刀具位置补偿和半径补偿

数控技术第四章计算机数控（CNC）系统第三节刀具位置补偿和半径补偿一、刀具的位置补偿当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件，或同一名义尺寸的刀具因换刀重调或磨损而引起尺寸变化时，为了编程方便和不改变已制备好的穿孔带，数控装置常备有刀具位置补偿机能，将变化的尺寸通过拨码开关或键盘进行手动输入，便能自动进行补偿。刀具补偿是数控中的重要组成部分，当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺度的零件，或同一名义尺寸的刀具因换刀重调或磨损而引起尺寸变化时，为了编程方便和不改变已制备好的穿孔带（或程序），数控装置常备有刀具补偿机能。1、刀具的位置补偿计算（图为不同尺寸刀具的四方刀架）刀架中心位置为各刀具的换刀点，并以1号刀尖B点为所有刀具编程起点。当1号刀从B到A其增量值为：UBA=XA-X1WBA=ZA-Z1当换2号时，刀尖处在C点，C点的坐标原点为I、K。当Ｃ→Ａ时：ＵＣＡ＝(ＸＡ－Ｘ１)＋Ｉ补ＷＣＡ＝(ＺＡ－Ｚ１)＋Ｋ补当Ａ→Ｃ时：ＵＡＣ＝-[(ＸＡ－Ｘ１)+Ｉ补]ＷＡＣ＝-[(ＺＡ－Ｚ１)+Ｋ补]刀具复位补偿一个反量的过程为刀具位置补偿撤销。2、刀具位置补偿的处理方法机器在补偿前必须处理前后两把刀具位置补偿的差别。例如,T1刀具补偿量为+0.5mm,T2刀具补偿量为+0.35mm,两者差0.15mm。由于T2-T1=+0.35-(+0.5）=-0.15mm规定：向床头箱移动为‘负’，称进刀，远离为正，称退刀,也就是说,在T1更换为T2时,要求刀架前进0.15mm。对此，可作如下处理：(1)在更换刀具时，先把原来刀具（T1）补偿量撤消（根据上例，刀架前进0.5mm），然后根据新刀具（T2）补偿量要求退回0.35mm，这样，实际上刀架前进了差值为0.15mm。此方法刀架要移动两次。(2)在更换刀具时，立即进行新换刀具的补偿量和原来刀具补偿量（老刀具补偿量）的差值运算，并根据这个差值进行刀具补偿。这种方法称差值补偿法。实际上是把原刀具补偿量的撤消和新刀具补偿量的读入进行复合。此方法刀架只要移动一次。以上两种方法运算结果相同，但逻辑设计思路不同，差值补偿法不仅编程可简化，而且减少了刀架的移动次数。二、刀具的半径补偿:1、刀具半径补偿的作用在数控机床上用圆头刀和铣刀加工零件时，其加工程序的编制有两种方法:1）按零件轮廓编程2）按刀具中心的运动轨迹编程数控系统的刀具半径补偿功能可以使换刀和刀具磨损时不需要重新制作程序纸带，数控系统可以自动进行补偿，正确加工零件。2、B刀具半径的补偿方法如图待加工零件，加工路线为：O→A→B→C→D→E→F→A→O•O为起刀点，如图示。•从O点开始刀具半径矢量r要作长度分别为OO1和O1a的直线插补，得到A点的补偿矢量r。•AB段直线插补，得到B点补偿矢量r。•BD段作半径为R+r的圆弧插补，直到半径矢量r与终点矢量O2D重合。•DE作直线插补，E点转角处，补偿矢量r应作半径为r的圆弧插补，使e→e1完成补偿矢量r与直线EF的法向重合。•EF段作直线插补...上述对刀具补偿矢量的处理，通称为“刀具偏移计算”。实现的方法有r²法、矢量法、比例法等。这些方法的刀具半径补偿只能计算出直线或圆弧终点的刀具中心坐标值，两个程序段之间轮廓的转接（又称拐角或过渡）是以圆弧方式进行的，没有考虑连接的各种实际情况，故称其为一般刀具半径补偿，或称B机能刀具补偿（简称B刀补）。由前所述，可见要实现刀具半径补偿，数控系统除了有直线、圆弧插补功能外，还须具有处理刀具半径矢量的能力，这种处理能力表现在补偿矢量偏移的计算和补偿矢量的旋转两个方面。3、C型机能刀具半径补偿方法实现B刀补的常用方法有一个共同特点，就是对加工轮廓的转接是以圆弧方式进行的，存在问题：1）在外轮廓尖加工时，由于轮廓尖角处始终处于切削状态，尖角加工的工艺性就比较差，这在磨削加工中尤其突出，所加工的尖角往往会变成小圆角。2）在内轮廓尖加工时，由于刀具中心轨迹交点不易求得，因此不得不由程编员人为地插入一个辅助加工的圆弧轨迹，并且这个辅助圆弧的半径必须大于刀具半径值。（1）C机能刀补的设计思想常用的刀具半径补偿方法产生编程限制的主要原因在于，这些方法在确定刀具中心轨迹时，都采用了读一段、算一段、再走一段的方法。它们都不能预计到下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，从而需要由程编员帮助判别。一旦遇到这种情况，就必须人为地插入一个过渡圆弧，否则会产生过切削的现象。为了解决下段加工轨迹对本段加工轨迹的影响问题，系统的输入装置线路中可增设刀具补偿缓冲器。如图，工作寄存器AS存放正在加工的程序段信息。刀补缓冲器CS存放的是下一段要加工程序段信息。而缓冲寄存器BS存放的是再下一段所要加工的程序段信息。因此，在有C机能刀具半径补偿的数控系统工作时，总是同时存有三段程序信息。C刀补控制过程（2）自动过渡的转接方式C机能刀具半径补偿方法的主要特点是采用直线过渡。由于采用直线过渡，因此在实际加工过程中，随着前后两段程编轨迹的连接方式不同，相应的刀具中心的加工轨迹也会产生不同的转接方式。从编程轨迹交点指向刀具中心轨迹交点的矢量称为转接矢量。根据刀具中心轨迹形状，可以划分出三种转接型式：缩短型转接、伸长型转接和插入型转接。缩短型转接，是指刀具在零件内侧运动，这时刀具中心轨迹比程编轨迹为短；伸长型转接则相反，刀具处在零件外侧运动，因此刀具中心轨迹变长；插入型转接，刀具中心除了沿原来的程编轨迹伸长移动一个刀具半径r长度后，还必须增加一个直线移动。相对于原来的程序段而言，等于中间再插入了一个程序段。如图所示，为直线过渡的转接情况。（3）C机能刀补的过切削判别在以往常用的刀具半径补偿方法中，由于对加工零件的轮廓的转接是要靠程编员来帮助数控系统进行判别的，尤其是碰到缩短型转接，易造成过切削现象。如图所示。C机能刀补可以从根本上解决这种因转接而引起的过切削现象。（4）C机能刀补的执行过程分为三个步骤：第一步刀补建立，刀具接近工件；第二步刀补进行；第三步刀补撤消，刀具撤离工件。rSrSrrSSSrrSSSrrSSSSrrSSSSa）缩短型直线→直线b）缩短型直线→圆弧c）伸长型直线→直线e）插入型直线→直线d）伸长型直线→圆弧f）插入型直线→圆弧1）刀补建立，刀具接近工件一旦输入到缓冲寄存器BS的程序段包含有G41/G42命令时，系统即认为应当进入刀补建立状态。2）刀补进行在刀补进行中，刀具中心始终偏离程编轨迹一个刀具半径的距离。3）刀补撤消，刀具撤离工件刀补撤消是刀补建立的一个逆过程。如果本段与上段的程编轨迹是属于缩短型转接，那么就不必作转接矢量计算，刀具中心将一直走到上段程编轨迹终点的半径矢量顶点，然后再走到本撤消段程编轨迹的终点。如果本段与上段的程编轨迹是属于非缩短型转接，刀具中心最后必须从撤消段的起点刀具半径矢量的顶点走向程编轨迹的终点。rSrSa）缩短型直线→直线b）缩短型直线→圆弧rrSSSrrSSSrrSSSrrSSSSc）伸长型直线→直线e）插入型直线→直线d）伸长型直线→圆弧f）插入型直线→圆弧下面以一个实例来说明刀具半径补偿的工作过程，数控系统完成从O点到E点的编程轨迹的加工步骤如下：①读入OA，判断出是刀补建立，继续读下一段。②读入AB，因为∠OAB＜90º，且又是右刀补（G42），此时段间转接的过渡形式是插入型。则计算出a、b、c的坐标值，并输出直线段oa、ab、bc，供插补程序运行。③读入BC，因为∠ABC＜90°，该段间转接的过渡形式也是插入型。则计算出d、e点的坐标值，并输出直线段cd、de。④读入CD，因为∠BCD＞180º，由表2可知，该段间转接的过渡形式也是缩短型。则计算出f点的坐标值，由于是内侧加工，须进行过切判别,若过切则报警，并停止输出，否则输出直线段ef。⑤读入DE（假定有撤消刀补的G40命令），因为90º＜∠ABC＜180º，由于是刀补撤消段，由表2可知，该段间转接的过渡形式是伸长型。则计算出g、h点的坐标值，然后输出直线段fg、gh、hE。⑥刀具半径补偿处理结束。数控系统中所采用的C机能刀具半径补偿方法，最突出的优点是编程极其简单。对于平面图形的加工，它可以彻底消除辅助轨迹的编制，因而消除了常用的刀补方法易于在程序段转接处产生过切削的缺点。由于C机能刀具半径补偿采用直线转接(过渡)方式，所有在尖角加工时有好的工艺性。采用C机能刀补方法，计算比较复杂，另外由于要同时读入两段程序作修正计算，因而对数控系统的计算速度和存储器容量要有一定要求。三、刀具的长度补偿刀具的长度补偿指令一般用于刀具轴向(Z方向)的补偿。它可使刀具在Z方向上的实际位移大于或小于程给定值。即:实际位移量＝程序给定值±补偿值上式中:两代数值相加(“＋”)称正偏置,用G43指令表示相减(“－”)称负偏置,用G44指令表示给定的程序值与输入的补偿值都可负(+Z向为正,-Z向为负),根据需要选取。如图为钻头快速接近工件时的长度补偿例子。设A1为程序值且为-Z方向(-A)，D为补偿值且为-Z方向(-D)，A2为实际位移值。图a：-A2=-A1+(-D1)=-(A1+D1)G00G91G43Z(-A1)D01(补偿号D01中存-D1）图b：-A2=-A1-(-D2)=-A1+D2G00G91G44Z(-A1)D02(补偿号D02中存-D2）图(a)用G43指令，图(b)用G44指令，其实际位移量及其程序分别为(用增量值)。采用G43和G44指令后，编程人员就不一定要知道实际使用的刀具长度进行编程。或者在加工过程中，若刀具长度发生改变或更换新刀具时，不需要变更程序，只要把实际刀具长度与假定之差输至CNC系统的D存储器中即可。