與圓弧中心的位置關(guān)系決定的。雖然說采用半徑補(bǔ)償，可以加工出準(zhǔn)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(bǔ)算法就不能保證加工的準(zhǔn)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(jìn)行了編號，共有9（T1T9）種設(shè)置，表達(dá)了9個方向的位置關(guān)系，其中，T9是刀尖圓弧中心與假想刀尖點(diǎn)重疊時的情況，此時，機(jī)床將以刀尖圓弧中心為刀位點(diǎn)進(jìn)行計算補(bǔ)償。在半徑補(bǔ)償時，需要在刀具參數(shù)中輸入刀尖編號，以使系統(tǒng)能夠根據(jù)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(xiàn)不合要求的過切和欠切現(xiàn)象。在不同坐標(biāo)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(shè)置與相應(yīng)的刀具類型。  圖53、半徑補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

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

14、G42指令。需要注意的是，應(yīng)用刀補(bǔ)指令，必須根據(jù)刀架位置、刀尖與工件相對位置來確定補(bǔ)償方向，這和圓弧插補(bǔ)指令G02、G03一樣，也是依據(jù)第三坐標(biāo)軸的方向判定的。如圖7。G41：面對Y軸負(fù)方向指向的平面，沿刀具運(yùn)動方向看，刀具位于工件左側(cè)時，稱為刀具半徑左補(bǔ)償。G42：面對Y軸負(fù)方向指向的平面，沿刀具運(yùn)動方向看，刀具位于工件右側(cè)時，稱為刀具半徑右補(bǔ)償。  圖7在使用第三軸判斷刀補(bǔ)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(bǔ)償，用G41,看到的是右補(bǔ)償，用G42）；前置刀架，所見非所得（看到的是左補(bǔ)償，用G42,看到的是右補(bǔ)償，用G41）&

15、#160;（3）補(bǔ)償?shù)姆绞胶吐窂浆F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行的是C型補(bǔ)償方式。當(dāng)?shù)毒邎?zhí)行半徑補(bǔ)償時，系統(tǒng)會一次預(yù)讀兩個程序段，根據(jù)兩個程序段交點(diǎn)連接的情況計算出相應(yīng)的運(yùn)動軌跡后，再依次執(zhí)行各個程序段。如果是單段運(yùn)行，會按預(yù)讀計算的軌跡在第一個程序段的終點(diǎn)處暫停。如果是連續(xù)運(yùn)行，先按預(yù)讀的兩個程序段的計算結(jié)果，執(zhí)行第一個程序段，同時再預(yù)讀第三個程序段，然后按照第二、第三程序段的計算結(jié)果，執(zhí)行第二程序段，同時，再預(yù)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(yù)讀模式，因此，在輪廓控制上很精確。刀尖半徑補(bǔ)償分為三個步驟：刀補(bǔ)建立、刀補(bǔ)進(jìn)行、刀補(bǔ)取消。從無補(bǔ)償方式到建立G41或G42指令，稱為刀

16、補(bǔ)建立。刀補(bǔ)進(jìn)行是刀具按照半徑補(bǔ)償?shù)脑O(shè)定方式執(zhí)行工件加工的過程。當(dāng)設(shè)定的補(bǔ)償工作完成后，用G40指令退出補(bǔ)償為刀補(bǔ)取消。圖8為刀補(bǔ)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(bǔ)償方式科學(xué)合理。實(shí)際上，針對刀具半徑補(bǔ)償，現(xiàn)代數(shù)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(jù)連接角度的不同，設(shè)計了不同的補(bǔ)償算法。這些工作對于充分發(fā)揮半徑補(bǔ)償?shù)墓δ?，更精確地控制程序輪廓的加工，提供了充分的技術(shù)保證。盡管現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已具備了強(qiáng)大的處理運(yùn)算能力，但在半徑補(bǔ)償方面，我們?nèi)孕?/p>

17、要注意一些問題，并嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行。1、半徑補(bǔ)償只能在G00或G01的運(yùn)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(bǔ)償應(yīng)加在切入工件的前一程序段中。在補(bǔ)償建立和補(bǔ)償運(yùn)行過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)非移動指令（如輔助指令）的程序段，因?yàn)樵谔幚韮蓚€及以上此類的程序段時，刀尖中心會移到前一程序段終點(diǎn)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(bǔ)執(zhí)行完成后，應(yīng)當(dāng)用G40指令取消補(bǔ)償，否則，再次調(diào)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(bǔ)的計算錯誤。在半徑補(bǔ)償?shù)某废麜r，也應(yīng)安排在刀具切

18、出工件后。當(dāng)程序執(zhí)行M30指令時，刀補(bǔ)取消。3、進(jìn)行半徑補(bǔ)償后，刀具路徑應(yīng)當(dāng)是單方向遞增或遞減，比如，用G42指令后，刀具是向Z軸負(fù)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(bǔ)償，進(jìn)行換刀或重新設(shè)置補(bǔ)償方式。4、刀尖半徑R值不能輸入負(fù)值，否則運(yùn)行軌跡會出錯。5、在使用半徑補(bǔ)償精加工時，應(yīng)注意，當(dāng)?shù)毒甙霃酱笥谒庸さ墓ぜ?nèi)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(chǎn)生過切現(xiàn)象。因此在加工前應(yīng)核對刀補(bǔ)參數(shù)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(bǔ)建立，也不能執(zhí)行刀補(bǔ)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(bǔ)償功能。子程序中也不能有半徑補(bǔ)償指令。要執(zhí)行半徑補(bǔ)償進(jìn)行精加工，必須在后面程序段中以G00、G01、G02、G03的模式進(jìn)行恢復(fù)。 (4) 刀尖圓弧半徑磨損后的處理和刀具幾何磨損后需要設(shè)定刀具的磨耗補(bǔ)償值一樣，當(dāng)?shù)都忾L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(diào)整了幾何磨耗補(bǔ)償，也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整半徑磨耗補(bǔ)償，這樣才能確保加工精度符合要求。但這些數(shù)據(jù)一定要通過實(shí)際加工后測得的工件尺寸偏差進(jìn)行確定。   如圖9（5）刀具半徑補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例下面以一個工件加工為例，如圖10。機(jī)床刀架為前置，使用刀具為左偏

20、外圓車刀，刀號與刀補(bǔ)為T1D1，刀尖半徑R1，根據(jù)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(bǔ)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