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加工中心刀具补偿的研究摘要:数控加工中心加工一个零件往往需要数把刀，为了简化编程，CNC系统采用刀具长度补偿可使在备制零件的加工程序时，不必考虑刀具的实际长度.阐述了刀具长度补偿的原理，研究了数控系统使用长度补偿旨令G43(G44)和H完成长度补偿功能，提出了刀具运行的实际位呈与编程中指令位置的计算方法.论述了刀具民数在CNC系统中的内存分配，分析了刀具长度补偿的方式、特点及CNC系统中刀具长度补偿功能与其他指令的关系.结果表明:使用刀具长度补偿功能提高了加工效率。加工中心是一种综合加工能力较强的设备，加工中心设置有刀库和自动换刀装置，在加工过程中由程序自动选刀和换刀，由于加工中心常用来加工形状复杂、工序多、精度要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具、夹具且经多次装夹和调整才能完工的零件，因而加工一个零件需用十几把刀具甚至更多，由于每把刀具的长度都是不同的，在对被加工零件设置工件坐标系零点(一般为工件的卜表面)后，如果更换的刀具比编程时的标准刀具稍长则将使零件产生过切的现象Ul，反之使零件产生欠切的现象.利用数控系统的刀具长度补偿功能，可以解决上述问题.刀具长度补偿指令一般用于刀具轴向(Z向)的补偿，它使刀具在Z方向上的实际位移量比程序给定值增加或减少一个偏置值t2]，这样在编制零件的加工程序时，不必考虑刀具的实际长度以及各把刀具不同的长度尺寸.另外，当刀具磨损、更换新刀或刀具安装有误差时，也可使用刀具长度补偿指令，以补偿刀具在长度方向上的尺寸变化，而不需要重新编制加工程序、重新对刀或重新调整刀具.大大简化了编程，减少了工时，提高了效率。1CNC系统执行刀具长度补偿功能分析1.1刀具长度补偿功能的运行分析刀具长度补偿是通过执行含有G43(G44)和H指令来实现，其指令格式为G43Z_H_或G44Z_H_,即把编程的Z坐标值加上(或减去)H_代码所指定的偏置寄存器中预设的偏置值或补偿值a后作为CNC实际执行的Z坐标值使用G43,G44指令时，无论用绝对坐标还是用增量坐标编程，程序中指定的Z轴移动的终点坐标值，都要与H所指定寄存器中的偏置量a进行运算，然后把运算结果作为终点坐标值进行加工当执行程序段G43Z_H_时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值为Z实际值=Z指令值+H中的偏置值;当执行程序段G44Z_H_时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值为Z实际值=Z指令值一H_中的偏置值.式中偏置值可以是正值，也可以是负值(6]当偏置值(补偿值)的士号与Z坐标指令值的士号相一致时:用G43指令时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值等于:程序中Z坐标指令值+刀具长度补偿值;用G44指令时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值等于:Z坐标指令值一刀具长度补偿值.当偏置值(补偿值)的士号与Z坐标指令值的士号相反时:用G43指令时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值等于:程序中Z坐标指令值十符号相反的刀具长度补偿值;用G44指令时，刀具移动到的实际位置的Z坐标值等于:程序中Z坐标指令值一符号相反的刀具长度补偿值.零件加工完后，用G49或H00指令取消刀具长度补偿.当换刀时，用G43(G44)H_指令赋予了当前所用刀的刀长补偿而自动取消了前一把刀具的长度补偿.图1表示CNC中长度补偿指令G43的运行情况.图中Zo平面为工件的上表面，即工件坐标系的Z坐标原点位置.1.2刀具长度参数在CNC中的内存分配刀具长度补偿值可通过数据输人接口输入计算机.在CNC系统中，开辟一全程变量区，以存储刀具参数.可采用如下所示的用C语言描述的结构作为刀具参数的通用格式.Struct_OFFSETIntT_NUM;IntT_TYPE;Float几几L1;FloatT_G_L2;FloatT_G_R;FloatTW_L1;FloatT_WL2;Float毛WR;FloatT_Time_life;其中TNUM表示刀具号;TesTYPE为刀具的类型;T_G_L1,T_G_L2,T_G_R表示刀具的标准几何参数(单位为mm);T_W_L1,T_W_L2表示刀具的实际尺寸，是用于长度刀具补偿的量.2CNC中刀具长度补偿的方式2.1本卜偿方式分析2.1.1机上测量方式采用Z向设定器(或用试切法)依次确定每把刀具与工件在机床坐标系中的相互位置关系，即利用刀尖(或刀具前端)在:方向上与工件坐标系原点的距离值作为长度补偿值(如图2所示).加工前分别调用刀库中的每把刀具，让Z轴回到机床参考点，再让刀具(或刀具前端)接触Zo平面，此时机床坐标系的Z坐标值直接作为每把刀的刀具长度补偿值.2.1.2机外刀具预调仪或自动测长装置十机内对刀方式具体方案有2种:其一是在刀具预调仪上测出的主轴端面至刀尖的距离输人计算机的刀具长度偏置寄存器中作为刀长补偿值(如图3所示)CNC系统中运行刀具长度补偿指令后，刀尖(或刀心)走程序要求的运动轨迹，这是因为数控系统假设的是刀尖(或刀心)相对于工件运动，而在刀具长度补偿有效之前，刀具相对于工件坐标系原点的坐标是机床上刀具长度定位基准点E点相对工件坐标系原点的坐标.试比较下列两个程序段运行后刀具的位置:G90G54GOOZ0G90G54GOOG43ZOH01显然如果程序段中没有运行刀具长度补偿指令时，会造成严重的撞击事故.其二是设标准刀具的长度补偿值为零，把在刀具预调仪上测出的各刀具长度与标准刀具的长度之差分别作为每刀把的刀具长度补偿植.其中，比标准刀具长的记为正值，比标准刀具短的补偿值记为负值(如图4所示)先通过机内对刀法测量出基准刀在返回机床参考点时刀位点在:轴方向与工件坐标系原点的距离，并输人偏置寄存器中.2.2刀具长度补偿方式的比较采用机上测量方法测量麻烦且误差大，需要很多占机调试工时，因此效率低，但投资少.当用同一把刀加工其它的工件时就要重新设置刀具长度补偿值.用机外刀具预调仪或自动测长装置测量不占用有效机时，把刀具调整工作事先在刀具预调仪上完成，而且机床在加工运行时，还可在对刀仪上测量其它刀具的长度，不必因为在机床上对刀而占用机床运行时间，提高效率，增加零件加工精度，充分发挥加工中心的作用，但是需添置刀具预调仪设备，成本较高.使用刀具长度作为刀长补偿，可以避免同一把刀具加工不同工件需修改刀具长度偏置.为了对刀具准备和管理更有效，可以按照一定的规则给每把刀具编号，作档案，把各刀具的相关参数，如长度、半径、刀具形状和角度等写在小标牌上;或者对每个刀柄都设置编码，如贴到每个刀柄的条形码或磁卡，刀具预调仪与管理计算机相连，计算机自动保存每把刀具调整完后的相关数据，也可以写人该刀柄的磁卡上，纳人计算机管理系统.这样即使是因刀库容量原因而取下来的刀具在下一次安装使用时，只需根据标牌上的刀长数值作为长度补偿值而不需再进行测量3CNC系统中刀具长度补偿功能与其他指令的关系3.1刀具长度补偿与半径补偿功能的关系如果在零件的数控加工程序中，既有刀具长度补偿又有刀具半径补偿(在控制器中补偿)指令时，必须把含有长度补偿的程序段写在含有半径补偿的程序段前面，否则半径补偿无效例如:在下面的程序段中:N50GOOG41X20Y20D02N60GOOG43Z10数控系统不执行刀具半径补偿若改为:N50GOOG43Z10N60GOOG41X20Y20D02则数控系统既执行刀具半径系统又执行刀具长度补偿指令.3.2刀具长度补偿与其它指令的关系a.G43,G44指令只能用于直线运动之中，在非直线运动语句中使用时会产生报警;b.G43,G44为同组模态指令，它们会自动取消上次刀具长度补偿而不需要用专门的G49指令，为了安全起见，在一把刀加工结束或程序段结束时，都应取消刀具长度补偿;c.刀具长度补偿必须伴随相立的插补运动(GOO,GO1,G81,G83等)才能有效;d.对于立式两轴半数控系统不需要预先确定加工平面;e.在同一程序段内如果既有运动指令又有刀具长度补偿指令，机床首先执行刀具长度偿指令，然后再执行运动指令如:N100GO1G43Z-IOHOSF100;4结论a.提出了采用刀具长度补偿指令G43比及G44H，加工中心的刀具在所编制的零件加工程序控制下在Z方向上的实际位置的计算方法;b.论述了用C语言描述的结构作为刀具参数的通用格式，在CNC系统中，开辟一全程变量区，以存储刀具参数;c.对刀具长度补偿的三种方式进行了分析比较;d.分析了CNC系统中刀具长度补偿功能与刀具半径补偿功能及其他指令的关系;注释：一般而言，刀具长度补偿对二轴和三轴联动数控加工有效，但对刀具摆动的四、五坐标联动数控加工则无效.刀具长度在进行刀位计算时可以不考虑，但后置处理计算过程中必须要考虑.文章中提出的刀具长度补偿在数控加工中中易于实现.在生产实际中可根据各个厂家的能力灵活选用刀具长度补偿方式.参考文献1刘雄伟.数控机床操们与编程,训教程.机械工业出版利2胡育辉.数控铣床加工中心.辽宁利技出版社3杨叔子.机械加工工艺师手册.北京:机械工业出版社，2001.4王叶萍.数控加工工艺的设计要点f川.新技术新工艺，2005.5制虹.数控加工工艺与编程.北京:人民邮电出版子土，2004.