刀具補償及刀具長度補償計算方法.ppt

第三節(jié)刀具補償原理一 刀具補償計算的意義 1 什么是刀具補償在數(shù)控加工過程中 數(shù)控系統(tǒng)的實際控制對象是刀具中心或刀架相關點 數(shù)控系統(tǒng)通過直接控制刀具中心或刀架相關點的運動軌跡 來間接地實現(xiàn)實際零件輪廓的加工 然而 實際刀具參與切削的部位是刀尖 車刀 或刀刃邊緣 銑刀 它們與刀具中心或刀架相關點之間存在著尺寸偏差 因此數(shù)控系統(tǒng)必須根據(jù)刀尖或刀刃邊緣的實際坐標位置 即零件輪廓的實際坐標位置 來計算出刀具中心或刀架參考點的相應坐標位置 這種計算過程就稱為刀具補償 刀具補償?shù)挠嬎愎ぷ骺梢杂捎脩魜硗瓿?而對于具有刀具補償功能的數(shù)控系統(tǒng) 也可以由數(shù)控系統(tǒng)來自動完成 由用戶來完成刀具補償?shù)挠嬎愎ぷ鞔藭r 數(shù)控加工程序段中的坐標數(shù)據(jù)就是刀具中心或刀架相關點的坐標位置 例 假設刀具半徑為15 165 35 165 165 35 165 35 50 Y X 150 50 150 150 50 150 50 50 G0X35Y50G1Y165F100X165Y35X50G0X0Y0 50 35 150 50 150 150 50 150 50 50 由數(shù)控系統(tǒng)來自動完成刀具補償?shù)挠嬎愎ぷ?啟用數(shù)控系統(tǒng)的刀具補償功能后 刀具補償?shù)挠嬎愎ぷ鲗⒂蓴?shù)控系統(tǒng)來自動完成 此時數(shù)控加工程序段中的坐標數(shù)據(jù)采用零件輪廓的實際坐標數(shù)據(jù) 既數(shù)控加工時刀尖或刀刃邊緣的實際坐標位置 G0G41X50Y50G1Y150X150Y50X50G0G40X0Y0 R1 2 刀具補償?shù)淖饔貌捎玫毒哐a償功能 不僅可以大大簡化數(shù)控加工程序的編寫工作 還可以提高數(shù)控加工程序的利用率 主要表現(xiàn)在兩方面 當?shù)毒叱叽绨l(fā)生變化 刀具磨損 刀具更換等 時 只需修改相應的刀具參數(shù)即可 在同一臺機床上對同一零件輪廓進行粗加工 半精加工和精加工等多道工序時 不必編寫三種加工程序 可將各道工序所預留的加工余量加入刀具參數(shù)即可 R2 R3 余量2 余量3 R3 R 余量3R2 R 余量2R1 R 0 L1 L2 F r L1 F F Y X r 3 刀具補償類型刀具補償分為刀具長度補償和刀具半徑補償兩種類型 對于不同機床上所使用的不同類型的刀具 其補償形式也不一樣 立銑刀 主要是刀具半徑補償 有時需要刀具長度補償 鉆頭 主要是刀具長度補償 外圓車刀 即需要刀具半徑補償 也需要縱橫兩個坐標方向的刀具長度補償 立銑刀 Z X 鉆頭 X Z 外圓車刀 刀具補償時所使用的刀具參數(shù)主要有 刀具半徑 刀具長度 刀具中心偏移量等等 這些刀具參數(shù)應該在程序運行前預先存入刀具參數(shù)表中 在刀具參數(shù)表中 不同的刀具補償號 刀沿 對應著不同的一組刀具參數(shù) 在編制數(shù)控加工程序時 可以通過調(diào)用不同的刀具補償號來實現(xiàn)不同的刀具補償計算 二 刀具長度補償計算當?shù)毒叩拈L度尺寸發(fā)生變化而影響工件輪廓的加工時 數(shù)控系統(tǒng)應對這種變化實施補償 即刀具長度補償 1 車床情況數(shù)控車床的刀具結(jié)構(gòu)如右圖所示 S 刀尖圓弧圓心 RS 刀尖圓弧半徑 P ZP XP 理論刀尖點 F ZF XF 刀架相關點 ZPF XPF P點相對于F點的坐標 車刀的刀具長度補償就是實現(xiàn)刀尖圓弧中心S與刀架相關點F之間的坐標變換 在實際操作中 刀尖圓弧圓心S點相對于F點的位置偏移量難以直接測量 而理論刀尖點P相對于F點的位置偏移量比較容易測量 因此 一般情況下 我們先測量出理論刀尖點P與刀架參考點F之間的位置偏移量 然后根據(jù)情況來考慮是否需要再精確計算出刀尖圓弧中心S與刀架參考點F之間的位置偏移量 通過測量計算得出的這個位置偏移量數(shù)值將被存放在數(shù)控系統(tǒng)的刀具參數(shù)表中 1 假設刀尖圓弧半徑RS 0此時 P點與S點重合 根據(jù)圖示的幾何關系可知 已知 代入上式后得刀具長度補償計算公式為 2 1 理論刀尖點P的坐標 ZP XP 就是實際被加工零件的輪廓軌跡坐標 該坐標值可以從數(shù)控加工程序中直接獲得 ZPF XPF 為理論刀尖點P相對于刀架參考點F的坐標值 設 ZFP XFP 為刀架參考點F相對于理論刀尖點P的坐標值 則有 2 2 2 1 理論刀尖點P相對于刀架參考點F的坐標值 ZPF XPF 或刀架參考點F相對于理論刀尖點P的坐標值 ZFP XFP 可以從刀具參數(shù)表中的刀具參數(shù)來獲取 在有些數(shù)控系統(tǒng)中 刀具參數(shù)表中的刀具長度參數(shù)采用刀架參考點F相對于刀尖點P的坐標值 ZFP XFP 即 此時刀具長度補償計算公式可寫成 2 3 而在有些數(shù)控系統(tǒng)中 刀具參數(shù)表中的刀具長度參數(shù)采用刀尖點P相對于刀架參考點F的坐標值 ZPF XPF 即 此時刀具長度補償計算公式可寫成 2 4 F B 70 15 A 0 15 X 35 20 Z G0X0Y15G1X 70 A點 B點 lZ ZF L 討論 1 利用 2 3 式 我們可以得到測量刀具長度參數(shù)的計算公式 2 4 其中 ZF XF 刀架相關點F的坐標 ZP XP 新刀具刀尖點坐標 F X Z 在圖示的情況下 ZF為系統(tǒng)維護并顯示的刀架相關點F的Z坐標 新刀具刀尖點的Z坐標ZP L 根據(jù) 2 4 系統(tǒng)可以計算出新刀具Z方向的刀具參數(shù)為 Lz ZF ZP ZF L F XPF ZPF 2 采用相似的分析方法 我們可以得到建立工件坐標系的計算公式 F X Z M X Z W 2 假設刀尖圓弧半徑RS 0此時 刀具的補償算法比較復雜 一方面要考慮刀尖圓弧半徑的補償 刀具半徑補償類型 另一方面還要考慮刀具長度補償 但是 一般情況下RS很小 在有些生產(chǎn)場合可以不考慮它對零件輪廓的影響 另一方面 在對刀過程中已經(jīng)把RS在平行于坐標軸方向所引起的誤差進行了補償 因此零件表面上平行于坐標軸的輪廓不會再產(chǎn)生附加誤差 但斜線或圓弧還是會有誤差 在此暫時不考慮刀尖圓弧的補償計算 三 刀具半徑補償計算 一 刀具半徑補償原理 1 什么是刀具半徑補償在零件輪廓的加工過程中 數(shù)控系統(tǒng)的控制對象是加工刀具的中心點 在加工零件輪廓時 數(shù)控系統(tǒng)必須使刀具中心在零件輪廓的法矢量方向上偏移一個刀具半徑值 這種偏移操作就稱為刀具半徑補償 刀具半徑補償就是根據(jù)零件輪廓計算出刀具中心軌跡的操作 一般來說 有兩種計算手段 人工計算人工計算出刀具中心軌跡 然后按計算結(jié)果編寫數(shù)控加工程序 例 假設刀具半徑為15 165 35 165 165 35 165 35 50 Y X 150 50 150 150 50 150 50 50 G01X35Y50F100Y165X165Y35X50G40X0Y0 50 35 Y X 150 50 150 150 50 150 50 50 G01G41X50Y50Y150X150Y50X50G40X0Y0 數(shù)控系統(tǒng)自動計算當用戶啟用數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償功能后 數(shù)控系統(tǒng)將根據(jù)刀具參數(shù)表中的刀具參數(shù)和數(shù)控加工程序中的零件輪廓坐標數(shù)據(jù)自動計算出刀具中心軌跡 并控制刀具中心依此運動 2 刀具半徑補償方向?qū)τ谕粭l刀具中心軌跡 刀具的運動方向有兩個 沿編程軌跡 零件輪廓 的前進方向看去 如果刀具中心軌跡始終在編程軌跡的左邊 則稱為左刀補 用指令G41表示 沿編程軌跡 零件輪廓 的前進方向看去 如果刀具中心軌跡始終在編程軌跡的右邊 則稱為右刀補 用指令G42表示 當不需要再進行刀具補償時 用指令G40來撤消由G41或G42所建立的刀具半徑補償 3 零件輪廓拐角處的過渡處理在兩段零件輪廓的交點處 刀具半徑補償功能必須進行適當?shù)倪^渡處理 主要有兩種處理方法 直線過渡和圓弧過渡 圓弧過渡圓弧過渡可以使刀具中心軌跡或工件輪廓光滑過渡 但在尖角處的加工誤差可能變大 尖角不尖 直線過渡直線過渡在尖角處的加工誤差比較小 并且還可以避免刀具在尖角處出現(xiàn)加工停頓現(xiàn)象或刀具干涉現(xiàn)象 但拐角過渡不如圓弧過渡光滑 本課程重點討論直線過渡的刀具半徑補償算法 5 刀具半徑補償?shù)膱?zhí)行過程刀具半徑補償?shù)膱?zhí)行過程分為四個工作階段 如下圖所示 W Y X 刀具半徑補償撤消 非半徑補償 刀具半徑補償終點 刀具半徑補償起始點 切入點 切出點 50 50 刀具半徑補償進行 刀具半徑補償建立G42 G0X30Y20G1G42X50Y50X120Y80G3X90Y110I 30J0G1X50Y50G1G40X30Y20G0X0Y0 30 20 120 50 120 80 90 110 50 110 非半徑補償 針對刀具半徑補償執(zhí)行過程中的四個工作階段 數(shù)控系統(tǒng)應該具有四種刀具半徑補償工作狀態(tài) 這四種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關系如下圖所示 下一個程序段不包含G40功能字 當前程序段不包含G41或G42功能字 非半徑補償狀態(tài) 刀具半徑補償建立狀態(tài) 刀具半徑補償進行狀態(tài) 刀具半徑補償撤消狀態(tài) 當前程序段包含G41或G42功能字 當前程序段不包含G40功能字且下一個程序段也不包含G40功能字 下一個程序段包含G40功能字 當前程序段包含G40功能字 當前程序段不包含G40功能字但下一個程序段包含G40功能字 非半徑補償狀態(tài)假設數(shù)控系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)為非半徑補償狀態(tài) 如果當前程序段不包含G41或G42功能字 則數(shù)控系統(tǒng)保持非半徑補償狀態(tài) 如果當前程序段包含G41或G42功能字 則數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入刀具半徑補償建立狀態(tài) 在非半徑補償狀態(tài)下 當前編程輪廓的終點就是當前編程輪廓的轉(zhuǎn)接點 數(shù)控系統(tǒng)控制刀具中心直接運動到該點位置 刀具半徑補償建立狀態(tài)假設數(shù)控系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)為刀具半徑補償建立狀態(tài) 如果當前程序段包含G40功能字 則數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入非半徑補償狀態(tài) 如果當前程序段不包含G40功能字 且下一個程序段也不包含G40功能字 則數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入刀具半徑補償進行狀態(tài) 如果當前程序段不包含G40功能字 但下一個程序段包含G40功能字 則數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入刀具半徑補償撤消狀態(tài) 在刀具半徑補償建立狀態(tài)下 系統(tǒng)將根據(jù)刀具半徑補償建立階段的轉(zhuǎn)接點計算方法 計算出當前編程輪廓的轉(zhuǎn)接點坐標 并控制刀具中心運動到該點位置 切入點 刀具半徑補償起始點 刀具半徑補償進行狀態(tài)假設數(shù)控系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)為刀具半徑補償進行狀態(tài) 如果下一個程序段不包含G40功能字 則數(shù)控系統(tǒng)保持刀具半徑補償進行狀態(tài) 如果下一個程序段包含G40功能字 則數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入刀具半徑補償撤消狀態(tài) 在刀具半徑補償進行狀態(tài)下 系統(tǒng)將根據(jù)刀具半徑補償進行階段的轉(zhuǎn)接點計算方法 計算出當前編程輪廓的轉(zhuǎn)接點坐標 并控制刀具中心運動到該點位置 在運動過程中 刀具中心在工件輪廓的法矢量方向上始終偏移一個刀具半徑值 刀具半徑補償撤消狀態(tài)假設數(shù)控系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)為刀具半徑補償撤消狀態(tài) 則數(shù)控系統(tǒng)無條件轉(zhuǎn)入非半徑補償狀態(tài) 在刀具半徑補償撤消狀態(tài)下 系統(tǒng)將根據(jù)刀具半徑補償撤消階段的轉(zhuǎn)接點計算方法 計算出當前編程輪廓的轉(zhuǎn)接點坐標 并控制刀具中心運動到該點位置 切出點 刀具半徑補償終點 綜上所述 在CNC系統(tǒng)的刀具半徑補償處理過程中 至少需要當前程序段和下一個程序段兩個程序段的零件輪廓信息 在對本程序段進行刀具半徑補償計算時 必須綜合下一個程序段的輪廓信息 這樣才能對本程序段的刀具中心軌跡作出及時正確的修正 避免刀具干涉現(xiàn)象的發(fā)生 早期硬件數(shù)控系統(tǒng)沒有刀具半徑補償功能 其處理刀具中心軌跡的方式比較簡單 只需要當前程序段的零件輪廓信息 采用讀一段 算一段 再走一段的控制方式 二 刀具半徑補償類型 1 編程輪廓的線型在刀具半徑補償?shù)奶幚磉^程中 當前編程輪廓的線型和下一段編程輪廓的線型都會影響到當前編程輪廓的刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接點計算方法 大多數(shù)CNC系統(tǒng)所處理的基本輪廓線型為直線和圓弧 因此當前編程輪廓和下一段編程輪廓的線型組合方式有如下四種 直線接直線 直線接圓弧 圓弧接直線和圓弧接圓弧 2 轉(zhuǎn)接方式 拐角 相鄰兩輪廓于交點處的切線在工件實體一側(cè)的夾角稱為拐角 拐角的數(shù)值范圍為 0 360 當0 180 時 稱為外拐角 當180 360 時 稱為內(nèi)拐角 內(nèi)拐角 外拐角 轉(zhuǎn)接方式相鄰兩編程輪廓的拐角數(shù)值范圍不同 刀具半徑補償?shù)霓D(zhuǎn)接過渡方式也有所不同 一般分為三種類型 當0 90 時 轉(zhuǎn)接方式為插入型 當90 180 時 轉(zhuǎn)接方式為伸長型 當180 360 時 轉(zhuǎn)接方式為縮短型 在刀具半徑補償執(zhí)行過程的建立 進行和撤消三個階段中 均有轉(zhuǎn)接過渡問題 下面以直線接直線為例進行簡單介紹 建立階段的轉(zhuǎn)接方式 進行階段的轉(zhuǎn)接方式在刀具半徑補償進行階段 刀具中心軌跡是距離零件輪廓一個刀具半徑的等距線 而在零件輪廓的拐角處 刀具中心軌跡采用伸長型 縮短型或插入型轉(zhuǎn)接過渡方式 所謂縮短型 是指將零件輪廓的等距線縮短來進行刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接 所謂伸長型 是指將零件輪廓的等距線伸長來進行刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接 所謂插入型 是指在零件輪廓等距線的基礎上 再插入若干直線段來進行刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接 縮短型和伸長型的轉(zhuǎn)接點只有一個 就是兩條零件輪廓等距線的交點 而插入型轉(zhuǎn)接點個數(shù)多于一個 相對復雜一些 撤消階段的轉(zhuǎn)接方式刀具半徑補償撤消階段是刀具半徑補償建立階段的逆過程 其轉(zhuǎn)接過渡過程與刀具半徑補償建立階段相似 三 方向矢量和刀具半徑矢量零件輪廓的線型 刀補方向和拐角的大小都影響刀具中心軌跡的形式 為找出刀具半徑補償計算的一般規(guī)律 本課程使用矢量法來進行討論 為此首先需要定義一些基本矢量 1 方向矢量所謂方向矢量 是指在零件輪廓上與編程方向一致的單位矢量 用ld來表示 零件輪廓上任意一點的方向矢量就是該點的單位切線矢量 其計算方法與零件輪廓的線型有關 在此我們僅討論直線和圓弧的方向矢量 直線 圓弧編程軌跡為圓弧時 其走向有順圓弧和逆圓弧之分 故圓弧的方向矢量也分順圓弧方向矢量和逆圓弧方向矢量兩種情況 設 則圓弧上任意一點處的方向矢量為 2 半徑矢量在加工過程中始終垂直于編程軌跡 指向刀具中心且大小等