數(shù)控機床中數(shù)控系統(tǒng)的刀具補償問題深入探討
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一、刀具補償功能簡介
使用數(shù)控機床的人都知道,用立銑刀在數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心上加工工件時,可以清楚看出刀具中心的運動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包絡(luò)的方式形成的。立銑刀的中心(底端面與軸線相交點)稱為刀具的刀位點,刀位點的運動軌跡即代表刀具的運動軌跡。在數(shù)控加工中,是按工件輪廓尺寸編制程序,還是按刀位點的運動軌跡編制程序,顯然是完全不一樣的,需要根據(jù)具體情況來處理。
在數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心中,由于數(shù)控系統(tǒng)有刀具補償功能,可按工件輪廓尺寸進行程序編制。建立、執(zhí)行刀補后,數(shù)控系統(tǒng)會自動計算,刀位點自動調(diào)整到刀具運動軌跡上。直接利用工件尺寸編制加工程序,刀具磨損時可重磨刀片(此時需根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整刀具補償值)或更換刀具,而加工程序不變,因此使用簡單、方便。
目前,經(jīng)濟型數(shù)控機床(部分機床無刀具補償功能)性能簡化、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,在企業(yè)和學(xué)校中有一定的擁有量。在經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)中,如果沒有刀具補償功能,只能按刀位點的運動軌跡尺寸編制加工程序,這就要求先根據(jù)工件輪廓尺寸和刀具直徑及幾何尺寸計算出刀位點的運動軌跡。因此計算量大、過程復(fù)雜,且刀具磨損、更換需重新計算刀位點的軌跡尺寸,全部調(diào)整或重新編制加工程序,費時費力費錢。
二、數(shù)控機床系統(tǒng)中的刀具補償
(一)數(shù)控車床刀具補償。數(shù)控車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XX為刀具號,后兩個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(zhí)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(nèi),程序執(zhí)行刀具補償指令后,當(dāng)前刀具的實際位置就到達(dá)理想位置。
如果沒有刀具補償,刀具從0點移動到1點,對應(yīng)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(yīng)補償存儲器中,執(zhí)行刀補后,刀具將從0點移動到2點,而不是1點,對應(yīng)程序段是N60 G00 X45 Z93 T0202。
2、刀尖圓弧半徑補償。編制數(shù)控車床加工程序時,車刀刀尖被看作是一個點(假想刀尖P點),但實際上為了提高刀具的使用壽命和降低工件表面粗糙度,車刀刀尖被磨成半徑不大的圓弧(刀尖AB圓弧),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解決。車刀的形狀和位置參數(shù)稱為刀尖方位代碼(T值。
3、刀補參數(shù)。每一個刀具補償號對應(yīng)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個參數(shù),在加工之前輸入到對應(yīng)的存儲器。在自動執(zhí)行過程中,數(shù)控系統(tǒng)按該存儲器中的X、Z、R、T的數(shù)值,自動修正刀具的位置誤差和自動進行刀尖圓弧半徑補償。
(二)加工中心、數(shù)控銑床刀具補償。加工中心、數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng),刀具補償功能包括刀具半徑補償、夾角補償和長度補償?shù)鹊毒哐a償功能。
1、刀具半徑補償(G41、G42、G40) 刀具的半徑值預(yù)先存入存儲器Dxx中,xx為存儲器號。執(zhí)行刀具半徑補償后,數(shù)控系統(tǒng)自動計算,并使刀具按照計算結(jié)果自動補償。刀具半徑左補償(G41)指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的左方,刀具半徑右補償(G42)指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的右方。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,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使用G00或G01指令,而不得同時使用G02或G03。當(dāng)?shù)毒甙霃窖a償取負(fù)值時,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(jù)本段程序進行刀補計算,不能解決程序段之間的過渡問題,要求將工件輪廓處理成圓角過渡,因此工件尖角處工藝性不好;C功能刀具半徑補償能自動處理兩程序段刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接,可完全按照工件輪廓來編程,因此現(xiàn)代CNC數(shù)控機床幾乎都采用C功能刀具半徑補償。這時要求建立刀具半徑補償程序段的后續(xù)兩個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(tǒng),若編程軌跡的相鄰兩直線(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,才能實現(xiàn)尖角過渡,否則可能產(chǎn)生超程過切,導(dǎo)致加工誤差。我們可采用夾角補償(G39)來解決。使用夾角補償G39指令時需注意,本指令為非模態(tài)的,只在指令的程序段內(nèi)有效,同時還只能在G41和G42指令后才能使用。
3、刀具長度補償(G43、G44、G49)。利用刀具長度補償(G43、G44)指令可以不改變程序而隨時補償?shù)毒唛L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坐標(biāo)值相加,G44表示相減,取消刀具長度偏置可用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,則表示終點坐標(biāo)值為72mm。
存儲器中補償量的數(shù)值,可用MDI或DPL方式預(yù)先存入存儲器,也可用G10指令來設(shè)置,程序段G10 H05 R16.0就表示在05號存儲器中補償量設(shè)為16mm。
三、經(jīng)濟型數(shù)控機床中刀具軌跡的計算
在經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)中,如果沒有刀具補償功能,則只能計算出刀位點的運動軌跡,然后按此編程,或者進行局部補償加工。
1、刀具中心軌跡(刀位點)的計算。在需要計算刀具中心軌跡的數(shù)控系統(tǒng)中,需要算出與零件輪廓的基點和節(jié)點對應(yīng)的刀具中心軌跡上基點和節(jié)點的坐標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗我們可知:刀具中心運動軌跡是零件已加工輪廓的等距線,由零件輪廓和刀具半徑可求出等距線的距離(這里采用平面解析幾何法)。
2、數(shù)控車床假想刀尖點的偏置分析與計算。在數(shù)控車削加工中,為了對刀方便,常以假想刀尖P點來對刀。如果沒有刀尖圓弧半徑補償,在車削圓弧或錐面時,會產(chǎn)生過切或切削不足現(xiàn)象。當(dāng)零件精度要求較高且有圓弧或錐面時,可解決為:計算刀尖圓弧中心軌跡尺寸,然后按此編輯,進行局部補償計算。
在車削1/4凸凹圓弧時, CD為工件輪廓線,O點為圓心,半徑為R,刀具與圓弧輪廓起點、終點的切削點分別為C和D,對應(yīng)假想刀尖為C1和D1。凸圓弧加工情況,圓弧C1D1為假想刀尖軌跡,O1點為圓心,半徑為(R+r);凹圓弧加工情況,圓弧C2D2為假想刀尖軌跡,其圓心是O2點,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)有關(guān)參數(shù)進行程序編制。由于刀尖圓弧半徑r引起的刀位補償量在采用Z向和X向同時進行刀具位置補償時,實際刀刃與工件接觸點就會移動到編程時刀尖設(shè)定點上。這樣,在編制加工工件圓弧程序時,其基點坐標(biāo)就換算成工件輪廓基點坐標(biāo)(Z和X)加上刀尖圓弧半徑r的補償量(Dz和Dx),這樣就解決了沒有刀尖圓弧半徑補償?shù)膯栴}。
四、結(jié)述語
綜上所述,在數(shù)控加工中由于刀尖有圓弧或工件輪廓是由刀具運動包絡(luò)形成等原因,刀具刀位點的實際運動軌跡與工件的輪廓是不重合的。在全功能型數(shù)控系統(tǒng)中,可應(yīng)用其刀具補償指令,按工件輪廓尺寸,很方便地進行編程加工。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中,可以根據(jù)工件輪廓尺寸、刀具等計算出刀位點的運動軌跡,按此編程,也可按局部補償?shù)姆椒▉斫鉀Q。
(審核編輯: 智匯胡妮)
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