《數(shù)控編程》課程中刀具補(bǔ)償功能解析

沈曉燕

摘要：在《數(shù)控編程》課程中，數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補(bǔ)償是一個重點(diǎn)內(nèi)容也是難點(diǎn)內(nèi)容。刀補(bǔ)是由計(jì)算機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中自動完成的。數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中會根據(jù)刀具運(yùn)動的方向和零件輪廓尺寸，依據(jù)指令（G40，G41，G42），系統(tǒng)通過機(jī)床刀具實(shí)際半徑計(jì)算出刀具的中心運(yùn)動軌跡，從而完成零件加工。刀具半徑補(bǔ)償在數(shù)控加工過程中的過程為：建立刀具補(bǔ)償建立——維持刀具補(bǔ)償——撤銷刀具補(bǔ)償。能夠理解，并在數(shù)控加工編程中注意合理運(yùn)用，就能避免過切現(xiàn)象，在數(shù)控加工過程，刀具補(bǔ)償使得編程更加的靈活和簡便。

關(guān)鍵詞：G40 ；刀具補(bǔ)償；過切現(xiàn)象；數(shù)控編程

中圖分類號：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0254-03

在數(shù)控加工過程中，數(shù)控編程所控制的道具運(yùn)行軌跡，是以刀具中心為軌跡進(jìn)行編程的，隨著道具的磨損、重磨和換刀，機(jī)床刀具的實(shí)際工作半徑r變化，導(dǎo)致編程使用時，必須按照新的刀具中心軌跡重新計(jì)算軌跡，修改參數(shù)。這樣不僅無法提高數(shù)控加工精度，更增加了大量的編程檢查工作，為此，數(shù)控編程系統(tǒng)增加了刀具半徑補(bǔ)償功能，這樣當(dāng)?shù)毒甙霃桨l(fā)生變化時，數(shù)控系統(tǒng)會自動計(jì)算道具中心運(yùn)動軌跡，進(jìn)行自動修訂，這樣在進(jìn)行數(shù)控加工時，系統(tǒng)會依據(jù)刀具的實(shí)際半徑r，將刀具中心運(yùn)動軌跡自動偏離工件加工軌跡r的距離進(jìn)行切削加工。

熟練地掌握并運(yùn)用數(shù)控刀具半徑補(bǔ)償指令，可以有效地提高編程速度和數(shù)控加工精度。

1刀具半徑補(bǔ)償?shù)囊饬x

數(shù)控銑床、數(shù)控車床或加工中心在進(jìn)行工件加工時。零件的實(shí)際輪廓軌跡與刀具中心運(yùn)動軌跡之間的偏移量就是刀具半徑補(bǔ)償。如圖1：刀具補(bǔ)償示意圖所示，圖中實(shí)線表示的方形零件為所加工的零件輪廓線，實(shí)線外側(cè)和內(nèi)測的兩條虛線，分別表示從外部加工該零件輪廓和從內(nèi)部加工該零件輪廓，機(jī)床刀具中心所運(yùn)行的軌跡。機(jī)床所加工的零件輪廓與機(jī)床使用的刀具中心運(yùn)動軌跡正好相差一個刀具半徑r的值。當(dāng)加工零件外輪廓時，如果刀具向左運(yùn)動則為右刀補(bǔ)，使用G42指令；反之刀具向右運(yùn)動則為左刀補(bǔ)，用G41指令；當(dāng)加工零件內(nèi)輪廓時，如刀具向右運(yùn)動即為右刀補(bǔ)，使用G42指令，反之向左運(yùn)動即為左刀補(bǔ)，使用指令G41。當(dāng)主軸為正向轉(zhuǎn)動時，為了對加工工件進(jìn)行順銑，這時內(nèi)外輪廓加工都采用左刀補(bǔ)指令G41。通過G41 G42 這兩個刀具半徑補(bǔ)償指令的使用，在數(shù)控編程加工中就只需要計(jì)算出刀具中心運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)，避免了編程工作中對刀具運(yùn)動軌跡的繁瑣計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)工件的粗加工、精加工，均使用統(tǒng)一程序的目的。

1）簡化編程

在數(shù)控編程加工中，利用刀具半徑補(bǔ)償指令后，加工軌跡就可以按照所加工工件的外輪廓進(jìn)行計(jì)算編程，不用再計(jì)算刀具中心運(yùn)動軌跡，大大簡化了編程計(jì)算過程。加工程序準(zhǔn)確描述外輪廓軌跡即可，加工過程中遇到刀具更換情況，只要調(diào)用不同的刀具半徑R來進(jìn)行修訂既可，加工程序依舊可以按原來的程序。這就避免了編程過程中的重復(fù)計(jì)算，使得編程得以簡化。

2）刀具變化更靈活

在成產(chǎn)加工過程中，機(jī)床刀具的磨損、重磨經(jīng)常發(fā)生，在加工零件的不同結(jié)構(gòu)需要使用不同的刀具，刀具的更換在復(fù)雜零件的加工中也是非常頻繁。有刀具半徑補(bǔ)償功能的話，當(dāng)?shù)毒咧啬ァ⒛p和更換時就必須對程序參數(shù)進(jìn)行重新修訂，這無疑增加了大量工作量。

零件在自動加工過程中，由于磨損刀具的半徑在不斷變小，如果不及時更換刀具或者修正編程參數(shù)，加工的工件外形尺寸就會超出圖紙要求的公差范圍，使得產(chǎn)品尺寸不符合加工要求，成為廢品，不能滿足使用要求，增加了生產(chǎn)成本。

舉例說明：如機(jī)床刀具的原始半徑為r，隨著生產(chǎn)加工的使用，刀具產(chǎn)生磨損，與原始尺寸相比刀具磨損量為δ，則此時刀具實(shí)際半徑就應(yīng)為r-δ，使用了刀具補(bǔ)償指令后，在加工過程中不用對原程序參數(shù)進(jìn)行修改，就可以繼續(xù)滿足加工要求，繼續(xù)使用。同樣，當(dāng)更換刀具時，由于新刀具半徑與舊刀具半徑不同，利用刀補(bǔ)系統(tǒng)，將新刀具半徑替代就刀具半徑就可以使用加工程序繼續(xù)加工零件，這樣就可以很好地適應(yīng)刀具的各種變化，以實(shí)現(xiàn)不改變加工程序原始參數(shù)即可完成零件的加工要求。

3）利用同一程序完成粗、精加工過程

利用刀具半徑補(bǔ)償?shù)墓δ苓€能輕松實(shí)現(xiàn)同一程序進(jìn)行粗、精加工。理解了刀具半徑補(bǔ)償?shù)囊饬x后，我們就能針對刀補(bǔ)的意義將功能予以擴(kuò)展。例如，在加工過程中將刀補(bǔ)半徑設(shè)置為不等于刀具半徑，而是等于刀具半徑加上精加工余量，這樣第一次切削完成即完成了工件的粗加工，在處理粗精加工的時候可以將預(yù)設(shè)的刀具半徑r輸入作為刀補(bǔ)半徑。這樣就可以實(shí)現(xiàn)使用同一加工程序，采用同一刀具利用過修改刀補(bǔ)的辦法實(shí)現(xiàn)對工件輪廓的粗、精加工；同時也可通過修改半徑補(bǔ)償值獲得所需要的尺寸精度。

例如加工如圖2所示工件，刀具半徑r加上粗加工加工余量Δ，設(shè)置為刀具補(bǔ)償半徑進(jìn)行加工，加工完畢后，就完成了工件的粗加工階段。進(jìn)行精加工的時候就可以直接以刀具半徑r作為補(bǔ)償值作為刀具補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行加工。這樣就以同一程序就完成了粗加工和精加工，大大簡化了數(shù)控加工編程過程。

2 刀補(bǔ)指令的執(zhí)行過程

刀補(bǔ)的建立：在加工程序段中包含有G41、G42指令時，數(shù)控系統(tǒng)即建立刀具補(bǔ)償狀態(tài)。當(dāng)下列條件得以成立時，數(shù)控銑床將以移動坐標(biāo)軸的形式開始刀具補(bǔ)償動作。

1）指令G41或G42被指定；

2）在刀具補(bǔ)償?shù)募庸て矫鎯?nèi)有軸的移動；

3）指定一個補(bǔ)償號；

4）偏置補(bǔ)償?shù)募庸て矫姹恢付ɑ蛞呀?jīng)被指定；

5）G00或G01的模式有效。

刀具補(bǔ)償功能持續(xù)范圍：當(dāng)?shù)毒哐a(bǔ)償命令開始執(zhí)行起，刀具的中心運(yùn)動軌跡就沿著與加工工件軌跡相差一個刀具半徑的軌跡運(yùn)行，直到加工過程技術(shù)為止。在這個加工過程中半徑補(bǔ)償在G00、G01、G02、G03的情況下都是有效指令。

取消刀具補(bǔ)償：加工過程中可以使用G40指令取消程序中的的偏置值，這時，刀具中心回到加工起始點(diǎn)位置，離開被加工的工件。程序結(jié)束刀具中心軌跡與編程加工軌跡重合。以下兩個條件當(dāng)有一個觸發(fā)時，加工中心會將補(bǔ)償模式取消。①指令G40給出時，補(bǔ)償平面內(nèi)有坐標(biāo)軸的移動。②刀具補(bǔ)償號為D00。

3 注意事項(xiàng)

1）加工平面上增加刀具補(bǔ)償時，必須在該工件未加工輪廓時有在該加工平面的移動，并道具移動距離要大于刀具半徑r。

當(dāng)切削加工即將開始時，在XOY平面或與XOY平面平行的坐標(biāo)平面上，加上刀具半徑補(bǔ)償參數(shù)，即刀具脫離工件的加工位置。隨后再沿著Z軸的方向進(jìn)行加工，在加工程序編寫時重點(diǎn)注意加工程序的結(jié)構(gòu)，以保證不會產(chǎn)生過切現(xiàn)象，當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束可以獲得精確的工件加工輪廓。

圖3工件坐標(biāo)系，如圖中所標(biāo)示內(nèi)容，在與XOY平面相平行的坐標(biāo)平面內(nèi)，以及XOY平面內(nèi)，利用刀具半徑補(bǔ)償指令，對工件進(jìn)行加工，起點(diǎn)位置坐標(biāo)（0，0，100），也即刀具中心移動軌跡起點(diǎn)位置坐標(biāo)。這時當(dāng)加工開始，刀具移動接近加工工件和切削工件開始時，刀具中心會產(chǎn)生沿Z軸方向的位移。此時如果程序結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)就會產(chǎn)生過切現(xiàn)象，并且系統(tǒng)不會報(bào)警停止。從而使得產(chǎn)品報(bào)廢。如下程序列所示：

O0001；

N10 M03 S800 G54 G90；

N20 G00 Z80 ；

N30 X0 Y0 ；

N40 G01 G41 X10 Y10 D01 F100 ；

N50 Z2 ；

N60 Z-10 ；

N70 Y50 ；

N80 X50 Y10；

N90 X10 ；

N100 G00 Z80 ；

N110 G40 X0 Y0 ；

N120 M30 ；

在與XOY平面平行的平面內(nèi)以及與XOY平面開始建立刀具半徑補(bǔ)償時，如果Z軸產(chǎn)生了2段連續(xù)的移動命令，就會使得刀具產(chǎn)生完全不正確的補(bǔ)償位置。本程序的刀具補(bǔ)償自N50程序段開始，這時的數(shù)控操作系統(tǒng)僅讀取后面的兩個程序段，但N60、N70兩個程序段均是由Z軸移動指令，這時系統(tǒng)缺少XOY平面內(nèi)的坐標(biāo)，從而導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)無法給出下一步刀具補(bǔ)償?shù)恼_矢量方向。并且此時機(jī)床系統(tǒng)不會報(bào)警，刀具半徑補(bǔ)償繼工作持續(xù)進(jìn)行.但N50程序段開始工作后，導(dǎo)致切削刀具的中心線軌跡的目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生了變化，此時工件產(chǎn)生了過切現(xiàn)象。為避免過切，在建立刀具半徑補(bǔ)償之前，應(yīng)將刀具停留在一個不會產(chǎn)生干涉的位置。先將刀具沿Z軸方向快速運(yùn)動靠近工件，最后再按進(jìn)給速度調(diào)整刀具的切削深度。

為避免過切現(xiàn)象產(chǎn)生，上述程序段應(yīng)做如下修訂：

O0001

N10 M03 S800 G54 G90；

N20 M03 S800 ；

N30 G00 Z100 ；

N40 X0 Y0 ；

N50 Z2 ；

N60 G01 Z-10 ； F100

N70 G41 X10 Y0 D01；

N80 X50 Y10；

N90 X10 ；

N100 G00 Z80 ；

N110 G40 X0 Y0 ；

N120 M30 ；

2）當(dāng)使用刀具補(bǔ)償時應(yīng)避免過切削現(xiàn)象：在刀補(bǔ)命令正式使用和程序中結(jié)束刀補(bǔ)指令功能結(jié)束時，刀具必須在補(bǔ)償?shù)募庸て矫鎯?nèi)移動，并且移動距離萬不可大于刀補(bǔ)值。如果加工的產(chǎn)品是一個內(nèi)圓弧工件。為保證不產(chǎn)生過切現(xiàn)象，必須保證刀具半徑R要小于內(nèi)圓弧半徑。如果刀具半徑R大于加工刀具的實(shí)際尺寸，就會產(chǎn)過切現(xiàn)象。

3）在G02、G03指令下取消刀具補(bǔ)償值，加工程序會出錯，產(chǎn)生過切。刀具補(bǔ)償應(yīng)在G00、G01指令模式下取消；如果在G02、G03指令模式下取消刀補(bǔ)時，系統(tǒng)會報(bào)警提示錯誤。在G00、G01指令模式下使用可以使用G41、G42、G40。不能重復(fù)使用G41和G42指令，否則在刀具補(bǔ)償?shù)膬删溥B續(xù)的指令作用下就會產(chǎn)生過切。

4）各指令要求

其中D00 - D99指令是建立刀具補(bǔ)償號指令，D00指令是取消刀補(bǔ)。

4 結(jié)論

刀具半徑補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容，在數(shù)控教學(xué)中非常的重要，以來因?yàn)榈毒甙霃窖a(bǔ)償參數(shù)在數(shù)控加工控制理論中的使用十分廣泛。熟練的應(yīng)用刀具半徑補(bǔ)償?shù)脑?，靈活的使用刀具半徑補(bǔ)償功能，既可以保證數(shù)控加工的準(zhǔn)確性、高效性又可以極大的縮減數(shù)控加工編程和計(jì)算的工作量，但在使用刀具補(bǔ)償功能時要注意機(jī)床的硬件條件和工件加工輪廓的幾何面過度處，以避免產(chǎn)生過切和切削不足等加工問題，提高工件的加工精度。

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