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刀具半径补偿 |
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作者：广州白云工商高级技工学校 王永红 |
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在加工过程中，刀具的磨损、实际刀具尺寸与编程时规定的刀具尺寸不一致以及更换刀具等原因，都会直接影响最终加工尺寸，造成误差。为了最大限度的减少因刀具尺寸变化等原因造成的加工误差，数控系统通常都具备有刀具误差补偿功能。通过刀具补偿功能指令，CNC系统可以根据输入补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床自动加工出符合程序要求的零件。
1．刀具半径补偿原理
（１）刀具半径补偿的概念
用铣刀铣削工件的轮廓时，刀具中心的运动轨迹并不是加工工件的实际轮廓。如图所示，加工内轮廓时，刀具中心要向工件的内侧偏移一定距离；而加工外轮廓时，同样刀具中心也要向工件的外侧偏移一定距离。由于数控系统控制的是刀心轨迹，因此编程时要根据零件轮廓尺寸计算出刀心轨迹。零件轮廓可能需要粗铣、半精铣和精铣三个工步，由于每个工步加工余量不同，因此它们都有相应的刀心轨迹。另外刀具磨损后，也需要重新计算刀心轨迹，这样势必增加编程的复杂性。为了解决这个问题，数控系统中专门设计了若干存储单元，存放各个工步的加工余量及刀具磨损量。数控编程时，只需依照刀具半径值编写公称刀心轨迹。加工余量和刀具磨损引起的刀心轨迹变化，由系统自动计算，进而生成数控程序。进一步地，如果将刀具半径值也寄存在存储单元中，就可使编程工作简化成只按零件尺寸编程。这样既简化了编程计算，又增加了程序的可读性。
刀具半径补偿原理
（2）刀具半径补偿的数学处理
①基本轮廓处理
要根据轮廓尺寸进行刀具半径补偿，必需计算刀具中心的运动轨迹，一般数控系统的轮廓控制通常仅限于直线和圆弧。对于直线而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的一条直线，因此，只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标，刀具中心轨迹即可确定；对于圆弧而言，刀补后的刀具中心轨迹为与指定轮廓圆弧同心的一段圆弧，因此，圆弧的刀具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹圆弧的起点、终点和圆心坐标。
②尖角处理
在普通的CNC装置中，所能控制的轮廓轨迹只有直线和圆弧，其连接方式有：直线与直线连接、直线与圆弧连接、圆弧与圆弧连接。图所示为直线与直线连接时各种转接的情况，编程轨迹为OA→AP。
象。由于 IC→CK相对于OA与AP缩短了CB与DC的长度，因此这种求交点的内轮廓过渡称为缩短型转换，这里求交点是核心任务。
图（c）中，C点为IB与DK延长线的交点，由数控系统求出交点C的坐标，实际刀具中心轨迹为IC→CK。同上道理，这种外轮廓过渡称为伸长型转换。
图（d）中，若仍采用求IB与DK交点的方法，势必过多地增加刀具的非切削空行程时间，这显然是不合理的。因此刀补算法在这里采用插入型转换，即令BC=C/D=R，数控系统求出C与C/点的坐标，刀具中心轨迹为IB→C→C/→DK，即在原轨迹中间再插入CC/直线段，因此称其为插入型转换。
值得一提的是，有些数控系统对上述伸长型或插入型一律采用半径为刀具半径的圆弧过渡，显然这种处理简单些。但当刀具进行尖角圆弧过渡时，轮廓过渡点始终处于切削状态，加工出现停顿，工艺性较差。
（3）刀具半径补偿的执行过程
刀具半径补偿不是由编程人员来完成的。编程人员在程序中指明何处进行刀具半径补偿，指明是进行左刀补还是右刀补，并指定刀具半径，刀具半径补偿的具体工作由数控系统中的刀具半径补偿功能来完成。根据ISO规定，当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的右边时称为右刀补，用G42表示；反之称为左刀补，用G41表示。
刀具半径补偿的执行过程分为刀补建立，刀补进行和刀补撤消三个步骤。
①刀补建立
即刀具以起刀点接近工件，由刀补方向G41/G42决定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长还是缩短了一个刀具半径值。如图所示。
刀补建立
②刀补进行
一旦刀补建立则一直维持，直至被取消。在刀补进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。在转接处，采用了伸长、缩短和插入三种直线过渡方式。
③刀补撤消（G40）
即刀具撤离工件，回到起刀点。和建立刀具补偿一样，刀具中心轨迹也要比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。
刀具半径补偿仅在指定的二维坐标平面内进行，平面的指定由代码G17（X—Y平面），G18（Y—Z平面），G19（X—Z平面）表示。
2．刀具半径补偿编程规则
开始切削加工前，在离开工件的位置预先加上工刀具半径补偿（通常在XOY平面或与XOY平面平行的平面上），之后进行Z轴方向的切入。为保证程序运行后得到正确的工件轮廓而不产生过切，编程时必须注意加工程序的结构。
如图所示，在XOY平面内(或平行于XOY平面的平面内)使用刀具半径补偿功能(有Z轴移动)进行轮廓切削，设起点在(0，0，100)处，当刀具半径补偿从起点开始时，由于接近工件及切削工件时要有Z轴移动，按以下程序加时就会出现过切现象，并且系统不会报警停止。 
a)正确补偿轨迹 b)存在过切现象的补偿轨迹
刀具半径补偿轨迹
O 0001
N1 G90 G54 S1000 M03 ；
N2 G00 Z100 ；
N3 X0 Y0 ；
N4 G01 G41 X20 Y10 D01 F100 ；
N5 Z2 ；
N6 Z-10 ；
N7 Y50 ；
N8 X50 ；
N9 Y20 ；
N10 X10 ；
N11 G00 Z100 ；
N12 G40 X0 Y0 ；
N13 M05 ；
N14 M30 ；
根据刀具半径补偿功能编程规则，在XOY平面内(或平行于XOY平面的平面内)建立刀具半径补偿后，不能连续出现两段Z轴的移动指令，否则会出现补偿位置不正确。当半径补偿从N4程序段开始建立的时候，数控系统只能预读其后的两个程序段，而N5、N6两段程序段都是Z轴移动指令，没有XOY平面内的坐标移动，系统无法判断下一步补偿的矢量方向，这时系统并不报警，补偿照样进行，但是N4程序段执行后刀心轨迹目标点发生了变化，不再是图中的P点，而是如图所示的P1点，这样就产生了过切(图中阴影部分)。为避免这种过切，可以在建立半径补偿之前，选择一个不会发生干涉的安全位置，使Z轴以快速运动接近工件后，再以进给速度进给到切削深度。将上述程序改为：
N1 G90 G54 S1000 M03；
N2 G00 Z100；
N3 X0 Y0；
N4 Z5；
N5 G01 Z-10 F100；
N6 G41 X20 Y10 D01；
N7 Y50；
N8 X50；
N9 Y20；
N10 X10；
N11 Z100；
N12 G40 X0 Y0 M05；
N13 M30。
采用这个程序段进行加工，就可以避免过切的产生。
3.刀具半径补偿功能的应用
(1)刀具因磨损、重磨、换新而引起刀具直径改变后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后刀具直径。如图所示，1为未磨损刀具，2为磨损后刀具，两者直径不同，只需将刀具参数表中的刀具半径r1改为r2，即可适用同一程序。
刀具直径改变化，加工程序不变
(2)用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。如图所示，刀具半径为r，精加工余量为△。粗加工时，输入刀具直径D=2（r+△），则加工出虚线轮廓。精加工时，用同一程序、同一刀具，但输入刀具直径D=2r，则加工出实线轮廓。
P1——粗加工刀心轨迹
P2——精加工刀心轨迹
利用刀具半径补偿进行粗精加工
(3)在现代数控系统中，有的已具备三维刀具半径补偿功能。对于四、五坐标联动数控加工，还不具备刀具补偿功能，必须在刀位计算时考虑刀具半径。
参考文献：
1 机床数控系统 林其骏主编 中国科学技术出版社
2 机床计算机数控及其应用 刘跃南主编 机械工业出版社
3 数字控制技术与数控机床 杨有君主编 机械工业出版社
作者简介： 王永红 广州白云工商高级技工学校数控科教师 毕业南京理工大学机电一体化专业 联系电话：13538860013(end)
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(12/12/2006) |
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佳工网友 常永康
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于12/19/2006 3:25:00 PM评论说：
在进行铣削内外轮廓时分别进行粗铣、半精铣和精铣时要具体的分析举例就更完整了
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对 数控机床/铣床 有何见解？请到 数控机床/铣床论坛 畅所欲言吧！
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