数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨

摘要本文主要是关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨。刀具半径补偿是数控铣削加工中的常用功能，本文就数控铣削加工中刀具半径补偿的建立和取消、刀具半径补偿量的指定和计算方法、刀具半径补偿功能的应用等进行了介绍。在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓（即编程轨迹）不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹点划线轨迹。在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径(如铣刀半径或线切割机的钼丝半径等)，刀具中心的运动轨迹与所需加工零件的实际轮廓并不重合。刀具半径补偿中出现的过切现象（即干涉）指的是在零件加工过程中，刀具按照程序设定的轨迹运动，由于使用了刀具补偿功能，在执行某些指令时，出现或可能出现刀具过渡切削零件的现象。关键词：数控铣削；刀具半径补偿；探讨目录第一章刀具半径补偿功能的简介...................................................................................................11.1一般编程方法...........................................................................................................................1第二章刀具半径补偿的编程方法和指令格式...............................................................................3第三章刀具半径补偿计算...............................................................................................................43.1.刀具半径补偿原理..................................................................................................................43.2刀具半径补偿的相关问题.......................................................................................................5第四章刀具半径补偿过程中应注意的问题.................................................................................114.1刀具半径补偿过程中的过切现象及其解决方法.................................................................11第五章刀具半径补偿功能的应用...................................................................................................13第六章结束语..................................................................................................................................16参考文献............................................................................................................................................17致谢................................................................................................................................................18第1页第一章刀具半径补偿功能的简介在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径(如铣刀半径或线切割机的钼丝半径等)，刀具中心的运动轨迹与所需加工零件的实际轮廓并不重合。如在图1中，粗实线为所需加工的零件轮廓，点划线为刀具中心轨迹。由图可见在进行内轮廓加工时，刀具中心偏离零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具中心又偏离零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移，称为刀具半径补偿。1.1一般编程方法无论是车削还是铣削，在对轮廓加工时，用刀具半径补偿功能可以简化编程。当车削加工时，若采用假象刀尖作为刀位点，在加工锥度或圆弧时，会产生欠切或过切现象。如图1所示。只有控制刀尖的圆弧中心作为刀位点，才能避免欠切与过切现象。图1-1控制假象刀尖时的欠切与过切现象用立铣刀进行轮廓铣削时，由于刀位点在铣刀底面与回转中心的交点处，只有当刀位点与轮廓偏离一个刀具半径时，才能加工出合格的尺寸来。具备刀具半径补偿功能的数控系统，编程时不需要计算刀具中心的运动轨迹，只按零件轮廓编程。使用刀具半径补偿指令，并在控制面板上手工输入刀具半径，数控装置便能自动地计算出刀具中心轨迹，并按刀具中心轨迹运动。即执行刀具半径补偿后，刀具自动偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出所要求的工件轮廓。操作时还可以用同一个加工程序，通过改变刀具半径的偏移量，对零件轮廓进行粗、精加工。G41为刀具半径左补偿，即刀具沿工件左侧运动方向时的半径补偿，如图2a所示；G42为刀具半径右补偿，即刀具沿工件右侧运动时的半径补偿，如图2b所示；G40为刀具半径补偿取消，使用该指令后，G41、G42指令无效。G40必须和G41或G42成对使用。第2页图1-2刀具半径补偿在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓（即编程轨迹）不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹点划线轨迹。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又不易保证加工精度。现代CNC系统均具有刀具半径补偿功能，维修人员只需要按工件加工轮廓进行数值计算和编写程序，系统能根据输入的刀具直径计算刀具中心轨迹坐标，指令刀具偏离工件一个刀具半径值的距离，即进行刀具半径补偿。刀具半径补偿功能是简化编程的重要手段。本文主要是关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨。刀具半径补偿是数控铣削加工中的常用功能，本文就数控铣削加工中刀具半径补偿的建立和取消、刀具半径补偿量的指定和计算方法、刀具半径补偿功能的应用等进行了介绍。第3页第二章刀具半径补偿的编程方法和指令格式以FANUC系统为例，刀具半径补偿功能指令代码有G41、G42、G40，它们是一组模态代码。G41（G42）为刀具半径左（右）补偿指令，即沿刀具相对于工件运动的进给前进方向看，刀具位于工件编程轮廓的左（右）侧。G40为撤销刀具半径补偿指令，是系统开机后的默认状态，G40有效时刀具中心运动轨迹与工件编程轨迹重合。刀具半径补偿功能刀具半径补偿指令G40，G41，G42刀具半径补偿指令格式如下：G17G41(或G42)G00(或G01)XYD或G18G41(或G42)G00(或G01)XZD或G19G41(或G42)G00(或G01)YZD。1刀具补偿方向G41是相对于刀具前进方向左侧进行补偿，称为左刀补。G42是相对于刀具前进方向右侧进行补偿，称为右刀补。从刀具寿命、加工刀具半径补偿功能刀具半径补偿指令G40，G41，G42刀具半径补偿指令格式如下：G17G41(或G42)G00(或G01)XYD或G18G41(或G42)G00(或G01)XZD或G19G41(或G42)G00(或G01)YZD；G40图2-1刀具补偿方向G41是相对于刀具前进方向左侧进行补偿，称为左刀补。如图6.1a所示。这时相当于顺铣。G42是相对于刀具前进方向右侧进行补偿，称为右刀补。如图6.2b所示。这时相当于逆铣。从刀具寿命、加工精度、表面粗糙度而言，顺铣效果较好，因此G41使用较多。第4页第三章刀具半径补偿计算3.1.刀具半径补偿原理粗实线为所需加工的零件轮廓，虚线为刀具中心轨迹。从原理上讲，只要根据零件轮廓计算出刀具的中心轨迹，并按中心轨迹编写数控加工程序，就可以加工出合格的零件来。至于计算手段，可以是人工演算，也可以是通过计算机辅助计算。显然，人工演算的计算工作量很大，特别是较复杂的计算过程极容易出错，且效率很低。这里提到的计算机辅助计算，就是利用数控系统中控制软件自动进行这种补偿计算，从而为数控加工程序的编写提供了极大的方便。对于同一条刀具中心轨迹，刀具的运动方向有两个，为了便于分析问题，ISC标准规定：沿编程轨迹（零件轮廓）前进方向看去，当刀具中心轨迹始终在编程的左边时称为左刀补，用指令G41表示，轮廓内部虚线轨迹。反之，当刀具中心轨迹在编程轨迹的右边时称为右刀补，用指令G42表示，轮廓外部虚线轨迹。当不需要进行刀具半径补偿时，可用指令G40来撤销由G41或G42建立的刀具半径补偿。刀具半径补偿在零件轮廓段的交点处需要作适当的过渡处理。例如，如图1-11所示当刀具处于零件轮廓外部加工时，在轮廓尖角C点处，刀具中心轨迹出现了间断点，若用人工计算获得刀具中心轨迹，就必须插入过渡圆弧ab或直线ac与cb。当刀具处于零件轮廓内部加工时，在加工C点处刀具中心轨迹确出现了交叉点c1。这时有两种方法可以实现过渡：一是以点c1为转折点，直接过渡到下一段零件轮廓的刀具中心轨迹；二是人为地插入一段过渡圆弧轮廓ab，并使该圆弧的半径oA大于等于刀具半径。一般插入圆弧过渡时，需计算该圆弧的相关参数，即A点、B点以及o点坐标或a与b点坐标。插入直线过渡时，仅计算刀具中心轨迹交点c或c1坐标即可。插入圆弧过渡与插入直线过渡的不同点还在于：圆弧过渡可使刀具中心轨迹或工件轮廓光滑过渡，但在尖角处的加工误差可能变大，尖角不尖;而插入直线过渡的加工误差在尖角处较小，并且还可避免刀具在尖角处出现加工停顿现象或刀具干涉现象。因此，下面将以插入直线过渡为例来介绍刀具半径补偿算法。在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般分为三个步骤：3.1.1.刀具半径补偿建立刀具从起刀点运动到工件刀具半径补偿起始点的过程称为刀具半径的补偿建立。刀具半径补偿的建立就是在刀具从起刀点(起刀点位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓切入点较近)以进给速度接近工件时，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个刀具半径值的过程。刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定，建立刀具半径左补偿的有关指令如下：N10G90G92X-10.Y-10.Z0；定义程序原点，起刀点坐标为(-10，-10，0)。N20S900M03；第5页启动主轴。N30G17G01G41X0Y0D01；建立刀具半径左补偿，刀具半径偏置寄存号D01。N40Y50.；定义首段零件轮廓。其中，D01为调用D01号刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径值。建立刀具半径右补偿的有关指令如下：N30G17G01G42X0Y0D01；建立刀具半径右补偿。3.1.2刀具半径补偿进行控制刀具中心轨迹在工件轮廓的法矢量方向上始终偏移一个刀具半径值的过程称为刀具半径补偿进行。3.1.3刀具半径补偿撤消与建立刀具半径补偿过程类似，在零件最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后，刀具撤离工件，回到退刀点，在这个过程中应取消刀具半径补偿，其指令用G40。退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近，可以与起刀点相同，也