基于數控機床系統的刀具補償分析

　　今天，YJBYS小編為大家帶來(lái)數控畢業(yè)論文一篇，歡迎畢業(yè)生們閱讀借鑒哦!

　　摘要：數控機床的刀具補償功能差異很大，我經(jīng)過(guò)三年的一線(xiàn)車(chē)間教學(xué)實(shí)訓經(jīng)驗，通過(guò)對不同數控機床的刀具補償功能較全面的分析和計算，熟悉其各自特點(diǎn)，掌握其刀具補償應用技能，從而在理論教學(xué)和實(shí)踐操作中能順利解決各種具體實(shí)際問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：數控機床 刀具補償 刀具軌跡計算 刀位點(diǎn)

　　一、刀具補償功能簡(jiǎn)介

　　使用數控機床的人都知道，用立銑刀在數控銑床或數控加工中心上加工工件時(shí)，可以清楚看出刀具中心的運動(dòng)軌跡與工件已加工輪廓不重合，這是因為工件輪廓是立銑刀以運動(dòng)包絡(luò )的方式形成的。立銑刀的中心(底端面與軸線(xiàn)相交點(diǎn))稱(chēng)為刀具的刀位點(diǎn)，刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡即代表刀具的運動(dòng)軌跡。在數控加工中，是按工件輪廓尺寸編制程序，還是按刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡編制程序，顯然是完全不一樣的，需要根據具體情況來(lái)處理。

　　如圖1所示，在數控銑床或數控加工中心中，由于數控系統有刀具補償功能，可按工件輪廓尺寸進(jìn)行程序編制。建立、執行刀補后，數控系統會(huì )自動(dòng)計算，刀位點(diǎn)自動(dòng)調整到刀具運動(dòng)軌跡上。直接利用工件尺寸編制加工程序，刀具磨損時(shí)可重磨刀片(此時(shí)需根據實(shí)際情況適當調整刀具補償值)或更換刀具，而加工程序不變，因此使用簡(jiǎn)單、方便。

　　目前，經(jīng)濟型數控機床(部分機床無(wú)刀具補償功能)性能簡(jiǎn)化、結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在企業(yè)和學(xué)校中有一定的擁有量。在經(jīng)濟型數控機床系統中，如果沒(méi)有刀具補償功能，只能按刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡尺寸編制加工程序，這就要求先根據工件輪廓尺寸和刀具直徑及幾何尺寸計算出刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡。因此計算量大、過(guò)程復雜，且刀具磨損、更換需重新計算刀位點(diǎn)的軌跡尺寸，全部調整或重新編制加工程序，費時(shí)費力費錢(qián)。

　　二、數控機床系統中的刀具補償

　　(一)數控車(chē)床刀具補償。數控車(chē)床刀具補償功能包括刀具位置補償和刀尖圓弧半徑補償兩方面。在加工程序中用T功能指定，TXXXX中前兩個(gè)XX為刀具號，后兩個(gè)XX為刀具補償號，如T0202。如果刀具補償號為00，則表示取消刀補。

　　1、刀具位置補償。對于刀具磨損或重新安裝刀具引起的刀具位置變化，建立、執行刀具位置補償后，其加工程序不需要重新編制。辦法是測出每把刀具的刀位點(diǎn)相對于某一理想位置的刀位偏差(X向與Z向)并輸入到指定的存儲器內，程序執行刀具補償指令后，當前刀具的實(shí)際位置就到達理想位置。

　　如圖2所示的加工情況，如果沒(méi)有刀具補償，刀具從0點(diǎn)移動(dòng)到1點(diǎn)，對應程序段是N60 G00 X45 Z93 T0200，如果刀具補償是X=+3，Z=+4，并存入對應補償存儲器中，執行刀補后，刀具將從0點(diǎn)移動(dòng)到2點(diǎn)，而不是1點(diǎn)，對應程序段是N60 G00 X45 Z93 T0202。

　　2、刀尖圓弧半徑補償。編制數控車(chē)床加工程序時(shí)，車(chē)刀刀尖被看作是一個(gè)點(diǎn)(假想刀尖P點(diǎn))，但實(shí)際上為了提高刀具的使用壽命和降低工件表面粗糙度，車(chē)刀刀尖被磨成半徑不大的圓弧(刀尖AB圓弧)，如圖3所示，這必將產(chǎn)生加工工件的形狀誤差。另一方面，由于刀尖圓弧所處的特殊位置，車(chē)刀的形狀對工件加工也將產(chǎn)生影響，而這些可采用刀尖圓弧半徑補償來(lái)解決。車(chē)刀的形狀和位置參數稱(chēng)為刀尖方位代碼(T值)，如圖4所示。

　　3、刀補參數。每一個(gè)刀具補償號對應刀具位置補償(X和Z值)和刀尖圓弧半徑補償(R和T值)共4個(gè)參數，在加工之前輸入到對應的存儲器。在自動(dòng)執行過(guò)程中，數控系統按該存儲器中的X、Z、R、T的數值，自動(dòng)修正刀具的位置誤差和自動(dòng)進(jìn)行刀尖圓弧半徑補償。

　　(二)加工中心、數控銑床刀具補償。加工中心、數控銑床的數控系統，刀具補償功能包括刀具半徑補償、夾角補償和長(cháng)度補償等刀具補償功能。

　　1、刀具半徑補償(G41、G42、G40)　 刀具的半徑值預先存入存儲器Dxx中，xx為存儲器號。執行刀具半徑補償后，數控系統自動(dòng)計算，并使刀具按照計算結果自動(dòng)補償。刀具半徑左補償(G41)指刀具偏向編程加工軌跡運動(dòng)方向的左方(如圖5所示)，刀具半徑右補償(G42)指刀具偏向編程加工軌跡運動(dòng)方向的右方。取消刀具半徑補償用G40，也可用D00取消刀具半徑補償。

　　使用中需注意：建立、取消刀補時(shí)，G41、G42、G40指令必須與G00或G01指令共段，即使用G41、G42、G40指令的程序段中必須同時(shí)使用G00或G01指令，而不得同時(shí)使用G02或G03。當刀具半徑補償取負值時(shí)，G41和G42的功能互換。

　　刀具半徑補償有B功能和C功能兩種補償形式。由于B功能刀具半徑補償只根據本段程序進(jìn)行刀補計算，不能解決程序段之間的過(guò)渡問(wèn)題，要求將工件輪廓處理成圓角過(guò)渡，因此工件尖角處工藝性不好;C功能刀具半徑補償能自動(dòng)處理兩程序段刀具中心軌跡的轉接，可完全按照工件輪廓來(lái)編程，因此現代CNC數控機床幾乎都采用C功能刀具半徑補償。這時(shí)要求建立刀具半徑補償程序段的后續兩個(gè)程序段必須有指定補償平面的位移指令(G00、G01，G02、G03等)，否則無(wú)法建立正確的刀具補償。

　　2、夾角補償 (G39)。對于只具有刀具半徑補償B功能的CNC系統，若編程軌跡的相鄰兩直線(xiàn)(或圓弧)不相切，則必須在零件的外拐角處人為編制出附加圓弧插補程序段，才能實(shí)現尖角過(guò)渡，否則可能產(chǎn)生超程過(guò)切，導致加工誤差。我們可采用夾角補償(G39)來(lái)解決。使用夾角補償G39指令時(shí)需注意，本指令為非模態(tài)的，只在指令的程序段內有效，同時(shí)還只能在G41和G42指令后才能使用。3、刀具長(cháng)度補償(G43、G44、G49)。利用刀具長(cháng)度補償(G43、G44)指令可以不改變程序而隨時(shí)補償刀具長(cháng)度的變化，補償量存入由H碼指令的存儲器中。G43表示存儲器中補償量與程序指令的終點(diǎn)坐標值相加，G44表示相減，取消刀具長(cháng)度偏置可用G49指令或H00指令。程序段N80 G43 Z56 H05與中，假如05存儲器中值為16，則表示終點(diǎn)坐標值為72mm。

　　存儲器中補償量的數值，可用MDI或DPL方式預先存入存儲器，也可用G10指令來(lái)設置，程序段G10 H05 R16.0就表示在05號存儲器中補償量設為16mm。

　　三、經(jīng)濟型數控機床中刀具軌跡的計算

　　在經(jīng)濟型數控機床系統中，如果沒(méi)有刀具補償功能，則只能計算出刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡，然后按此編程，或者進(jìn)行局部補償加工。

　　1、刀具中心軌跡(刀位點(diǎn))的計算。在需要計算刀具中心軌跡的數控系統中，需要算出與零件輪廓的基點(diǎn)和節點(diǎn)對應的刀具中心軌跡上基點(diǎn)和節點(diǎn)的坐標。根據經(jīng)驗我們可知：刀具中心運動(dòng)軌跡是零件已加工輪廓的等距線(xiàn)，由零件輪廓和刀具半徑可求出等距線(xiàn)的距離(這里采用平面解析幾何法)。

　　直線(xiàn)的等距線(xiàn)方程：

　　所求等距線(xiàn)在原直線(xiàn)上邊時(shí)，取“+”號，反之取“-”號。

　　圓的等距線(xiàn)方程：

　　所求等距線(xiàn)為外等距線(xiàn)時(shí)，取“+”號，反之取“-”號。

　　求解等距線(xiàn)上的基點(diǎn)坐標，只需將相關(guān)等距線(xiàn)方程聯(lián)立求解。如圖6，例：求D點(diǎn)的坐標，已知A點(diǎn)坐標(35，50)，B點(diǎn)坐標(65，50)。

　　解：

　　由直線(xiàn)AB： y=50

　　求出直線(xiàn)DE： y=50+8/2=54

　　由圓弧AF：(x-35)2+(y-35)2=(15)2

　　求出圓弧CD： (x-35)2+(y-35)2=(15+8/2)2=361

　　聯(lián)立直線(xiàn)DE和圓弧CD成方程組：

　　y=54

　　(x-35)2+(y-35)2=361

　　解出 x=35　y=54

　　即D點(diǎn)的坐標為(35，54)，刀具中心軌跡上其他基點(diǎn)或節點(diǎn)的坐標用相同的方法可求出，然后按此編程。

　　2、數控車(chē)床假想刀尖點(diǎn)的偏置分析與計算。在數控車(chē)削加工中，為了對刀方便，常以假想刀尖P點(diǎn)來(lái)對刀。如果沒(méi)有刀尖圓弧半徑補償，在車(chē)削圓弧或錐面時(shí)，會(huì )產(chǎn)生過(guò)切或切削不足現象。當零件精度要求較高且有圓弧或錐面時(shí)，可解決為：計算刀尖圓弧中心軌跡尺寸，然后按此編輯，進(jìn)行局部補償計算。

　　圖7所示為在車(chē)削1/4凸凹圓弧時(shí)， CD為工件輪廓線(xiàn)，O點(diǎn)為圓心，半徑為R，刀具與圓弧輪廓起點(diǎn)、終點(diǎn)的切削點(diǎn)分別為C和D，對應假想刀尖為C1和D1。對圖7a所示凸圓弧加工情況，圓弧C1D1為假想刀尖軌跡，O1點(diǎn)為圓心，半徑為(R+r);對圖7b所示凹圓弧加工情況，圓弧C2D2為假想刀尖軌跡，其圓心是O2點(diǎn)，半徑為(R-r)。如果按假想刀尖軌跡編程，則要以圖中所示的圓弧C1D1或C2D2(虛線(xiàn))有關(guān)參數進(jìn)行程序編制。由于刀尖圓弧半徑r引起的刀位補償量在采用Z向和X向同時(shí)進(jìn)行刀具位置補償時(shí)，實(shí)際刀刃與工件接觸點(diǎn)就會(huì )移動(dòng)到編程時(shí)刀尖設定點(diǎn)上。這樣，在編制加工工件圓弧程序時(shí)，其基點(diǎn)坐標就換算成工件輪廓基點(diǎn)坐標(Z和X)加上刀尖圓弧半徑r的補償量(Dz和Dx)，這樣就解決了沒(méi)有刀尖圓弧半徑補償的問(wèn)題。

　　四、結述語(yǔ)

　　綜上所述，在數控加工中由于刀尖有圓弧或工件輪廓是由刀具運動(dòng)包絡(luò )形成等原因，刀具刀位點(diǎn)的實(shí)際運動(dòng)軌跡與工件的輪廓是不重合的。在全功能型數控系統中，可應用其刀具補償指令，按工件輪廓尺寸，很方便地進(jìn)行編程加工。在經(jīng)濟型數控系統中，可以根據工件輪廓尺寸、刀具等計算出刀位點(diǎn)的運動(dòng)軌跡，按此編程，也可按局部補償的方法來(lái)解決。

　　參考文獻

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