数控车床刀尖半径补偿的原理和应用分析

数控车床刀尖半径补偿的原理和应用分析(2011-11-0719:39:41)标签：杂谈分类：工程技术摘要：分析了数控车削中因刀尖圆弧产生误差的原因，介绍了纠正误差的思路及半径补偿的工作原理，明确了半径补偿的概念。结合实际，系统介绍了刀具半径补偿的应用方法，及使用中的注意事项。Abstract:Analyzedtheerror'sreasoninnumericalcontrolturningbecauseofarcofcuttingtool,introducedthecorrectionerror'smentalityandtheradiuscompensationprincipleofwork,clearedabouttheradiuscompensationconcept.Unionreality,introducedthecuttingtoolradiuscompensationapplicationmethod,andinusemattersneedingattention..关键词：数控车床；假想刀尖；半径补偿；程序轮廓；原理；应用；Keyword:CNClathe；immaginarycuttingtoolpoint;radiuscompensation;procedureoutline;principle;using1、前言在数控车床的学习中，刀尖半径补偿功能，一直是一个难点。一方面，由于它的理论复杂，应用条件严格，让一些人感觉无从下手；另一方面，由于常用的台阶轴类的加工，通过几何补偿也能达到精度要求，它的特点不能有效体现，使一些人对它不够重视。事实上，在现代数控系统中，刀尖半径补偿，对于提高工件综合加工精度具有非常重要的作用，是一个必须熟练掌握的功能。2、刀尖圆弧半径补偿的原理（1）半径补偿的原因在学习刀尖圆弧的概念前，我们认为刀片是尖锐的，并把刀尖看作一个点，刀具之所以能够实现复杂轮廓的加工，就是因为刀尖能够严格沿着编程的轨迹进行切削。但实际上，目前广泛使用的机夹刀片的切削尖，都有一个微小的圆弧，这样做，既可以提高刀具的耐用度，也可以提高工件的表面质量。而且，不管多么尖的刀片，经过一段时间的使用，刀尖都会磨成一个圆弧，导致在实际加工中，是一段圆弧刃在切削，这种情况与理想刀尖的切削在效果上完全不同。图1图1(a)中，刀片圆弧两边延长线的交点（D），我们称之为理想刀尖，也就是说，如果刀片没有磨损，它的刀尖的理想形状应是这样。如果进行对刀，以确定刀具的偏置值（也叫几何补偿值），X轴和Z轴两个方向的对刀点正好集中于理想刀尖上。这种情况下，系统会以这个刀尖进行轮廓切削。图1(b)中，如果刀尖磨圆了，则对刀时，X轴和Z轴两个方向的对刀点分别在X轴和Z轴方向上最突出的A点和B点上，这时，数控系统就会以A点和B点的对刀结果综合确认一个点作为对刀点，比如，对刀结果为：A点，X=-130，B点，Z=-400，则对刀点坐标为（-130，-400），这正是与A点和B点相切的两条直线的交点（C），我们称之为假想刀尖。而系统正是以这个假想刀尖作为理论切削点进行工作的。也就是说，刀尖磨圆后，只是假想刀尖沿着编程轮廓的轨迹进行运动。但由于假想刀尖与实际的圆弧切削刃之间有一个距离，导致刀具实际切削效果如图2所示。图2图2中，在端面车削和外圆车削时，切削效果不受影响。因为在这两种情况下，系统执行的是单坐标，刀尖最突出的的切削点（A点和B点）是对刀点，它们分别与对刀的结果（几何补偿）一致。但对于图中的锥面部分（CD段），是假想刀尖沿着轮廓运动，实际圆弧切削刃与程序轮廓与有一个距离ΔL，会造成固定欠切的余量（图中阴影部分），导致锥面直径的尺寸偏大。对于圆弧加工，它形成的结果更复杂一些，形成的欠切余量随着轮廓位置的变化而变化。如图3所示。图3由上可见，刀尖圆弧的存在，对于工件中的锥面和圆弧的尺寸精度是有较大影响的。而且刀尖圆弧半径越大，加工误差越大。而刀尖半径补偿，正是基于这一现象而提出的解决措施。（2）半径补偿量与补偿方向图2中，我们发现刀具切削得到的实际轮廓与程序轮廓有ΔL的距离，从理论上讲，将切削刃向程序轮廓靠近一个ΔL的距离，就可以解决欠切现象。但如果由系统计算实际轮廓与程序轮廓相应点之间的距离并实时纠正，对于锥面，还相对简单，但对于圆弧来说，就太麻烦了，因此不可行。而且从数控系统的工作原理来看，刀架的运动必须依靠地址指令的变化来实现，也就是说，我们必须要将纠正轮廓误差的思路变成系统可以实现的动作：即给出新轮廓的起点坐标和终点坐标，让系统按照新的轮廓程序进行工作。如图4如图4，CD为原始程序轮廓，未补偿时，假想刀尖沿着CD运行，结果形成了EF的实际轮廓，造成了欠切。现在，如果将程序起点从C移至A，终点从D移至B，这样，假想刀尖将沿着AB的轨迹运行，而实际切削刃正好与程序轮廓相切，基本切出了符合程序要求的轮廓来。图中，AB段是CD程序段向右平移ΔZ的距离后得到的，可以求出：ΔZ=r[1-ctg(β/2)]，其中，β为锥面的倾斜角，r为刀尖半径。如果C、D点的坐标分别为（x1,z1）、(x2,z2)，则A、B两点的坐标分别为：（x1,z1-ΔZ）、(x2,z2-ΔZ)。这样刀尖只需按A、B点运动，即可达到锥面欠切补偿的目的。当然，在实际中的坐标计算，还要考虑与之相连的线段与它构成的拐角，及其兼顾两边的处理方法。当假想刀尖按新的轨迹AB运行时，刀尖圆弧的圆心O正好与程序轨迹保持一个半径的距离。所以，所谓刀尖半径补偿，不是说让刀尖向轮廓方向移动一个半径的距离，而是让刀尖的圆弧中心始终保持在与程序段轮廓一个半径距离的位置上。对于工件中圆弧的加工也是依此原理进行的，即按照一个新的圆弧段进行切削，以确保程序圆弧不欠切或过切，达到精度要求。另外，我们发现，在计算偏移距离ΔZ=r[1-ctg(β/2)]的公式中，是以刀尖圆弧的半径r和程序段的倾斜角为依据的，其中的倾斜角是系统根据程序段的坐标计算出来的，而刀尖圆弧半径则是人工输入到参数表中的，系统并不检验这个半径的真实性。这样，我们就可以按需要，灵话确定刀尖半径的大小，以调整刀具与工件轮廓的距离。这一特点可以用在粗、精加工的工序中。比如，某一把刀的刀尖圆弧实际半径为0.4mm，我们设计给精加工留0.2mm的余量（半径值），在粗加工前，将刀尖半径值调整为0.4+0.2=0.6mm，则进行粗加工时，刀尖圆弧中心将距离工件轮廓0.6mm的距离。粗加工完成后，轮廓余量正好为0.2mm（半径值）。然后，将刀尖半径改回为0.4mm，重新执行程序，进行精加工（可能需调整主轴转速），这时刀尖圆弧中心与工件轮廓距离0.4mm，与实际半径值一样，可以将精加工的余量一次车削掉。也就是说，我们不必改变程序，只是通过修改刀尖半径值，直接执行原来的程序，就可以达到粗、精加工的目的。这是一种非常灵活的应用方法。（3）对刀的方向与假想刀尖号图4中，为了补偿锥面欠切的余量，系统会让刀尖向两个坐标轴的负方向移动，这是由刀尖的切削方向与圆弧中心的位置关系决定的。虽然说采用半径补偿，可以加工出准确的轨迹形状，但若刀具选用不正确，如左偏刀换成右偏刀，那么采用同样的刀补算法就不能保证加工的准确性。这就引出了刀尖方向的概念。车刀刀尖的方向是从刀尖圆弧中心O看假想刀尖的方向，具体的选用由刀具切削时的方向决定。在西门子802D系统中，为了反映了切削刀具的方向，对不同偏向的假想刀尖都进行了编号，共有9（T1～T9）种设置，表达了9个方向的位置关系，其中，T9是刀尖圆弧中心与假想刀尖点重叠时的情况，此时，机床将以刀尖圆弧中心为刀位点进行计算补偿。在半径补偿时，需要在刀具参数中输入刀尖编号，以使系统能够根据刀尖半径的矢量计算，判定刀具偏移的方向，否则，可能会出现不合要求的过切和欠切现象。在不同坐标系（前置刀架与后置刀架）中，同一刀尖号表示的刀尖方向不一定相同。图5所示为前置刀架的刀尖号设置与相应的刀具类型。图53、半径补偿的方法（1）补偿参数的设置图6为西门子802D的刀补界面，各个参数根据刀具的形状和安装位置设定。对于新安装的机夹刀片，半径可以查阅刀片的相关参数，直接输入。如果无据可查，最好手工估算一下，但开始半径不要定的太小，如果设定值小于实际值，可能会造成最后车出的实际尺寸小于轮廓要求。对于锥面或圆弧加工过程中出现的偏差，可以通过车削后，测量工件实际尺寸，输入半径磨耗或修改半径值，以进行补偿调整。图6（2）刀补的加入和刀具的几何补偿不一样，在刀具参数中，即便刀尖半径已经赋值，但系统在调用刀具补偿号时，不会自动执行半径补偿，必须有相应的指令才能执行。一般是在补偿前的程序段中，加入G41或G42指令。需要注意的是，应用刀补指令，必须根据刀架位置、刀尖与工件相对位置来确定补偿方向，这和圆弧插补指令G02、G03一样，也是依据第三坐标轴的方向判定的。如图7。G41：面对Y轴负方向指向的平面，沿刀具运动方向看，刀具位于工件左侧时，称为刀具半径左补偿。G42：面对Y轴负方向指向的平面，沿刀具运动方向看，刀具位于工件右侧时，称为刀具半径右补偿。图7在使用第三轴判断刀补方向是一件困难的事，为了方便，我们可以这样记忆：后置刀架，所见即所得（看到的是左补偿，用G41,看到的是右补偿，用G42）；前置刀架，所见非所得（看到的是左补偿，用G42,看到的是右补偿，用G41）（3）补偿的方式和路径现代数控系统执行的是C型补偿方式。当刀具执行半径补偿时，系统会一次预读两个程序段，根据两个程序段交点连接的情况计算出相应的运动轨迹后，再依次执行各个程序段。如果是单段运行，会按预读计算的轨迹在第一个程序段的终点处暂停。如果是连续运行，先按预读的两个程序段的计算结果，执行第一个程序段，同时再预读第三个程序段，然后按照第二、第三程序段的计算结果，执行第二程序段，同时，再预读第四程序段，依此顺序完成所有程序段的执行工作。由于采用了提前预读模式，因此，在轮廓控制上很精确。刀尖半径补偿分为三个步骤：刀补建立、刀补进行、刀补取消。从无补偿方式到建立G41或G42指令，称为刀补建立。刀补进行是刀具按照半径补偿的设定方式执行工件加工的过程。当设定的补偿工作完成后，用G40指令退出补偿为刀补取消。图8为刀补连续工作的一个例子。图8从图8可以看出，在不同程序段的连接处，系统对刀具中心的轨迹采取了不同的处理方式，以确保连接处的补偿方式科学合理。实际上，针对刀具半径补偿，现代数控系统考虑了多种连接方式，有直线--直线，直线--圆弧，圆弧--直线，圆弧--圆弧等，并根据连接角度的不同，设计了不同的补偿算法。这些工作对于充分发挥半径补偿的功能，更精确地控制程序轮廓的加工，提供了充分的技术保证。尽管现代数控系统已具备了强大的处理运算能力，但在半径补偿方面，我们仍需要注意一些问题，并严格按照规定执行。1、半径补偿只能在G00或G01的运动（非切削段）中建立或取消，即G41、G42只能和G00或G01一起使用，不能是圆弧指令G02或G03。补偿应加在切入工件的前一程序段中。在补偿建立和补偿运行过程中，应避免出现非移动指令（如辅助指令）的程序段，因为在处理两个及以上此类的程序段时，刀尖中心会移到前一程序段终点并垂直于该程序段路径的位置。这样会破坏对连续程序段拐角的处理模式。2、G41和G42是模态指令，在刀补执行完成后，应当用G40指令取消补偿，否则，再次调用刀具时，刀具轨迹会偏离一个刀尖半径值，会引起后续刀补的计算错误。在半径补偿的撤消时，也应安排在刀具切出工件后。当程序执行M30指令时，刀补取消。3、进行半径补偿后，刀具路径应当是单方向递增或递减，比如，用G42指令后，刀具是向Z轴负方向连续切削，这期间就不能向Z轴正方向移动。如必须向正方向移动，需要取消半径补偿，进行换刀或重新设置补偿方式。4、刀尖半径R值不能输入负值，否则运行轨迹会出错。5、在使用半径补偿精加工时，应注意，当刀具半径大于所加工的工件内轮廓拐角，刀尖直径大于所加工的沟槽，刀具半径大于所加工的台阶时，会产生过切现象。因此在加工前应核对刀补参数与工