數控金屬加工銑床的刀具半徑補償應用研究

孟 銳

（四川航天川南火工技術有限公司，四川 瀘州 646000）

在加工數控銑床的過程中，金屬加工銑床的刀具一般看作一個隨時可以移動的點[1]。為了控制好金屬加工銑床刀具的移動位置，就必須讓銑刀具有一個定值的半徑。所謂銑床刀具的半徑補償也就是數控金屬加工銑床刀具中心的軌跡，要想讓簡化操作工程，操作工人總是按零件輪廓編制加工程序[2]。同時在加工的過程中還需要的數控金屬零件的實物輪廓，來保障在進行內輪廓加工時，向零件的內側偏移的刀具有一個準確的刀具半徑值。在進行外輪廓加工的過程中，金屬加工銑床刀具也要向零件的外側偏移一個，從而得到一個準確的外側刀具半徑值，來確保工件加工的合格性。如果在數控銑床加工的過程中，銑床刀具輪廓上加上或減去銑刀的半徑值，就會導致極大的增加操作工人的作業強度，同時降低了他們的工作效率。本文引進了新型技術RTCP應用到刀具半徑的補償應用研究中，來提高數控金屬加工銑床的工作效率，以下為應用RTCP三維刀具長度補償工作流程的介紹。

1 基于RTCP功能三維刀具長度補償應用

1.1 定義銑刀參數

要想應用RTCP功能來完成對三維刀具長度的補償，就必須先對銑床的刀具半徑類型及其參數定義進行研究和分類[3]。數控金屬加工銑床的加工過程中首先要清楚所需要的銑刀的三種類型即：環形刀、球型刀和平底刀。為了將這些不同類型的銑刀進行統一的參數定義，首先要定義整體刀具的半徑為R，其次定義刀刃半徑為R1，然后在空間直角坐標系中建立刀具的參數坐標值：對于環形刀，其刀具中心坐標為(0，R)，刀刃圓心坐標為(R1，0)；對于球型到其刀具中心坐標為點(R，0)，為刀刃圓心為(R1，0)；對于平底刀，其刀具中心坐標為(R，R1)，刀刃圓心坐標為(0，0)。刀具中心點在機床坐標系中的定位是刀具位置描述的重要依據，也是刀具半徑補償的關鍵。

1.2 定位刀具中心點

在定義了銑刀參數之后，還需要確定三維刀具長度補償的直角坐標系中的確切位置，正需要使用CAD繪圖軟件來給數控金屬銑床繪制仿真模型。在繪圖過程中要重點繪制金屬銑床中離散刀具的位置和姿態，以便對應刀具切觸點位置數據的最大非線性誤差值[4]。繪制出的金屬銑床三維模擬圖經過簡單的數據整理，就可以得到相應的數控代碼內容。在定位三維刀具半徑中心點是，CAD繪圖軟件系統將根據刀具變換前后刀具和刀刃的空間直角坐標值，來重新定位刀具中心點。通常來說，環形刀的刀具參數具有特異性，其主要特異性包括以下兩個特征。第一個特征為在銑削過程中，因為刀具刀刃必須保持與數控金屬銑床表面的相外切關系的幾何關系，所以刀具切觸點的法向量n會在時常經過刀刃圓弧的圓心坐標出;第二個特征為，因為刀具操作是其姿勢不能改變，法向量n的方向也不能發生轉變，所以數控金屬三維刀具的半徑補償，可以看作是刀具中心點隨刀刃圓心在切觸點法向n上的平移和旋轉過程中的偏置總和。其中、刀具切觸點的法向單位n的確定就是三維刀具半徑補償的關鍵之處。

1.3 基于RTCP功能完成三維刀具長度補償

所謂RTCP功能是為了降低三維刀具長度補償過程中的最大非線性誤差值，從而提高金屬銑床加工的生產效率。RTCP功能的作用原理為首先激活RTCP功能后輸入在空間直角坐標系中；其次刀具中心點信息可以經過坐標變換而更為精確的數控金屬加工銑床目標直線端位置[5]。基于RTCP功能的三維刀具長度補償針對不同類型的刀具，來確定了其刀具半徑的控制精度，從而按要求繪制出三維加工控制軸的目標直線端位置，其中為數控加工過程中的主要步驟如下:第一步為制作目標直線端的插補對象，其參照目標為數控系統的中心點軌跡；第二步為參照各個插補周期中刀具的平移或旋轉情況，來確定刀具中心點軌跡插補點在空間直角坐標系中的位置；第三步為參考不同的刀具長度，進而確定出機床控制軸中心點在空間直角坐標系中的位置；第四步為根據系統循環執行前三個步驟，直至三維直線段確定出目標直線端的全部物理位置；最后一步為連接這些機床控制軸中心點，便獲得了不同刀具長度的三維加工控制軸中心點軌跡。基于RTCP功能的三維刀具長度補償很好地實現了對不同長度刀具的非線性誤差補償[6]。數控系統將控制機床控制軸中心點按照上述軌跡運動，從而實現刀具中心點對目標軌跡的逼近。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

本實驗采用RTCP功能三維銑床刀具半徑補償方法和傳統方法仿真對比實驗，其實驗流程為：首先在計算機軟件中建立相應的三維模型；然后應用RTCP功能三維銑床刀具半徑補償方法和傳統方法分別對三維模型進行加工仿真操作，最后將兩種方法得到的結果目標值線段等分為1，2，3，4，5五個相同階段，分別對比每個階段的最大非線性誤差情況，來驗證RTCP功能三維銑床刀具半徑補償方法的實用價值。

2.2 結果討論

以下為兩種方法得到的三維銑床刀具半徑補償方法中最大非線性誤差對比結果：

圖1 為最大非線性誤差對比結果圖

根據圖像可知，基于RTCP方法比傳統方法可得到更小的最大非線性誤差。基于RTCP功能的三維刀具長度補償很好地實現了對不同長度刀具的非線性誤差補償，進而做到了讓刀具中心點對目標軌跡的逼近，證實了基于RTCP功能三維刀具長度補償方法的實用價值。

3 結束語

刀具半徑補償在數控加工過程中具有至關重要的作用，有了確定的刀具半徑就可以保證其操作過程中的靈活可控性。通過運用RTCP功能三維刀具長度補償可以更加有效的降低操作過程中的誤差、進而提高了數控加工的工作效率。當下RTCP功能銑床系統的數控加工技術還需要進一步的發展和探索，其中添加網絡功能和多語言支持等功能應用過程很是繁瑣。金屬數控加工的網絡化是當今數控系統發展的重中之重。添加網絡功能可以有助于突破傳統數控系統分離和單一化的生產組織模式，進而為實現先進且高效的生產管理模式提供技術支持。