數控加工中常用的3種補償方法

在加工多個零件或使用多把刀時,由于每把刀具的幾何尺寸或形狀都是不同的,在對被加工零件確定工件坐標系零點后,有必要引入刀具補償功能,以保證在加工過程中以正確的刀具路徑進行切削加工。
Part.1


常用的3種補償方法
補償的方法有刀具補償和夾具偏置補償,而刀具補償可分為刀具長度補償和刀具半徑補償。長度補償是指主軸軸向的補償,也就是銑刀軸向的補償,而對于銑刀徑向的補償,也就是每把銑刀直徑大小不一樣,在直徑方向的補償叫半徑補償。
1.刀具的長度補償
CNC加工中心編程的數據輸入,開始要指定零件的加工中心,才能建立工件編程坐標系,此坐標系只是一個工件坐標系,零點在工件上,CNC加工中心長度補償只是和Z坐標有關,不像X、Y平面內的編程零點;刀具是由主軸錐孔定位而不改變,而Z坐標的零點每一把刀的長度都是不同的。
CNC加工中心要鉆深為50mm的孔,然后攻絲深為45mm,分別用一把長為250mm的鉆頭和一把長為350mm的絲錐,先用鉆頭鉆孔深50mm,此時加工中心已經設定工件零點,當換上絲錐攻絲時,如果兩把刀都從設定零點開始加工,絲錐因為比鉆頭長而攻絲過長,損壞刀具和工件,如果設定了刀具補償,把絲錐和鉆頭的長度進行補償,當加工中心零點設定之后,即使絲錐和鉆頭長度不同,因補償的存在,在調用絲錐工作時,零點Z坐標已經自動向Z+(或Z)補償了絲錐的長度,保證了加工零點的正確性。
2.刀具的半徑補償
CNC加工中心有刀具的半徑補償,編制加工程序時可以不考慮刀具的直徑大小,刀長補償對所有的刀具都適用,而刀具的半徑補償則一般只用于銑刀類刀具;當銑刀加工工件的外輪廓或內輪廓時,就用得上刀具半徑補償,當用端面銑刀加工工件的端面時則只需刀具長度補償。
CNC加工中心刀具半徑補償是一個比較難理解和使用的指令,所以在編程中都不太愿使用,其實理解和掌握了使用起來還是對編程和加工帶來很大方便;當準備編一個用銑刀加工一個工件的外形的程序時,首先要根據工件的外形尺寸和刀具的半徑進行細致的計算坐標值來明確刀具中心所走的路線,所用的刀具半徑只是這把銑刀的半徑值,當編完后發現這把銑刀不太適合要換用其他直徑的刀具,這時就要重新計算刀具中心所走的路線的坐標值,這對于外形復雜的模具來說重新計算簡直是太困難了,一個工件的外形加工分粗加工和精加工,這樣粗加工程序編好后也就是完成了粗加工。
經過粗加工工件外形尺寸發生了變化,接下來又要計算精加工的刀具中心坐標值工作量太大;如果用了刀具半徑補償就可以忽略刀具半徑,根據工件尺寸進行編程,再把刀具半徑作為半徑補償放在半徑補償寄存器里,臨時更換銑刀或進行粗精加工,只需更改刀具半徑補償值就可以控制工件外形尺寸的大小了,對程序基本不用作一點修改。
3.夾具的偏置補償
加工中心夾具偏置可以不考慮工件夾具的位置而使用夾具偏置,當CNC加工中心加工小的工件時,工裝上一次可以裝夾幾個工件,不用考慮每一個工件在編程時的坐標零點。只需按照各自的編程零點進行編程,再使用夾具偏置來移動每一個工件上的編程零點;夾具偏置使用夾具偏置指令G54~G59來執行的,也可以使用G92指令設定坐標系;當一個工件加工完成之后,加工下一個工件時使用G92來重新設定新的工件坐標系。
Part.2
刀具長度補償的案例及指令
所謂刀位點是指編制程序和加工時,用于表示刀具特征的點,也是對刀和加工的基準點。數控車刀的刀位點如圖所示。尖形車刀的刀位點通常是指刀具的刀尖;圓弧形車刀的刀位點是指圓弧刃的圓心;成形刀具的刀位點也通常是指刀尖。
1. 刀具偏移的含義
刀具偏移是用來補償假定刀具長度與基準刀具長度之長度差的功能。車床數控系統規定X軸與Z軸可同時實現刀具偏移。

刀具幾何偏移:由于刀具的幾何形狀不同和刀具安裝位置不同而產生的刀具偏移。

刀具磨損偏移:由刀具刀尖的磨損產生的刀具偏移。
刀具偏移補償功能示例:
2. 利用刀具幾何偏移進行對刀操作
(1)對刀操作的定義
調整每把刀的刀位點,使其盡量重合于某一理想基準點,這一過程稱為對刀。
(2)對刀操作的過程
①手動操作加工端面,記錄下刀位點的Z向機械坐標值。
②手動操作加工外圓,記錄下刀位點的X向機械坐標值,停機測量工件直徑,計算出主軸中心的機械坐標值。
③將X、Z值輸入相應的刀具幾何偏移存儲器中。
(3)利用刀具幾何偏移進行對刀操作的實質
利用刀具幾何偏移進行對刀的實質就是利用刀具幾何偏移使工件坐標系原點與機床原點重合。
3. 刀具偏移的應用
利用刀具偏移功能,可以修整因對刀不正確或刀具磨損等原因造成的工件加工誤差。例如:加工外圓表面時,如果外圓直徑比要求的尺寸大了0.2mm,此時只需將刀具偏移存儲器中的X值減小0.2,并用原刀具及原程序重新加工該零件,即可修整該加工誤差。同樣,如出現Z方向的誤差,則其修整辦法相同。
4. 刀尖圓弧半徑補償的定義
在實際加工中,由于刀具產生磨損及精加工的需要,常將車刀的刀尖修磨成半徑較小的圓弧,這時的刀位點為刀尖圓弧的圓心。
為確保工件輪廓形狀,加工時不允許刀具刀尖圓弧的圓心運動軌跡與被加工工件輪廓重合,而應與工件輪廓偏移一個半徑值,這種偏移稱為刀尖圓弧半徑補償。圓弧形車刀的刀刃半徑偏移也與其相同。
5. 假想刀尖與刀尖圓弧半徑
在理想狀態下,我們總是將尖形車刀的刀位點假想成一個點,該點即為假想刀尖(圖中的A點)。
在對刀時也是以假想刀尖進行對刀。但實際加工中的車刀,由于工藝或其他要求,刀尖往往不是一個理想的點,而是一段圓弧(如圖中的BC圓弧)。
所謂刀尖圓弧半徑是指車刀刀尖圓弧所構成的假想圓半徑(圖中的r)。實踐中,所有車刀均有大小不等或近似的刀尖圓弧,假想刀尖在實際加工中是不存在的。
6. 未使用刀尖圓弧半徑補償時的加工誤差分析
(1)加工臺階面或端面時,對加工表面的尺寸和形狀影響不大,但在端面的中心位置和臺階的清角位置會產生殘留誤差,如圖所示。
(2)加工圓錐面時,對圓錐的錐度不會產生影響,但對錐面的大小端尺寸會產生較大的影響,通常情況下,會使外錐面的尺寸變大,而使內錐面的尺寸變小,如圖所示。
(3)加工圓弧時,會對圓弧的圓度和圓弧半徑產生影響。加工外凸圓弧時,會使加工后的圓弧半徑變小,其值=理論輪廓半徑R–刀尖圓弧半徑r,如圖所示。
加工內凹圓弧時,會使加工后的圓弧半徑變大,其值=理論輪廓半徑R+刀尖圓弧半徑r,如圖所示。
7. 刀尖圓弧半徑補償指令
1)指令格式
G41 G01/G00 X_Y_F_;刀尖圓弧半徑左補償
G42 G01/G00 X_Y_F_;刀尖圓弧半徑右補償
G40 G01/G00 X_Y_;取消刀尖圓弧半徑補償
2)指令說明
刀尖圓弧半徑補償偏置方向的判別:
a)后置刀架,+Y軸向外
b)前置刀架,+Y軸向內
8. 圓弧車刀刀沿位置的確定
根據各種刀尖形狀及刀尖位置的不同,數控車刀的刀沿位置如圖所示,共有9種。

a)后置刀架,+Y軸向外
b)前置刀架,+Y軸向內
c)具體刀具的相應刀沿號
P–假想刀尖點 S–刀沿圓心位置 r–刀尖圓弧半徑
部分典型刀具的刀沿號:
a)后置刀架的刀沿位置號
b)前置刀架的刀沿位置號
9. 刀尖圓弧半徑補償過程
刀尖圓弧半徑補償的過程分為三步:刀補的建立、刀補的進行、刀補的取消。
O0010;
N10 G99 G40 G21;
(程序初始化)
N20 T0101;
(轉1號刀,執行1號刀補)
N30 M03 S1000;
(主軸按1000r/min正轉)
N40 G00 X85.0 Z10.0;
(快速點定位)
N50 G42 G01 X40.0 Z5.0 F0.2;
(刀補建立)
N60 Z-18.0;
(刀補進行)
N70 X80.0;
(刀補進行)
N80 G40 G00 X85.0 Z10.0;
(刀補取消)
N90 G28 U0 W0;
(返回參考點)
N100 M30;
(1)刀補的建立
刀補的建立指刀具從起點接近工件時,車刀圓弧刃的圓心從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個偏置量的過程。該過程的實現必須與G00或G01功能在一起才有效。
N50 G42 G01 X40.0 Z5.0 F0.2;
(刀補建立)
FC–刀補建立 CDE–刀補進行 EF–刀補取消
(2)刀補進行
在G41或G42程序段后,程序進入補償模式,此時車刀圓弧刃的圓心與編程軌跡始終相距一個偏置量,直到刀補取消。
N60 Z-18.0;
(刀補進行)
N70 X80.0;
(刀補進行)
FC–刀補建立 CDE–刀補進行 EF–刀補取消
(3)刀補取消
刀具離開工件,車刀圓弧刃的圓心軌跡過渡到與編程軌跡重合的過程稱為刀補取消,如圖中的EF段(即N80程序段)。刀補的取消用G40來執行,需要特別注意的是,G40必須與G41或G42成對使用。
N80 G40 G00 X85.0 Z10.0;
(刀補取消)
FC–刀補建立 CDE–刀補進行 EF–刀補取消
10. 進行刀具半徑補償時應注意的事項
•刀具圓弧半徑補償模式的建立與取消程序段只能在G00或G01移動指令模式下才有效。
•G41/G42不帶參數,其補償號(代表所用刀具對應的刀尖半徑補償值)由T指令指定。該刀尖圓弧半徑補償號與刀具偏置補償號對應。
•采用切線切入方式或法線切入方式建立或取消刀補。對于不便于沿工件輪廓線方向切向或法向切入切出時,可根據情況增加一個過渡圓弧的輔助程序段。
•為了防止在刀具半徑補償建立與取消過程中刀具產生過切現象,在建立與取消補償時,程序段的起始位置與終點位置最好與補償方向在同一側。
•在刀具補償模式下,一般不允許存在連續兩段以上的補償平面內非移動指令,否則刀具也會出現過切等危險動作。補償平面非移動指令通常指僅有G、M、S、F、T指令的程序段(如G90、M05)及程序暫停程序段(G04 X10.0)。
•在選擇刀尖圓弧偏置方向和刀沿位置時,要特別注意前置刀架和后置刀架的區別。
充分理解和掌握刀具補償的含義,熟練運用加工中心刀具各項補償功能,對于在工作中優化程序編制,程序安全運行和提高生產效率具有重要的意義。

 

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