長度補償在機床Z向安全和精度控制中的應用分析

史紅杰

(襄陽職業技術學院，湖北 襄陽 441050)

1 長度補償的作用

1.1 刀具長度差

數控銑削加工中，往往使用多把刀具，刀具長度各不相同，實際生產中一般只建立一個工件坐標系G54，如圖1所示，T1是基準刀具，若不進行長度補償，T1加工時理論上不會有問題，T2加工時因刀具變短會造成少切，而T3加工時因刀具邊長會造成過切甚至撞刀。

圖1

1.2 Z向加工偏差

機械加工是一個系統工程，Z向加工精度受到多方面因素的影響，比如Z向對刀精度、刀具磨損、機床傳動間隙、機床振動、刀具熱脹冷縮、材料變形等等。

基于以上2個方面，刀具長度補償的作用在于：編程時統一假定所有刀具都一樣長，在程序中對應建立長度補償，加工前建立工件坐標系，正確設定各把刀具對應的長度補償值，加工過程中數控系統自動進行刀具長度差補償和Z向誤差修正。簡化數控程序編制又便于控制Z向加工精度。

2 長度補償的原理

2.1 長度補償的本質

刀具長度補償在程序中是通過執行含有G43(G44)和H指令的Z向直線運動程序段來建立的，實際上是數控系統控制不同長度刀具的刀位點到達編程指令Z坐標位置而進行的Z向自動調整，分為+Z補償(正補償)和-Z補償(負補償)。此外，當Z向出現加工偏差時，可以不用修改程序和工件坐標系G54Z向零點，通過修改長度補償值(形狀或磨耗)進行修正。

圖2

如圖2所示，長度補償值其實就是實際使用刀具與基準刀具的長度差，Z向的加工偏差一般通過修改長度磨耗修正。

G49是取消刀具長度補償功能的指令，實際加工中可以不用，由于刀具都有自己的對應長度補償地址，更換刀具后重新建立長度補償，利用G43(G44)H指令賦予了自己的刀長補償而自動取消前一把刀具的長度補償。

2.2 長度補償的算法

表1 長度補償算法

從上表可以看出，長度補償就是Z向的加減運算。對比發現，G43可實現正補償和負補償，實際生產中G43使用更為廣泛，需要特別注意補償值的正負，一旦設錯可能造成更大的誤差甚至Z向撞刀。

3 長度補償的設定

長度補償的設定涉及2個方面：工件坐標系G54Z向零點設定和長度補償值設定。G54Z向零點設定的是基準刀具刀位點與工件Z向編程零點重合時所對應的Z向機床坐標值。使用G43指令進行長度補償，相對于基準刀長，非基準刀：長補正，短補負，下面以機內手動對刀法來說明其設定方法。

如圖3所示，使用三把刀T1，T2，T3加工，長度補償地址分別為H1，H2，H3，程序Z向零點設在工件上表面。

圖3

3.1 物理基準刀對刀設定

若以T1作為基準刀具設定G54Z軸原點，使用G43補償。

表2 物理基準刀長度補償設定

3.2 虛擬基準刀對刀設定

假設有一把“頂天立地”的虛擬刀T0，其刀位點與工件Z向編程零點重合時Z軸剛好處于參考點位置，若以它作為基準，使用G43補償。

表3 虛擬基準刀長度補償設定

兩種設定方法本質上都是基于基準刀的，實際加工應用中各有千秋。物理基準刀對刀設定，操作者可以通過機床程序檢測功能直觀判斷當前刀位的坐標值，但設定時一般需要借助機床的相對坐標計算，補償值有正負之分，相對復雜；虛擬基準刀對刀設定比較簡單，所有補償值均為負值，但程序運行中，特別是初學者，對當前刀位點的坐標不能直觀判斷。實際加工中操作人員必須正確設定，不能混淆，否則會形成疊加補償，可能造成非常嚴重的Z向撞刀和過切。具體補償值的測定可以通過機內手動試切或借助Z軸設定器、基準棒等工具測得，也可以通過機外對刀儀測出。

4 實際加工中長度補償的安全設定方法與注意事項

1.建立長度補償要有足夠的安全高度，最好大于最大的刀具長度差絕對值，同時使用G1配合進給速度F建立刀具長度補償，便于控制速度，防止因補償錯誤出現過切或撞刀而來不及反應，必要時可使用暫停指令M0，檢查確認無誤后再循環啟動。

2.實際編程加工中，為了防止混淆，可以統一使用G43進行長度補償，補償值設為正值實現正補償，補償值設為負值則實現負補償。

3.加工結束或換刀時，使用G49取消長度補償時也要有足夠的安全高度，防止因長度補償取消造成刀具下行導致撞刀。

N100G43H1G1F3000Z10；(H1=20)

……

N200G49G0Z10；

上述N200程序段中：因實際使用刀具比基準刀具長20mm，取消長度補償后，刀位點反而下刀至Z-10，出現扎刀。

實際加工中可以不用G49，抬刀后直接執行G91G28Z0控制刀具回到Z軸參考點位置，換刀后再建立新的長度補償取代之前的長度補償，這是一種安全有效的方法。

4.長度補償與G54Z向原點設置密切相關，加工前要仔細檢查確認。

5.在程序校驗和首件試切中，可以使用預先設定補償值的方式，使用正補償抬高刀具進行校驗試切。

6.下面幾種做法容易引起Z向過切或撞刀，都屬于長度補償使用不當，在實際操作中要引起注意。

(1)G54Z向零點使用物理基準刀設置，將Z向機床坐標值設為補償值。(2)程序、長度補償設定均正確，但實際安裝刀具錯誤。(3)補償值設置地址與程序指定補償地址不對應。(4)長度補償建立和取消的Z向直線段長度絕對距離過小。(5)G54Z向零點使用物理基準刀設置，Z向相對坐標未清零，直接將Z向相對坐標設為補償值。(6)利用機床Z向相對坐標計算刀具長度差，補償值設定時正負號弄反。

5 結語

長度補償功能主要用來解決基于同一工件坐標系下刀具長度不同、刀具磨損以及工藝系統造成的Z向偏差問題。

刀具長度補償功能的本質是通過Z向加減運算實現正負補償，加工之前必須認真檢查程序中刀具長度補償是否正確安全建立、G54工件坐標系Z軸零點設置、對應的刀具長度補償地址及補償值。正確使用長度補償，可以簡化程序編制，保證機床Z向安全，便于控制Z向加工精度。