刀具半徑補償

   時間:2014-03-12 01:56:21
刀具半徑補償簡介
    在加工過程中,刀具的磨損、實際刀具尺寸與編程時規定的刀具尺寸不一致以及更換刀具等原因,都會直接影響最終加工尺寸,造成誤差。為了最大限度的減少因刀具尺寸變……
刀具半徑補償正文
  在加工過程中,刀具的磨損、實際刀具尺寸與編程時規定的刀具尺寸不一致以及更換刀具等原因,都會直接影響最終加工尺寸,造成誤差。為了最大限度的減少因刀具尺寸變化等原因造成的加工誤差,數控系統通常都具備有刀具誤差補償功能。通過刀具補償功能指令,CNC系統可以根據輸入補償量或者實際的刀具尺寸,使機床自動加工出符合程序要求的零件。
1.刀具半徑補償原理
(1)刀具半徑補償的概念
用銑刀銑削工件的輪廓時,刀具中心的運動軌跡並不是加工工件的實際輪廓。如圖所示,加工內輪廓時,刀具中心要向工件的內側偏移一定距離;而加工外輪廓時,同樣刀具中心也要向工件的外側偏移一定距離。由於數控系統控制的是刀心軌跡,因此編程時要根據零件輪廓尺寸計算出刀心軌跡。零件輪廓可能需要粗銑、半精銑和精銑三個工步,由於每個工步加工余量不同,因此它們都有相應的刀心軌跡。另外刀具磨損后,也需要重新計算刀心軌跡,這樣勢必增加編程的複雜性。為了解決這個問題,數控系統中專門設計了若干存儲單元,存放各個工步的加工余量及刀具磨損量。數控編程時,只需依照刀具半徑值編寫公稱刀心軌跡。加工余量和刀具磨損引起的刀心軌跡變化,由系統自動計算,進而生成數控程序。進一步地,如果將刀具半徑值也寄存在存儲單元中,就可使編程工作簡化成只按零件尺寸編程。這樣既簡化了編程計算,又增加了程序的可讀性。

刀具半徑補償原理
(2)刀具半徑補償的數學處理
①基本輪廓處理
要根據輪廓尺寸進行刀具半徑補償,必需計算刀具中心的運動軌跡,一般數控系統的輪廓控制通常僅限於直線和圓弧。對於直線而言,刀補后的刀具中心軌跡為平行於輪廓直線的一條直線,因此,只要計算出刀具中心軌跡的起點和終點坐標,刀具中心軌跡即可確定;對於圓弧而言,刀補后的刀具中心軌跡為與指定輪廓圓弧同心的一段圓弧,因此,圓弧的刀具半徑補償,需要計算出刀具中心軌跡圓弧的起點、終點和圓心坐標。
②尖角處理
在普通的CNC裝置中,所能控制的輪廓軌跡只有直線和圓弧,其連接方式有:直線與直線連接、直線與圓弧連接、圓弧與圓弧連接。圖所示為直線與直線連接時各種轉接的情況,編程軌跡為OA→AP。

象。由於 IC→CK相對於OA與AP縮短了CB與DC的長度,因此這種求交點的內輪廓過渡稱為縮短型轉換,這裡求交點是核心任務。
圖(c)中,C點為IB與DK延長線的交點,由數控系統求出交點C的坐標,實際刀具中心軌跡為IC→CK。同上道理,這種外輪廓過渡稱為伸長型轉換。
圖(d)中,若仍採用求IB與DK交點的方法,勢必過多地增加刀具的非切削空行程時間,這顯然是不合理的。因此刀補演算法在這裡採用插入型轉換,即令BC=C/D=R,數控系統求出C與C/點的坐標,刀具中心軌跡為IB→C→C/→DK,即在原軌跡中間再插入CC/直線段,因此稱其為插入型轉換。
值得一提的是,有些數控系統對上述伸長型或插入型一律採用半徑為刀具半徑的圓弧過渡,顯然這種處理簡單些。但當刀具進行尖角圓弧過渡時,輪廓過渡點始終處於切削狀態,加工出現停頓,工藝性較差。
(3)刀具半徑補償的執行過程
刀具半徑補償不是由編程人員來完成的。編程人員在程序中指明何處進行刀具半徑補償,指明是進行左刀補還是右刀補,並指定刀具半徑,刀具半徑補償的具體工作由數控系統中的刀具半徑補償功能來完成。根據ISO規定,當刀具中心軌跡在程序規定的前進方向的右邊時稱為右刀補,用G42表示;反之稱為左刀補,用G41表示。
刀具半徑補償的執行過程分為刀補建立,刀補進行和刀補撤消三個步驟。
①刀補建立
即刀具以起刀點接近工件,由刀補方向G41/G42決定刀具中心軌跡在原來的編程軌跡基礎上是伸長還是縮短了一個刀具半徑值。

刀補建立
②刀補進行
一旦刀補建立則一直維持,直至被取消。在刀補進行期間,刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個刀具半徑值的距離。在轉接處,採用了伸長、縮短和插入三種直線過渡方式。
③刀補撤消(G40)
即刀具撤離工件,回到起刀點。和建立刀具補償一樣,刀具中心軌跡也要比編程軌跡伸長或縮短一個刀具半徑值的距離。
刀具半徑補償僅在指定的二維坐標平面內進行,平面的指定由代碼G17(X?Y平面),G18(Y?Z平面),G19(X?Z平面)表示。
2.刀具半徑補償編程規則
開始切削加工前,在離開工件的位置預先加上工刀具半徑補償(通常在XOY平面或與XOY平面平行的平面上),之後進行Z軸方向的切入。為保證程序運行后得到正確的工件輪廓而不產生過切,編程時必須注意加工程序的結構。
如圖所示,在XOY平面內(或平行於XOY平面的平面內)使用刀具半徑補償功能(有Z軸移動)進行輪廓切削,設起點在(0,0,100)處,當刀具半徑補償從起點開始時,由於接近工件及切削工件時要有Z軸移動,按以下程序加時就會出現過切現象,並且系統不會報警停止。  

   

a)正確補償軌跡  b)存在過切現象的補償軌跡
刀具半徑補償軌跡

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 ;
根據刀具半徑補償功能編程規則,在XOY平面內(或平行於XOY平面的平面內)建立刀具半徑補償后,不能連續出現兩段Z軸的移動指令,否則會出現補償位置不正確。當半徑補償從N4程序段開始建立的時候,數控系統只能預讀其後的兩個程序段,而N5、N6兩段程序段都是Z軸移動指令,沒有XOY平面內的坐標移動,系統無法判斷下一步補償的矢量方向,這時系統並不報警,補償照樣進行,但是N4程序段執行后刀心軌跡目標點發生了變化,不再是圖中的P點,而是如圖所示的P1點,這樣就產生了過切(圖中陰影部分)。為避免這種過切,可以在建立半徑補償之前,選擇一個不會發生干涉的安全位置,使Z軸以快速運動接近工件后,再以進給速度進給到切削深度。將上述程序改為:
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。
採用這個程序段進行加工,就可以避免過切的產生。
3.刀具半徑補償功能的應用
(1)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,只需在刀具參數設置中輸入變化后刀具直徑。如圖所示,1為未磨損刀具,2為磨損后刀具,兩者直徑不同,只需將刀具參數表中的刀具半徑r1改為r2,即可適用同一程序。

刀具直徑改變化,加工程序不變

(2)用同一程序、同一尺寸的刀具,利用刀具半徑補償,可進行粗、精加工。如圖所示,刀具半徑為r,精加工余量為△。粗加工時,輸入刀具直徑D=2(r+△),則加工出虛線輪廓。精加工時,用同一程序、同一刀具,但輸入刀具直徑D=2r,則加工出實線輪廓。

P1??粗加工刀心軌跡
P2??精加工刀心軌跡
利用刀具半徑補償進行粗精加工

(3)在現代數控系統中,有的已具備三維刀具半徑補償功能。對於四、五坐標聯動數控加工,還不具備刀具補償功能,必須在刀位計算時考慮刀具半徑。

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