刀具半徑補(bǔ)償是數(shù)控銑削加工中的常用功能，本文就數(shù)控銑削加工中刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⒑腿∠⒌毒甙霃窖a(bǔ)償量的指定和計(jì)算方法、刀具半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用等進(jìn)行了介紹。
a)外輪廓加工
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b)內(nèi)輪廓加工
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| 圖1 刀具半徑補(bǔ)償 | 在數(shù)控銑床上進(jìn)行工件輪廓的數(shù)控銑削加工時(shí)，由于存在刀具半徑，使得刀具中心軌跡與工件輪廓(即編程軌跡)不重合。如果數(shù)控系統(tǒng)不具備刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能，則只能按刀心軌跡，即在編程時(shí)給出刀具的中心軌跡，如圖1 所示的點(diǎn)劃線軌跡進(jìn)行編程。其計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，尤其是當(dāng)?shù)毒吣p、重磨或換新刀而使刀具直徑變化時(shí)，必須重新計(jì)算刀心軌跡，并修改程序。這樣既復(fù)雜繁鎖，又不易保證加工精度。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)具備刀具半徑補(bǔ)償功能時(shí)，數(shù)控程序只需按工件輪廓編寫，加工時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算刀心軌跡，使刀具偏離工件輪廓一個(gè)半徑值，即進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償。 1 刀具半徑補(bǔ)償量的指定數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補(bǔ)償就是將計(jì)算刀具中心軌跡的過程交由數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行，編程員假設(shè)刀具的半徑為零，直接根據(jù)零件的輪廓形狀進(jìn)行編程。因此，這種編程方法也稱為對(duì)零件的編程，而實(shí)際的刀具半徑則存放在一個(gè)可編程刀具半徑偏置寄存器中。在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件程序和刀具半徑自動(dòng)計(jì)算刀具中心軌跡，完成對(duì)零件的加工。當(dāng)?shù)毒甙霃桨l(fā)生變化時(shí)，不需要修改零件程序，只需修改放在刀具半徑偏置寄存器中的刀具半徑值或者選用存放在另一個(gè)刀具半徑偏置寄存器中的刀具半徑所對(duì)應(yīng)的刀具即可。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都設(shè)置有若干個(gè)可編程刀具半徑偏置寄存器，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，專供刀具補(bǔ)償之用，可將刀具補(bǔ)償參數(shù)(刀具長(zhǎng)度、刀具半徑等)存入這些寄存器中。在進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，只需調(diào)用所需刀具半徑補(bǔ)償參數(shù)所對(duì)應(yīng)的寄存器編號(hào)即可。實(shí)際加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將該編號(hào)對(duì)應(yīng)的刀具半徑偏置寄存器中存放的刀具半徑取出，對(duì)刀具中心軌跡進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，生成實(shí)際的刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡。 在進(jìn)行數(shù)控加工前，必須預(yù)先設(shè)置好刀具半徑補(bǔ)償量。刀具半徑經(jīng)補(bǔ)償量的指定，通常由有關(guān)代碼指定刀具補(bǔ)償號(hào)，并在代碼補(bǔ)償號(hào)中輸入刀具半徑補(bǔ)償量，刀具補(bǔ)償號(hào)必須與刀具編號(hào)相對(duì)應(yīng)。在加工中，如果沒有更換刀具，則該刀具號(hào)的補(bǔ)償量一直有效。 對(duì)于刀具半徑補(bǔ)償量的確定，如果是標(biāo)準(zhǔn)刀具第一次使用，可以采用刀具廠家提供的有關(guān)參數(shù)來確定，如果是已使用過或重磨過的刀具，則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定。
a)刀具半徑右補(bǔ)償
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b)刀具半徑左補(bǔ)償
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| 圖2 刀具半徑補(bǔ)償 | 2 刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c撤消數(shù)控銑削加工刀具半徑補(bǔ)償分為刀具半徑左補(bǔ)償和刀具半徑右補(bǔ)償，分別用G41 和G42定義。根據(jù)ISO 標(biāo)準(zhǔn)，沿刀具前進(jìn)方向當(dāng)?shù)毒咧行能壽E位于零件輪廓右邊時(shí)，稱為刀具半徑右補(bǔ)償，如圖2a 所示。反之稱為刀具半徑左補(bǔ)償，如圖2b 所示。當(dāng)不需要進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，則用G40 取消刀具半徑補(bǔ)償。 刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕?刀具半徑補(bǔ)償?shù)慕⒕褪窃诘毒邚钠鸬饵c(diǎn)(起刀點(diǎn)位于零件輪廓之外，距離加工零件輪廓切入點(diǎn)較近)以進(jìn)給速度接近工件時(shí)，刀具中心軌跡從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個(gè)刀具半徑值的過程。刀具半徑補(bǔ)償偏置方向由G41(左補(bǔ)償)或G42(右補(bǔ)償)確定，如圖3 所示。
圖3 建立刀具半徑補(bǔ)償 | 在圖3 中，建立刀具半徑左補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)指令如下： N10 G90 G92 X-10. Y-10. Z0；定義程序原點(diǎn)，起刀點(diǎn)坐標(biāo)為(-10，-10，0)。 N20 S900 M03；啟動(dòng)主軸。 N30 G17 G01 G41 X0 Y0 D01；建立刀具半徑左補(bǔ)償，刀具半徑偏置寄存號(hào)D01。 N40 Y50. ；定義首段零件輪廓。 其中，D01 為調(diào)用D01 號(hào)刀具半徑偏置寄存器中存放的刀具半徑值。 建立刀具半徑右補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)指令如下： N30 G17 G01 G42 X0 Y0 D01；建立刀具半徑右補(bǔ)償。 刀具半徑補(bǔ)償?shù)娜∠?與建立刀具半徑補(bǔ)償過程類似，在零件最后一段刀具半徑補(bǔ)償軌跡加工完成后，刀具撤離工件，回到退刀點(diǎn)，在這個(gè)過程中應(yīng)取消刀具半徑補(bǔ)償，其指令用G40。退刀點(diǎn)也應(yīng)位于零件輪廓之外，距離加工零件輪廓退出點(diǎn)較近，可以與起刀點(diǎn)相同，也可以不相同。在圖3中假如退刀點(diǎn)與起刀點(diǎn)相同的話，其刀具半徑補(bǔ)償取消過程的命令如下： N100 G01X0Y0；加工到工件原點(diǎn)。 N110 G01G40X-10Y-10；取消刀具半徑補(bǔ)償，退回到退刀點(diǎn)。 注意事項(xiàng) G41、G42 為模態(tài)指令； G41(或G42)必須與G40 成對(duì)使用； 編入G41(或G42)、G40 程序段，用G01(G40 程序段亦可用G00，但一般用G01)功能及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)參數(shù)； G41(或G42)與G40 之間的程序段不得出現(xiàn)任何轉(zhuǎn)移加工，如鏡像、子程序加工等。
3 刀具半徑補(bǔ)償量的變化在刀具半徑補(bǔ)償代碼中輸入的刀具半徑補(bǔ)償量是一個(gè)標(biāo)量數(shù)值，而數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部認(rèn)定的補(bǔ)償量是一個(gè)補(bǔ)償矢量，補(bǔ)償矢量由數(shù)控系統(tǒng)自行計(jì)算。補(bǔ)償矢量的大小與刀具補(bǔ)償代碼指定的補(bǔ)償量相等，其方向在每個(gè)程序段中隨刀具的移動(dòng)不斷變化。
圖4 刀具補(bǔ)償量的計(jì)算
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a) 工件外側(cè)加工
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b) 工件內(nèi)側(cè)加工
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| 圖5 刀具半徑補(bǔ)償量與刀心軌跡 | 刀具半徑補(bǔ)償量的變化一般在換刀時(shí)出現(xiàn)。對(duì)連續(xù)的程序段，當(dāng)?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償量變化時(shí)，某一程序段終點(diǎn)的矢量(同時(shí)也是下一程序段起點(diǎn)的矢量)要用該程序段指定的刀具補(bǔ)償量進(jìn)行計(jì)算，如圖4 所示。 4 刀具半徑補(bǔ)償量的正負(fù)與刀具的刀心軌跡在數(shù)控程序的編制中，一般我們把刀具的半徑補(bǔ)償量在補(bǔ)償代碼中輸入為正值(+)，如果把刀具半徑補(bǔ)償量設(shè)為負(fù)值(—)時(shí)，在走刀軌跡方向不變的情況下，則相當(dāng)于把數(shù)控程序中的補(bǔ)償位置指令，G41、G42 互換，即加工工件外側(cè)的刀具變?yōu)樵趦?nèi)側(cè)加工，如圖5a、圖5b 所示。在加工表面不變的情況下，刀具走刀軌跡方向?qū)l(fā)生相應(yīng)的變化。 5 刀具半徑補(bǔ)償?shù)拈_始與Z 軸的切入操作開始切削加工前，在離開工件的位置預(yù)先加上工刀具半徑補(bǔ)償(通常在XOY 平面或與XOY 平面平行的平面上)，之后進(jìn)行Z 軸方向的切入。為保證程序運(yùn)行后得到正確的工件輪廓而不產(chǎn)生過切，編程時(shí)必須注意加工程序的結(jié)構(gòu)。 如圖6 所示，在XOY 平面內(nèi)(或平行于XOY 平面的平面內(nèi))使用刀具半徑補(bǔ)償功能(有Z軸移動(dòng))進(jìn)行輪廓切削，設(shè)起點(diǎn)在(0，0，100)處，當(dāng)?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償從起點(diǎn)開始時(shí)，由于接近工件及切削工件時(shí)要有Z 軸移動(dòng)，按以下程序加時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過切現(xiàn)象，并且系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警停止。
a)正確補(bǔ)償軌跡
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b)存在過切現(xiàn)象的補(bǔ)償軌跡
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| 圖6 刀具半徑補(bǔ)償軌跡 | 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 ； 根據(jù)刀具半徑補(bǔ)償功能編程規(guī)則，在XOY 平面內(nèi)(或平行于XOY 平面的平面內(nèi))建立刀具半徑補(bǔ)償后，不能連續(xù)出現(xiàn)兩段Z 軸的移動(dòng)指令，否則會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償位置不正確。當(dāng)半徑補(bǔ)償從N4 程序段開始建立的時(shí)候，數(shù)控系統(tǒng)只能預(yù)讀其后的兩個(gè)程序段，而N5、N6 兩段程序段都是Z 軸移動(dòng)指令，沒有XOY 平面內(nèi)的坐標(biāo)移動(dòng)，系統(tǒng)無法判斷下一步補(bǔ)償?shù)氖噶糠较�，這時(shí)系統(tǒng)并不報(bào)警，補(bǔ)償照樣進(jìn)行，但是N4 程序段執(zhí)行后刀心軌跡目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生了變化，不再是圖中的P 點(diǎn)，而是如圖6b 所示的P1 點(diǎn)，這樣就產(chǎn)生了過切(圖中陰影部分)。為避免這種過切，可以在建立半徑補(bǔ)償之前，選擇一個(gè)不會(huì)發(fā)生干涉的安全位置，使Z 軸以快速運(yùn)動(dòng)接近工件后，再以進(jìn)給速度進(jìn)給到切削深度。將上述程序改為：
圖7 刀具直徑改變化，加工程序不變
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P1——粗加工刀心軌跡 P2——精加工刀心軌跡
圖8 利用刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行粗精加工 | 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。 采用這個(gè)程序段進(jìn)行加工，就可以避免過切的產(chǎn)生。 6 刀具半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用 刀具因磨損、重磨、換新而引起刀具直徑改變后，不必修改程序，只需在刀具參數(shù)設(shè)置中輸入變化后刀具直徑。如圖7 所示，1 為未磨損刀具，2 為磨損后刀具，兩者直徑不同，只需將刀具參數(shù)表中的刀具半徑r1 改為r2，即可適用同一程序。 用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半徑補(bǔ)償，可進(jìn)行粗、精加工。如圖8 所示，刀具半徑為r，精加工余量為D。粗加工時(shí)，輸入刀具直徑D=2(r+D)，則加工出虛線輪廓。精加工時(shí)，用同一程序、同一刀具，但輸入刀具直徑D=2r，則加工出實(shí)線輪廓。 在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，有的已具備三維刀具半徑補(bǔ)償功能。對(duì)于四、五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，還不具備刀具補(bǔ)償功能，必須在刀位計(jì)算時(shí)考慮刀具半徑。 |
