刀具半径补偿指令解析及优化方法

1.刀具半径补偿功能

在编制数控铣床轮廓铣削加工程序时,为了编程方便,通常将数控刀具假想成一个点(刀位点),认为刀位点与编程轨迹重合。但实际上由于刀具存在一定的直径,使刀具中心轨迹与零件轮廓不重合,如图4-48所示。这样,编程时就必须依据刀具半径和零件轮廓计算刀具中心轨迹,再依据刀具中心轨迹完成编程,但如果人工完成这些计算将给手工编程带来很多的不便,甚至当计算量较大时,也容易产生计算错误。为了解决这个加工与编程之间的矛盾,数控系统为我们提供了刀具半径补偿功能。

图4-48　刀具半径补偿

数控系统的刀具半径补偿功能就是将计算刀具中心轨迹的过程交由数控系统完成,编程员假设刀具半径为零,直接根据零件的轮廓形状进行编程,而实际的刀具半径则存放在一个刀具半径偏置寄存器中。在加工过程中,数控系统根据零件程序和刀具半径自动计算刀具中心轨迹,完成对零件的加工。

2.刀位点

刀位点是代表刀具的基准点,也是对刀时的注视点,一般是刀具上的一点。常用刀具的刀位点如图4-49所示。

图4-49　刀位点

3.刀具半径补偿指令

(1)建立刀具半径补偿指令格式

指令格式：

式中,G17～G19为坐标平面选择指令；G41为左刀补,如图4-50(a)所示；G42为右刀补,如图4-50(b)所示；X、Y、Z为建立刀具半径补偿时目标点坐标；D为刀具半径补偿号。

图4-50　刀具补偿方向

(a)左刀补(G41)；(b)右刀补(G42)

(2)取消刀具半径补偿指令格式

指令格式：

式中,G17～G19为坐标平面选择指令；G40为取消刀具半径补偿功能。

4.刀具半径补偿的过程

如图4-51所示,刀具半径补偿的过程分为以下三步。

①刀补的建立：刀心轨迹从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。

②刀补进行：刀具中心始终与变成轨迹相距一个偏置量直到刀补取消。

③刀补取消：刀具离开工件,刀心轨迹要过渡到与编程轨迹重合的过程。

图4-51　刀具半径补偿过程

例4-11　使用刀具半径补偿功能完成如图4-51所示轮廓加工的编程。

参考程序如下：

5.使用刀具补偿的注意事项

在数控铣床上使用刀具补偿时,必须特别注意其执行过程的原则,否则往往容易引起加工失误甚至报警,使系统停止运行或刀具半径补偿失效等。

①刀具半径补偿的建立与取消只能通过G01、G00来实现,不得用G02和G03。

②建立和取消刀具半径补偿时,刀具必须在所补偿的平面内移动,且移动距离应大于刀具补偿值。(www.xing528.com)

③D00～D99为刀具补偿号,D00意味着取消刀具补偿(即G41/G42 X_Y_D00等价于G40)。刀具补偿值在加工或试运行之前须设定在补偿存储器中。

④加工半径小于刀具半径的内圆弧时,进行半径补偿将产生刀具干涉,只有过渡圆角R≥刀具半径r＋精加工余量的情况才能正常切削。

⑤在刀具半径补偿模式下,如果存在有连续两段以上非移动指令(如G90、M03等)或非指定平面轴的移动指令,则有可能产生过切现象。

如图4-52所示,起始点在(X 0,Y 0),高度在50 mm处,使用刀具半径补偿时,由于接近工件及切削工件要有Z轴的移动,如果N40、N50句连续Z轴移动,这时容易出现过切削现象。

图4-52　刀具半径补偿的过切削现象

以上程序在运行N60时,产生过切削现象,如图4-52所示。其原因是当从N30刀具补偿建立后,进入刀具补偿进行状态后,系统只能读入N40、N50两段,但由于Z轴是非刀具补偿平面的轴,而且读不到N60以后的程序段,也就做不出偏移矢量,刀具确定不了前进的方向,此时刀具中心未加上刀具补偿而直接移动到了无补偿的P1点。当执行完N40、N50后,再执行N60段时,刀具中心从P1点移至交点A,于是发生过切削现象。

为避免过切削,可将上面的程序改成下述形式来解决。

6.刀具半径补偿的其他应用

刀具半径补偿除方便编程外,还可利用改变刀具半径补偿值的大小的方法,实现利用同一程序进行粗、精加工。即

粗加工刀具半径补偿＝刀具半径＋精加工余量

精加工刀具半径补偿＝刀具半径＋修正量

①因磨损、重磨或换新刀而引起刀具半径改变后,不必修改程序,只需在刀具参数设置中输入变化后的刀具半径。如图4-53所示,1为未磨损刀具,2为磨损后刀具,只需将刀具参数表中的刀具半径r1改为r2,即可适用同一程序。

②同一程序中,同一尺寸的刀具,利用半径补偿,可进行粗、精加工。如图4-54所示,刀具半径为r,精加工余量为Δ。粗加工时,输入刀具半径D＝r＋Δ,则加工出点画线轮廓；精加工时,用同一程序,同一刀具,但输入刀具半径D＝r,加工出实线轮廓。

图4-53　刀具半径变化,加工程序不变

图4-54　利用刀具半径补偿进行粗精加工

例4-12　完成图4-55所示凸模零件的加工,表面粗糙度要求达到Ra3.2μm。

(1)工艺分析

台阶面表面粗糙度值要达到Ra3.2μm,所以加工方案是先粗铣再精铣。选用φ16 mm立铣刀进行粗、精加工,剩余材料可用手动铣削。精加工余量用刀具半径补偿控制。

铣削路线如图4-56所示,刀具由点1运行到点2(轨迹的延长线上)建立刀具半径补偿,然后按3,4,…,17的顺序铣削加工。由点17到点18的1/4圆弧切向切出,最后通过直线移动取消刀具半径补偿。

图4-55　凸模零件

图4-56　铣削路线安排

(2)装夹方案

该零件6个面已进行过预加工,较平整,所以用平口虎钳装夹即可。将平口虎钳装夹在铣床工作台上,用百分表校正。工件装夹在平口钳上,底部用等高垫块垫上,上表面高出钳口5～10 mm。

(3)程序编制

工件编程原点选在工件上表面的对称中心处,即与设计基准重合。