刀具半徑自動補償技術研究應用

蔡志榮，楊尚輝，梁其杲，鄭鑫遠

（珠海格力精密模具有限公司，廣東珠海519070）

關建詞：數控；刀具；補償；自動化

1 引言

本文所論述的數控加工中心刀具自動補償是建立在有激光對刀儀的數控設備。在智能制造和自動化無人化加工的背景下，對機床的自動加工要求是越來越高，刀具制造的誤差和加工制造后的刀具磨損嚴重影響著加工質量，傳統的手動半徑補償已無法滿足自動化加工需求；以羅德斯RMS6裝置數控系統為基礎，分析研究了刀具自動補償技術應用，通過CAM軟件編程后產生NC直接給指令到機床測量刀具直徑后論理直徑與實際直徑對比后的誤差自動補正到程序里加工，提高生產效率和加工精度具有一定實用意義。

2 刀具補償現狀

目前刀具半徑補償功能只用于使零件輪廓能被直接用來編程，而不考慮刀具的尺寸，CNC能根據零件輪廓和存放在刀具表中的尺寸自動地計算刀具的軌跡。因此刀具半徑補償功能使編程簡化可以縮短數控編程前的準備時間，克服手工計算編程節點的繁瑣性和不準確性，提高了編程效率的準確性，但對于現在CAM軟件編程時代已沒有太大的優勢，但機加工過程中刀具加工誤差CAM也無法解決。

機加工過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刀柄與刀具裝夾產生的誤差；③刀具本身的制造誤差；④刀具磨損的誤差。現在很多工廠為保證消除刀具加工過程中誤差以往做法，根據平時刀具的公差編程時在程序里用負余量來控制精度，編程設計員做3條程序給操作員偏數加工，加工完成一條程序先測量，如果不到尺寸再加工下一條負余量的程序。但平時每一批刀具的尺寸都不一樣，而且經過刀頭和機頭都會有累積誤差，所以加工質量不穩定，往往加工出來要不就有余量，要不就是加工過切。編程做3條刀路給操作員偏數加工，缺點效率低，而且操作員偏數有人為因素在里面容易出錯。

3 刀具半徑自動補償技術應用

（1）刀具半徑補償。

如圖1所示，基礎的刀具半徑補償分：刀具半徑左補償（G41）指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的左方，刀具半徑右補償（G42）指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的右方。取消刀具半徑補償用G40指令。刀具半徑補償的工作過程可以分為建立刀補，執行刀補和取消刀補3個過程。

圖1 刀具半徑左、右補償示意圖

（2）刀具半徑自動補償原理。

通過CAM編程+自動對刀+變量刀具補償實現刀具半徑自動補償；后處理程序程序里產生設定好的變量來控制刀具補償值；執行程序加工時對刀指令使用對刀儀測出刀具實際直徑，輸入機床刀具參數根據機床實際測量刀具直徑與出理論的直徑作比較，[（實際刀具直徑）-（理論刀具直徑）]/2=（半徑補償量），對比后的誤差自動補正到程序里加工，消除了刀具的誤差，確保一次加工的準確性，提高生產效率和加工精度。

（3）刀具半徑自動補償應用。

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CAM參數輸出與機床實際參數在機床讀取數據時計算，從而得出所要的結果。

b.自動對刀后處理條件判斷。

自動判斷條件表達式如下：

判斷條件如表1所示。

表1 TDM對刀具直徑位置取值

如圖2所示使用自動判斷條件設置不同的刀具在自動對刀的激光測量的不同位置，不同的刀具的加工時接觸的刀具直徑位置，從而獲得準確的刀具直徑數據，為后續自動補償做好準備。

圖2 不同刀具自動對刀條件判斷示意圖

c.刀具半徑自動補償方法。

$rdiam=($diam_-$prg_diam)/2 //計算半徑補償量：（實際刀具直徑-理論刀具直徑）/2，“$diam_”為一系統變量，指的是當前主軸上的刀具直徑；

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

r=$rdiam//補償結果自動輸入“R”變量。

d.刀具半徑自動補償實例。

為了更好的體現自動刀補的作用，實驗使用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，實際上用D6的刀具加工，相當于加工刀具是刀擺大了0.1mm和磨損了0.1mm；理論來說加工出來槽應該是小0.1mm和大0.1mm。如圖5所示程序使用了自動刀補產生作用操作員不需任何動作，直接執行程序加工來出的直身槽、3°、5°的斜槽，精度在±0.005mm以內，零件加工后結果如圖6所示。

圖3 刀具D5.9R0.5

圖4 刀具D6.1R0.5

圖5 刀具半徑左補償程序

圖6 零件加工后結果

4 使用刀具半徑自動補償的注意事項

合理應用刀具半徑自動左補償功能、合理設置刀具半徑左補償值在數控加工中的重要意義，然而在實際使用時為了確保程序的正確性，必須注意以下幾個事項：

（1）在建立、取消刀補時所使用的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軟件編程時后處理處理的格式必須只能同時使用G00或G01指令。

（2）在自動刀具補償建立后，如果連續插入兩個或兩個以上與刀補平面內運動坐標無關的程序段時將可能造成過切現象[1]。如圖7所示，加工工件外輪廓時，因刀具半徑補償啟動后的下兩段程序段中沒有指定平面軸的運動指令段，會產生過切現象，由于CAM編程策略種類很多用于切削弧面與復雜特征，而使用刀具半徑補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，切出切入時要給足夠的距離給刀具補償的建立。

圖7 等高策略長連接

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軸是非刀補平面，也就作不出矢量，確定不了進刀的方向。此時盡管用G41進入了刀補狀態，但刀具中心卻并未加上刀補，此時就產生了進刀超程。為避免上述過切發生，使用刀具半徑補償和取消刀具半徑補償時，刀具必須在所補償的平面內移動需要一個過程來完成，刀位點要有足夠的距離過渡。

圖9 等高策略螺旋加工

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

5 結論

現代軟件編程的時代，利用刀具半徑自動補償功能進行加工著很大的優勢，特別是加工復雜的模具零件，減少人為手動操作，借助精密測量數據作為基礎，系統計算結果自動補償加工，準確的保證一次把零件加工到數，充分利用數控機床并發揮它的功能，為加工符合零件圖紙要求的形狀復雜不同類型的模具零件，一次準確性提高零件加工的質量將有很大意義，其在模具加工中顯得尤為重要。