刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究應(yīng)用

蔡志榮，楊尚輝，梁其杲，鄭鑫遠(yuǎn)

（珠海格力精密模具有限公司，廣東珠海519070）

關(guān)建詞：數(shù)控；刀具；補(bǔ)償；自動(dòng)化

1 引言

本文所論述的數(shù)控加工中心刀具自動(dòng)補(bǔ)償是建立在有激光對(duì)刀儀的數(shù)控設(shè)備。在智能制造和自動(dòng)化無(wú)人化加工的背景下，對(duì)機(jī)床的自動(dòng)加工要求是越來(lái)越高，刀具制造的誤差和加工制造后的刀具磨損嚴(yán)重影響著加工質(zhì)量，傳統(tǒng)的手動(dòng)半徑補(bǔ)償已無(wú)法滿足自動(dòng)化加工需求；以羅德斯RMS6裝置數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析研究了刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)CAM軟件編程后產(chǎn)生NC直接給指令到機(jī)床測(cè)量刀具直徑后論理直徑與實(shí)際直徑對(duì)比后的誤差自動(dòng)補(bǔ)正到程序里加工，提高生產(chǎn)效率和加工精度具有一定實(shí)用意義。

2 刀具補(bǔ)償現(xiàn)狀

目前刀具半徑補(bǔ)償功能只用于使零件輪廓能被直接用來(lái)編程，而不考慮刀具的尺寸，CNC能根據(jù)零件輪廓和存放在刀具表中的尺寸自動(dòng)地計(jì)算刀具的軌跡。因此刀具半徑補(bǔ)償功能使編程簡(jiǎn)化可以縮短數(shù)控編程前的準(zhǔn)備時(shí)間，克服手工計(jì)算編程節(jié)點(diǎn)的繁瑣性和不準(zhǔn)確性，提高了編程效率的準(zhǔn)確性，但對(duì)于現(xiàn)在CAM軟件編程時(shí)代已沒有太大的優(yōu)勢(shì)，但機(jī)加工過(guò)程中刀具加工誤差CAM也無(wú)法解決。

機(jī)加工過(guò)程中刀具加工誤差一直存在而且是最影響加工精度的原因，產(chǎn)生刀具誤差的原因有：①主軸與刀柄的裝夾誤差；②刀柄與刀具裝夾產(chǎn)生的誤差；③刀具本身的制造誤差；④刀具磨損的誤差。現(xiàn)在很多工廠為保證消除刀具加工過(guò)程中誤差以往做法，根據(jù)平時(shí)刀具的公差編程時(shí)在程序里用負(fù)余量來(lái)控制精度，編程設(shè)計(jì)員做3條程序給操作員偏數(shù)加工，加工完成一條程序先測(cè)量，如果不到尺寸再加工下一條負(fù)余量的程序。但平時(shí)每一批刀具的尺寸都不一樣，而且經(jīng)過(guò)刀頭和機(jī)頭都會(huì)有累積誤差，所以加工質(zhì)量不穩(wěn)定，往往加工出來(lái)要不就有余量，要不就是加工過(guò)切。編程做3條刀路給操作員偏數(shù)加工，缺點(diǎn)效率低，而且操作員偏數(shù)有人為因素在里面容易出錯(cuò)。

3 刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

（1）刀具半徑補(bǔ)償。

如圖1所示，基礎(chǔ)的刀具半徑補(bǔ)償分：刀具半徑左補(bǔ)償（G41）指刀具偏向編程加工軌跡運(yùn)動(dòng)方向的左方，刀具半徑右補(bǔ)償（G42）指刀具偏向編程加工軌跡運(yùn)動(dòng)方向的右方。取消刀具半徑補(bǔ)償用G40指令。刀具半徑補(bǔ)償?shù)墓ぷ鬟^(guò)程可以分為建立刀補(bǔ)，執(zhí)行刀補(bǔ)和取消刀補(bǔ)3個(gè)過(guò)程。

圖1 刀具半徑左、右補(bǔ)償示意圖

（2）刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償原理。

通過(guò)CAM編程+自動(dòng)對(duì)刀+變量刀具補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償；后處理程序程序里產(chǎn)生設(shè)定好的變量來(lái)控制刀具補(bǔ)償值；執(zhí)行程序加工時(shí)對(duì)刀指令使用對(duì)刀儀測(cè)出刀具實(shí)際直徑，輸入機(jī)床刀具參數(shù)根據(jù)機(jī)床實(shí)際測(cè)量刀具直徑與出理論的直徑作比較，[（實(shí)際刀具直徑）-（理論刀具直徑）]/2=（半徑補(bǔ)償量），對(duì)比后的誤差自動(dòng)補(bǔ)正到程序里加工，消除了刀具的誤差，確保一次加工的準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率和加工精度。

（3）刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償應(yīng)用。

a.在程序頭定義變量。

在后處理程序頭定義變量，使得后處理時(shí)CAM參數(shù)輸出與機(jī)床實(shí)際參數(shù)在機(jī)床讀取數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算，從而得出所要的結(jié)果。

b.自動(dòng)對(duì)刀后處理?xiàng)l件判斷。

自動(dòng)判斷條件表達(dá)式如下：

判斷條件如表1所示。

表1 TDM對(duì)刀具直徑位置取值

如圖2所示使用自動(dòng)判斷條件設(shè)置不同的刀具在自動(dòng)對(duì)刀的激光測(cè)量的不同位置，不同的刀具的加工時(shí)接觸的刀具直徑位置，從而獲得準(zhǔn)確的刀具直徑數(shù)據(jù)，為后續(xù)自動(dòng)補(bǔ)償做好準(zhǔn)備。

圖2 不同刀具自動(dòng)對(duì)刀條件判斷示意圖

c.刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償方法。

$rdiam=($diam_-$prg_diam)/2 //計(jì)算半徑補(bǔ)償量：（實(shí)際刀具直徑-理論刀具直徑）/2，“$diam_”為一系統(tǒng)變量，指的是當(dāng)前主軸上的刀具直徑；

print $rdiam//將半徑補(bǔ)償量顯于屏幕，以使操作者判斷測(cè)量是否有誤；

r=$rdiam//補(bǔ)償結(jié)果自動(dòng)輸入“R”變量。

d.刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償實(shí)例。

為了更好的體現(xiàn)自動(dòng)刀補(bǔ)的作用，實(shí)驗(yàn)使用CAM編程軟件PowerMILL專門建立用D5.9R0.5（見圖3）和D6.1R0.5（見圖4）的刀具編程加工直身槽、3°、5°的斜槽，實(shí)際上用D6的刀具加工，相當(dāng)于加工刀具是刀擺大了0.1mm和磨損了0.1mm；理論來(lái)說(shuō)加工出來(lái)槽應(yīng)該是小0.1mm和大0.1mm。如圖5所示程序使用了自動(dòng)刀補(bǔ)產(chǎn)生作用操作員不需任何動(dòng)作，直接執(zhí)行程序加工來(lái)出的直身槽、3°、5°的斜槽，精度在±0.005mm以內(nèi)，零件加工后結(jié)果如圖6所示。

圖3 刀具D5.9R0.5

圖4 刀具D6.1R0.5

圖5 刀具半徑左補(bǔ)償程序

圖6 零件加工后結(jié)果

4 使用刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)

合理應(yīng)用刀具半徑自動(dòng)左補(bǔ)償功能、合理設(shè)置刀具半徑左補(bǔ)償值在數(shù)控加工中的重要意義，然而在實(shí)際使用時(shí)為了確保程序的正確性，必須注意以下幾個(gè)事項(xiàng)：

（1）在建立、取消刀補(bǔ)時(shí)所使用的G41、G42、G40指令的程序段中，不能使用G02或G03指令，所以在使用CAM軟件編程時(shí)后處理處理的格式必須只能同時(shí)使用G00或G01指令。

（2）在自動(dòng)刀具補(bǔ)償建立后，如果連續(xù)插入兩個(gè)或兩個(gè)以上與刀補(bǔ)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)無(wú)關(guān)的程序段時(shí)將可能造成過(guò)切現(xiàn)象[1]。如圖7所示，加工工件外輪廓時(shí)，因刀具半徑補(bǔ)償啟動(dòng)后的下兩段程序段中沒有指定平面軸的運(yùn)動(dòng)指令段，會(huì)產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象，由于CAM編程策略種類很多用于切削弧面與復(fù)雜特征，而使用刀具半徑補(bǔ)償一般加工直槽與斜槽，限制使用等高策略[2]；切出切入選擇水平圓弧如圖8所示，切出切入時(shí)要給足夠的距離給刀具補(bǔ)償?shù)慕ⅰ?/p>

圖7 等高策略長(zhǎng)連接

圖8 等高策略水平圓弧連接

編程策略不能用螺旋下刀加工如圖9所示，由于螺旋下刀Z軸是非刀補(bǔ)平面，也就作不出矢量，確定不了進(jìn)刀的方向。此時(shí)盡管用G41進(jìn)入了刀補(bǔ)狀態(tài)，但刀具中心卻并未加上刀補(bǔ)，此時(shí)就產(chǎn)生了進(jìn)刀超程。為避免上述過(guò)切發(fā)生，使用刀具半徑補(bǔ)償和取消刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，刀具必須在所補(bǔ)償?shù)钠矫鎯?nèi)移動(dòng)需要一個(gè)過(guò)程來(lái)完成，刀位點(diǎn)要有足夠的距離過(guò)渡。

圖9 等高策略螺旋加工

（3）在NC里刀具補(bǔ)嘗的半徑選擇“左”（左補(bǔ)償），所以編程策略只能使用順銑加工。

5 結(jié)論

現(xiàn)代軟件編程的時(shí)代，利用刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能進(jìn)行加工著很大的優(yōu)勢(shì)，特別是加工復(fù)雜的模具零件，減少人為手動(dòng)操作，借助精密測(cè)量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)補(bǔ)償加工，準(zhǔn)確的保證一次把零件加工到數(shù)，充分利用數(shù)控機(jī)床并發(fā)揮它的功能，為加工符合零件圖紙要求的形狀復(fù)雜不同類型的模具零件，一次準(zhǔn)確性提高零件加工的質(zhì)量將有很大意義，其在模具加工中顯得尤為重要。