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《数控编程》课程中刀具补偿功能解析

2016-06-29沈晓燕

电脑知识与技术 2016年13期
关键词:数控编程

沈晓燕

摘要:在《数控编程》课程中,数控系统的刀具半径补偿是一个重点内容也是难点内容。刀补是由计算机在数控系统中自动完成的。数控系统在加工过程中会根据刀具运动的方向和零件轮廓尺寸,依据指令(G40,G41,G42),系统通过机床刀具实际半径计算出刀具的中心运动轨迹,从而完成零件加工。刀具半径补偿在数控加工过程中的过程为:建立刀具补偿建立——维持刀具补偿——撤销刀具补偿。能够理解,并在数控加工编程中注意合理运用,就能避免过切现象,在数控加工过程,刀具补偿使得编程更加的灵活和简便。

关键词:G40 ;刀具补偿;过切现象;数控编程

中图分类号:TP202 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)13-0254-03

在数控加工过程中,数控编程所控制的道具运行轨迹,是以刀具中心为轨迹进行编程的,随着道具的磨损、重磨和换刀,机床刀具的实际工作半径r变化,导致编程使用时,必须按照新的刀具中心轨迹重新计算轨迹,修改参数。这样不仅无法提高数控加工精度,更增加了大量的编程检查工作,为此,数控编程系统增加了刀具半径补偿功能,这样当刀具半径发生变化时,数控系统会自动计算道具中心运动轨迹,进行自动修订,这样在进行数控加工时,系统会依据刀具的实际半径r,将刀具中心运动轨迹自动偏离工件加工轨迹r的距离进行切削加工。

熟练地掌握并运用数控刀具半径补偿指令,可以有效地提高编程速度和数控加工精度。

1刀具半径补偿的意义

数控铣床、数控车床或加工中心在进行工件加工时。零件的实际轮廓轨迹与刀具中心运动轨迹之间的偏移量就是刀具半径补偿。如图1:刀具补偿示意图所示,图中实线表示的方形零件为所加工的零件轮廓线,实线外侧和内测的两条虚线,分别表示从外部加工该零件轮廓和从内部加工该零件轮廓,机床刀具中心所运行的轨迹。机床所加工的零件轮廓与机床使用的刀具中心运动轨迹正好相差一个刀具半径r的值。当加工零件外轮廓时,如果刀具向左运动则为右刀补,使用G42指令;反之刀具向右运动则为左刀补,用G41指令;当加工零件内轮廓时,如刀具向右运动即为右刀补,使用G42指令,反之向左运动即为左刀补,使用指令G41。当主轴为正向转动时,为了对加工工件进行顺铣,这时内外轮廓加工都采用左刀补指令G41。通过G41 G42 这两个刀具半径补偿指令的使用,在数控编程加工中就只需要计算出刀具中心运动轨迹的起点坐标,避免了编程工作中对刀具运动轨迹的繁琐计算,从而实现工件的粗加工、精加工,均使用统一程序的目的。

1)简化编程

在数控编程加工中,利用刀具半径补偿指令后,加工轨迹就可以按照所加工工件的外轮廓进行计算编程,不用再计算刀具中心运动轨迹,大大简化了编程计算过程。加工程序准确描述外轮廓轨迹即可,加工过程中遇到刀具更换情况,只要调用不同的刀具半径R来进行修订既可,加工程序依旧可以按原来的程序。这就避免了编程过程中的重复计算,使得编程得以简化。

2)刀具变化更灵活

在成产加工过程中,机床刀具的磨损、重磨经常发生,在加工零件的不同结构需要使用不同的刀具,刀具的更换在复杂零件的加工中也是非常频繁。有刀具半径补偿功能的话,当刀具重磨、磨损和更换时就必须对程序参数进行重新修订,这无疑增加了大量工作量。

零件在自动加工过程中,由于磨损刀具的半径在不断变小,如果不及时更换刀具或者修正编程参数,加工的工件外形尺寸就会超出图纸要求的公差范围,使得产品尺寸不符合加工要求,成为废品,不能满足使用要求,增加了生产成本。

举例说明:如机床刀具的原始半径为r,随着生产加工的使用,刀具产生磨损,与原始尺寸相比刀具磨损量为δ,则此时刀具实际半径就应为r-δ,使用了刀具补偿指令后,在加工过程中不用对原程序参数进行修改,就可以继续满足加工要求,继续使用。同样,当更换刀具时,由于新刀具半径与旧刀具半径不同,利用刀补系统,将新刀具半径替代就刀具半径就可以使用加工程序继续加工零件,这样就可以很好地适应刀具的各种变化,以实现不改变加工程序原始参数即可完成零件的加工要求。

3)利用同一程序完成粗、精加工过程

利用刀具半径补偿的功能还能轻松实现同一程序进行粗、精加工。理解了刀具半径补偿的意义后,我们就能针对刀补的意义将功能予以扩展。例如,在加工过程中将刀补半径设置为不等于刀具半径,而是等于刀具半径加上精加工余量,这样第一次切削完成即完成了工件的粗加工,在处理粗精加工的时候可以将预设的刀具半径r输入作为刀补半径。这样就可以实现使用同一加工程序,采用同一刀具利用过修改刀补的办法实现对工件轮廓的粗、精加工;同时也可通过修改半径补偿值获得所需要的尺寸精度。

例如加工如图2所示工件,刀具半径r加上粗加工加工余量Δ,设置为刀具补偿半径进行加工,加工完毕后,就完成了工件的粗加工阶段。进行精加工的时候就可以直接以刀具半径r作为补偿值作为刀具补偿参数进行加工。这样就以同一程序就完成了粗加工和精加工,大大简化了数控加工编程过程。

2 刀补指令的执行过程

刀补的建立:在加工程序段中包含有G41、G42指令时,数控系统即建立刀具补偿状态。当下列条件得以成立时,数控铣床将以移动坐标轴的形式开始刀具补偿动作。

1)指令G41或G42被指定;

2)在刀具补偿的加工平面内有轴的移动;

3)指定一个补偿号;

4)偏置补偿的加工平面被指定或已经被指定;

5)G00或G01的模式有效。

刀具补偿功能持续范围:当刀具补偿命令开始执行起,刀具的中心运动轨迹就沿着与加工工件轨迹相差一个刀具半径的轨迹运行,直到加工过程技术为止。在这个加工过程中半径补偿在G00、G01、G02、G03的情况下都是有效指令。

取消刀具补偿:加工过程中可以使用G40指令取消程序中的的偏置值,这时,刀具中心回到加工起始点位置,离开被加工的工件。程序结束刀具中心轨迹与编程加工轨迹重合。以下两个条件当有一个触发时,加工中心会将补偿模式取消。①指令G40给出时,补偿平面内有坐标轴的移动。②刀具补偿号为D00。

3 注意事项

1)加工平面上增加刀具补偿时,必须在该工件未加工轮廓时有在该加工平面的移动,并道具移动距离要大于刀具半径r。

当切削加工即将开始时,在XOY平面或与XOY平面平行的坐标平面上,加上刀具半径补偿参数,即刀具脱离工件的加工位置。随后再沿着Z轴的方向进行加工,在加工程序编写时重点注意加工程序的结构,以保证不会产生过切现象,当程序运行结束可以获得精确的工件加工轮廓。

图3工件坐标系,如图中所标示内容,在与XOY平面相平行的坐标平面内,以及XOY平面内,利用刀具半径补偿指令,对工件进行加工,起点位置坐标(0,0,100),也即刀具中心移动轨迹起点位置坐标。这时当加工开始,刀具移动接近加工工件和切削工件开始时,刀具中心会产生沿Z轴方向的位移。此时如果程序结构出现错误,系统就会产生过切现象,并且系统不会报警停止。从而使得产品报废。如下程序列所示:

O0001;

N10 M03 S800 G54 G90;

N20 G00 Z80 ;

N30 X0 Y0 ;

N40 G01 G41 X10 Y10 D01 F100 ;

N50 Z2 ;

N60 Z-10 ;

N70 Y50 ;

N80 X50 Y10;

N90 X10 ;

N100 G00 Z80 ;

N110 G40 X0 Y0 ;

N120 M30 ;

在与XOY平面平行的平面内以及与XOY平面开始建立刀具半径补偿时,如果Z轴产生了2段连续的移动命令,就会使得刀具产生完全不正确的补偿位置。本程序的刀具补偿自N50程序段开始,这时的数控操作系统仅读取后面的两个程序段,但N60、N70两个程序段均是由Z轴移动指令,这时系统缺少XOY平面内的坐标,从而导致数控系统无法给出下一步刀具补偿的正确矢量方向。并且此时机床系统不会报警,刀具半径补偿继工作持续进行.但N50程序段开始工作后,导致切削刀具的中心线轨迹的目标点发生了变化,此时工件产生了过切现象。为避免过切,在建立刀具半径补偿之前,应将刀具停留在一个不会产生干涉的位置。先将刀具沿Z轴方向快速运动靠近工件,最后再按进给速度调整刀具的切削深度。

为避免过切现象产生,上述程序段应做如下修订:

O0001

N10 M03 S800 G54 G90;

N20 M03 S800 ;

N30 G00 Z100 ;

N40 X0 Y0 ;

N50 Z2 ;

N60 G01 Z-10 ; F100

N70 G41 X10 Y0 D01;

N80 X50 Y10;

N90 X10 ;

N100 G00 Z80 ;

N110 G40 X0 Y0 ;

N120 M30 ;

2)当使用刀具补偿时应避免过切削现象:在刀补命令正式使用和程序中结束刀补指令功能结束时,刀具必须在补偿的加工平面内移动,并且移动距离万不可大于刀补值。如果加工的产品是一个内圆弧工件。为保证不产生过切现象,必须保证刀具半径R要小于内圆弧半径。如果刀具半径R大于加工刀具的实际尺寸,就会产过切现象。

3)在G02、G03指令下取消刀具补偿值,加工程序会出错,产生过切。刀具补偿应在G00、G01指令模式下取消;如果在G02、G03指令模式下取消刀补时,系统会报警提示错误。在G00、G01指令模式下使用可以使用G41、G42、G40。不能重复使用G41和G42指令,否则在刀具补偿的两句连续的指令作用下就会产生过切。

4)各指令要求

其中D00 - D99指令是建立刀具补偿号指令,D00指令是取消刀补。

4 结论

刀具半径补偿的内容,在数控教学中非常的重要,以来因为刀具半径补偿参数在数控加工控制理论中的使用十分广泛。熟练的应用刀具半径补偿的原理,灵活的使用刀具半径补偿功能,既可以保证数控加工的准确性、高效性又可以极大的缩减数控加工编程和计算的工作量,但在使用刀具补偿功能时要注意机床的硬件条件和工件加工轮廓的几何面过度处,以避免产生过切和切削不足等加工问题,提高工件的加工精度。

参考文献:

[1] 林其骏.机床数控系统[M].北京:中国科学技术出版社,2005.

[2] 刘跃南.机床计算机数控及其应用[M]. 北京:机械工业出版社,2005.

[3] 杨有君.数字控制技术与数控机床[M]. 北京:机械工业出版社,1999.

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