基于不同数控系统数控车床刀具补偿的实现
0 引 言
目前刀具补偿的理论及其实现已经是比较成熟的技术。国内有很多书籍和文章介绍了该指令的应用原理,但由于数控系统生产厂家的不同,相同的刀具补偿的理论在具体数控系统上的实现却有着很大的不同,在我单位已建成的数控培训实验中心里,有九台生产型数控机床,数控系统包括faunc 、 sie-mens 等系统。通过几年的使用,我们发现数控编程中刀具补偿及其使用在具体数控系统上的特定性常常使用者困惑,本文就此问题,综合市场上主流的 fa unc 与siemens 系统进行比较说明,总结出其共性与个性,以供参考。
1 数控车床刀具补偿
1. 1 数控车床刀具补偿的产生
数控车床是一种自动化程度很高的加工设备,它加工精度高,稳定性好,操作劳动强度低,可以在一次装夹中完成其全部或大部分加工工序。但在数控车削中,要想正确地进行切削,满足加工精度的要求,建立车刀和工件的相对位置关系非常重要。在数控车削中,当工件夹紧后,需要通过安装在刀架上的刀具来建立起机床坐标系与工件坐标系之间的关系,也就是俗称的对刀操作。在数控车床编程中,刀尖的位置在假想位于刀架的中心点上。但在实际加工中,由于刀具的几何形状、安装位置不同,其刀尖位置相对于工件原点的距离也不相同,如果不进行补偿,在换刀后前一刀具刀尖位置和新换的刀具的刀尖位置之间会产生差异。另外刀具的磨损也会产生加工误差,若不及时利用刀具补偿功能予以补偿,同样加工不出符合图样要求形状的零件。所以必须对这种差异和偏差进行适当补偿,才能加工出正确的零件形状。在数控车床编程中将这种补偿统称为刀具补偿,简称刀补。车刀的刀补一般可分为刀具位置尺寸补偿,刀具刀尖半径补偿等。
1. 2 数控车床刀具位置尺寸的补偿
刀具位置尺寸补偿的实质是将刀具相对于工件的坐标由刀具安装的定位点移到刀尖位置。以的四工位数控车床旋转刀架为例,由图1可以看出,刀具1 相对与刀架中心的坐标为 x1 、y1 ,刀具2相对于刀架中心的位置为x2 、y2 ,因为数控车床刀具安装系统的特性,即便是尺寸*相同的两把刀具安装在同一台数控机床的旋转刀架上,其相对于刀架中心的尺寸也不可能*相同,所以需要通过对刀操作以补偿因为不同刀具相对于刀架尺寸不同而在换刀时出现的刀尖不重合的现象,简言之,就是要通过车刀位置尺寸补偿来使不同尺寸的车刀在同一个工件坐标系的坐标中运动。数控车床对刀设置的方法一般有试切对刀、机械对刀仪对刀( 接触式)、光学对刀仪对刀( 非接触式) 等。
1. 3 数控车床刀具刀尖半径的补偿
通过上面的刀具位置尺寸补偿,我们已将数控编程的坐标点设置在了刀具刀尖点上。但为了提高刀具的使用寿命和降低加工工件的表面粗糙度,通常将刀尖磨成半径不大的圆弧,一般圆弧半径尺寸在0 . 4 ～ 1. 6 mm 之间,如图 2 所示。很显然,假想刀尖点与实际切削点是不同点,当加工与坐标轴平行的圆柱面和端面轮廓时,刀尖圆弧并不影响其尺寸和形状。但当加工锥面、圆弧等非坐标方向轮廓时,刀尖圆弧将引起其尺寸和形状误差,而且刀尖圆弧半径越大,误差越大。这种误差的大小不仅与轮廓形状、走势有关。而且与刀尖圆弧半径有关,当零件加工精度要求较高时,就可能出现超差,所以如果在数控加工或数控编程时不对刀尖圆角半径进行补偿,仅按照工件轮廓编制的程序来加工,势必会产生加工误差[ 1]。
在数控加工中,可转位数控车刀刀片的刀尖一般是圆弧状,每种刀片的刀尖圆角半径是一定的,选定了刀片型号,对应刀片的刀尖圆角半径值即可确定。现代机床基本都具有车刀圆角半径补偿功能,即g41 左补偿和g42右补偿功能。在数控加工前必须在数控机床上的相应半径偏置寄存器中输入刀具圆弧半径值,加工过程中,数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自动计算假想刀尖轨迹,进行刀具圆角半径补偿,完成零件的加工。刀具半径变化时,不需修改加工程序,只需修改相应刀具补偿号的圆弧半径值即可。
在编程中判断左右刀补的过程中,遵循的原则是沿垂直于圆弧所在平面第三轴的反方向看去,再沿着刀具的前进方向看去,如果刀具在被切削工件的左侧,编程时使用刀具左补偿g41 ,如果刀具在被切削工件的右侧,编程时使用刀具右补偿g42。但是对于只有两坐标轴的数控车床来讲,加上刀架有前置和后置的区别,第三坐标的引入及圆弧顺逆判断相对耗费时间且容易出错。
实践证明,在实际生产过程中,可以不考虑右手笛卡尔坐标系,直接看零件图就判断出圆弧加工的左右补偿,即在圆弧编程时,始终只分析零件图轴线上半部分圆弧形状,当沿该段圆弧形状从起点画向终点为顺时针方向时就用go2 ,反之就用 go3。原因很简单,车床指向刀架的为x 轴的正方向,指向尾座为z 的正方向,那么前后刀架的x 轴的方向是相反的,就导致参与判断的第三轴 y 轴的正方向是相反的,一个指向纸外,一个指向纸内,如图3 所示。在后置刀架的数控车床加工中,由于 y 轴指向纸外,在 xoz 坐标系中我们直接选择工件的零件图轴线上半部分圆弧形状判断圆弧顺逆,而前置刀架的数控车床y 轴指向纸内,我们选择工件的零件图轴线下半部分圆弧形状判断圆弧顺逆时应该从纸内向纸外观察,其结果正好与
前置刀架的判断相同,因此,无论是前置后置刀架,我们可以只分析零件图轴线上半部分圆弧形状的顺逆情况进行编程。
2 不同数控系统数控车床刀具补偿功能实现
2. 1 fan uc 0i 数控车床系统的实现
fanuc 系统是日本富士通公司的产品,通常其中文译名为发那科。fanuc 系统进入中国市场有非常悠久的历史, 有多种型号的产品在使用,使用较为广泛的产品有 fan uc 0 、fanuc 16 、fan uc 18 、fan uc 21 等。在这些型号的产品中,使用广泛的是fan uc 0 系列,其中 fan uc0i数控车床系统更是*高的系统之一。
在fan uc 的数控编程中,用 t 功能选择刀具并调用刀具补偿,其格式为 t xx x x ,其中前两个 xx为刀具号,后两个 x x 为刀具补偿号,如 t0202。如果刀具补偿号为00 , 则 表 示 取 消 刀 补。 按 下offse t se tting 后在 crt 上显示刀具补正界面,按下补正对应的功能软件后在crt 上将显示磨耗和形状两个选项,如图4 所示,其中一般将对刀结果存储在形状存储器中,而磨耗存储器中一般用于输入切削余量和修正对刀结果以及由于刀具磨损形成的零件加工误差。磨耗和形状均对应刀具位置补偿( x 和 z 值) 和刀具圆弧半径补偿( r 和 t 值) 共 4 个参数。在加工之前,将对刀结果和相应的磨耗补偿输人到对应的存储器crt 上显示。在自动执行过程中,数控系统按该存储器中的 x 、 z 、r 、t 的数值,自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿[ 2]。
需要特别说明的是fanuc 的刀具补偿存储器是公用的,一般使用与刀具名称相同的刀具补偿存储器,例如 t0202 ,如果需要也可以同一把刀具使用多个刀具补偿存储器,如 t0202 , t0203。这种情况一般出现在使用同一把刀做粗精加工,所以使用不同的刀具补偿来实现加工余量的预留。但是很少出现t0202 , t0302 这种情况,这样表示 t02 和 t03 共用一个相同的 02 号刀具补偿存储器,这就要求t02 和 t03 刀尖相对于刀架中心的x 和 y 坐标*相同,这在生产实践中是不可能实现的。
2. 2 siemens 802s/c 数控车床系统的实现
总部位于柏林和慕尼黑的西门子集团公司是大的电气工程和电子公司之一。旗下的数控 系统主要有 sinumerik 802s 、 802c 、802d 、 810d 、 840d 等。在这些型号中经济型数控系统 sin umerik 802s 和普及型数控系统 si-n umerik 802c 使用较为广泛,而且有着基本相同的操作界面。
在siemens 数控系统中,使用 txx 调用刀具,其刀具补偿号由 dx x 指令,其后的数字表示刀具偏置存储器号。例如 t01 d01 ,如图5所示,对应刀具位置补偿中,长度 1 就是x 轴方向的补偿,长度2 就是z 轴方向的补偿,刀具圆弧半径补偿值 r 填在半径存储器里。与 fanuc系统相同,其中一般将对刀结果存储在长度对应的几何尺寸中,而长度对应的损存储器一般用于输入切削余量和修正对刀结果以及由于刀具磨损形成的零件加工误差。在自动执行过程中,数控系统调用该存储器中的长度1 、长度2 、半径的几何尺寸和磨损值叠加的数值,自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿[ 3 ]。
特别说明的是, siemens 数控系统中刀具补偿存储器是专属的,例如 t01 d01表示调用1 号刀具同时调用1 号刀具的1 号刀补,同理 t02 d01 表示调用2 号刀具同时调用2 号刀的1 号刀补,两个d01分属于各自刀具,并没有任何关系。这是因为在siemens 数控系统中,每一把刀具都有其专属多个的刀具补偿存储器并且互相没有关系,而如果在程序中出现 t01 d01 , t01 d02 这种情况,一般也是使用同一把刀具做粗精加工,调用同属于t01 号刀具的两个具有不同数值的刀具补偿存储器。
3 结束语
总之,数控车床的刀具补偿问题是数控加工中应该详细了解和灵活使用的基本方法,操作者和编程人员都必须十分清楚补偿的原理和操作。需要特别指出的是,不管使用何种方式对切削误差进行补偿,其补偿量都不一定*准确,这是由于在对刀过程中的视觉误差,切削阻力的大小,工件受力形变等原因的影响造成的。刀补量的确定终还要通过试切工件,对工件进行测量,然后再对相应的刀补值进行进一步的修改以便加工出*符合设计要求的工件。
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1 数控车床刀具补偿
1. 1 数控车床刀具补偿的产生
数控车床是一种自动化程度很高的加工设备,它加工精度高,稳定性好,操作劳动强度低,可以在一次装夹中完成其全部或大部分加工工序。但在数控车削中,要想正确地进行切削,满足加工精度的要求,建立车刀和工件的相对位置关系非常重要。在数控车削中,当工件夹紧后,需要通过安装在刀架上的刀具来建立起机床坐标系与工件坐标系之间的关系,也就是俗称的对刀操作。在数控车床编程中,刀尖的位置在假想位于刀架的中心点上。但在实际加工中,由于刀具的几何形状、安装位置不同,其刀尖位置相对于工件原点的距离也不相同,如果不进行补偿,在换刀后前一刀具刀尖位置和新换的刀具的刀尖位置之间会产生差异。另外刀具的磨损也会产生加工误差,若不及时利用刀具补偿功能予以补偿,同样加工不出符合图样要求形状的零件。所以必须对这种差异和偏差进行适当补偿,才能加工出正确的零件形状。在数控车床编程中将这种补偿统称为刀具补偿,简称刀补。车刀的刀补一般可分为刀具位置尺寸补偿,刀具刀尖半径补偿等。
1. 2 数控车床刀具位置尺寸的补偿
刀具位置尺寸补偿的实质是将刀具相对于工件的坐标由刀具安装的定位点移到刀尖位置。以的四工位数控车床旋转刀架为例,由图1可以看出,刀具1 相对与刀架中心的坐标为 x1 、y1 ,刀具2相对于刀架中心的位置为x2 、y2 ,因为数控车床刀具安装系统的特性,即便是尺寸*相同的两把刀具安装在同一台数控机床的旋转刀架上,其相对于刀架中心的尺寸也不可能*相同,所以需要通过对刀操作以补偿因为不同刀具相对于刀架尺寸不同而在换刀时出现的刀尖不重合的现象,简言之,就是要通过车刀位置尺寸补偿来使不同尺寸的车刀在同一个工件坐标系的坐标中运动。数控车床对刀设置的方法一般有试切对刀、机械对刀仪对刀( 接触式)、光学对刀仪对刀( 非接触式) 等。
1. 3 数控车床刀具刀尖半径的补偿
通过上面的刀具位置尺寸补偿,我们已将数控编程的坐标点设置在了刀具刀尖点上。但为了提高刀具的使用寿命和降低加工工件的表面粗糙度,通常将刀尖磨成半径不大的圆弧,一般圆弧半径尺寸在0 . 4 ～ 1. 6 mm 之间,如图 2 所示。很显然,假想刀尖点与实际切削点是不同点,当加工与坐标轴平行的圆柱面和端面轮廓时,刀尖圆弧并不影响其尺寸和形状。但当加工锥面、圆弧等非坐标方向轮廓时,刀尖圆弧将引起其尺寸和形状误差,而且刀尖圆弧半径越大,误差越大。这种误差的大小不仅与轮廓形状、走势有关。而且与刀尖圆弧半径有关,当零件加工精度要求较高时,就可能出现超差,所以如果在数控加工或数控编程时不对刀尖圆角半径进行补偿,仅按照工件轮廓编制的程序来加工,势必会产生加工误差[ 1]。
在数控加工中,可转位数控车刀刀片的刀尖一般是圆弧状,每种刀片的刀尖圆角半径是一定的,选定了刀片型号,对应刀片的刀尖圆角半径值即可确定。现代机床基本都具有车刀圆角半径补偿功能,即g41 左补偿和g42右补偿功能。在数控加工前必须在数控机床上的相应半径偏置寄存器中输入刀具圆弧半径值,加工过程中,数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自动计算假想刀尖轨迹,进行刀具圆角半径补偿,完成零件的加工。刀具半径变化时,不需修改加工程序,只需修改相应刀具补偿号的圆弧半径值即可。
在编程中判断左右刀补的过程中,遵循的原则是沿垂直于圆弧所在平面第三轴的反方向看去,再沿着刀具的前进方向看去,如果刀具在被切削工件的左侧,编程时使用刀具左补偿g41 ,如果刀具在被切削工件的右侧,编程时使用刀具右补偿g42。但是对于只有两坐标轴的数控车床来讲,加上刀架有前置和后置的区别,第三坐标的引入及圆弧顺逆判断相对耗费时间且容易出错。
实践证明,在实际生产过程中,可以不考虑右手笛卡尔坐标系,直接看零件图就判断出圆弧加工的左右补偿,即在圆弧编程时,始终只分析零件图轴线上半部分圆弧形状,当沿该段圆弧形状从起点画向终点为顺时针方向时就用go2 ,反之就用 go3。原因很简单,车床指向刀架的为x 轴的正方向,指向尾座为z 的正方向,那么前后刀架的x 轴的方向是相反的,就导致参与判断的第三轴 y 轴的正方向是相反的,一个指向纸外,一个指向纸内,如图3 所示。在后置刀架的数控车床加工中,由于 y 轴指向纸外,在 xoz 坐标系中我们直接选择工件的零件图轴线上半部分圆弧形状判断圆弧顺逆,而前置刀架的数控车床y 轴指向纸内,我们选择工件的零件图轴线下半部分圆弧形状判断圆弧顺逆时应该从纸内向纸外观察,其结果正好与
前置刀架的判断相同,因此,无论是前置后置刀架,我们可以只分析零件图轴线上半部分圆弧形状的顺逆情况进行编程。
2 不同数控系统数控车床刀具补偿功能实现
2. 1 fan uc 0i 数控车床系统的实现
fanuc 系统是日本富士通公司的产品,通常其中文译名为发那科。fanuc 系统进入中国市场有非常悠久的历史, 有多种型号的产品在使用,使用较为广泛的产品有 fan uc 0 、fanuc 16 、fan uc 18 、fan uc 21 等。在这些型号的产品中,使用广泛的是fan uc 0 系列,其中 fan uc0i数控车床系统更是*高的系统之一。
在fan uc 的数控编程中,用 t 功能选择刀具并调用刀具补偿,其格式为 t xx x x ,其中前两个 xx为刀具号,后两个 x x 为刀具补偿号,如 t0202。如果刀具补偿号为00 , 则 表 示 取 消 刀 补。 按 下offse t se tting 后在 crt 上显示刀具补正界面,按下补正对应的功能软件后在crt 上将显示磨耗和形状两个选项,如图4 所示,其中一般将对刀结果存储在形状存储器中,而磨耗存储器中一般用于输入切削余量和修正对刀结果以及由于刀具磨损形成的零件加工误差。磨耗和形状均对应刀具位置补偿( x 和 z 值) 和刀具圆弧半径补偿( r 和 t 值) 共 4 个参数。在加工之前,将对刀结果和相应的磨耗补偿输人到对应的存储器crt 上显示。在自动执行过程中,数控系统按该存储器中的 x 、 z 、r 、t 的数值,自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿[ 2]。
需要特别说明的是fanuc 的刀具补偿存储器是公用的,一般使用与刀具名称相同的刀具补偿存储器,例如 t0202 ,如果需要也可以同一把刀具使用多个刀具补偿存储器,如 t0202 , t0203。这种情况一般出现在使用同一把刀做粗精加工,所以使用不同的刀具补偿来实现加工余量的预留。但是很少出现t0202 , t0302 这种情况,这样表示 t02 和 t03 共用一个相同的 02 号刀具补偿存储器,这就要求t02 和 t03 刀尖相对于刀架中心的x 和 y 坐标*相同,这在生产实践中是不可能实现的。
2. 2 siemens 802s/c 数控车床系统的实现
总部位于柏林和慕尼黑的西门子集团公司是大的电气工程和电子公司之一。旗下的数控 系统主要有 sinumerik 802s 、 802c 、802d 、 810d 、 840d 等。在这些型号中经济型数控系统 sin umerik 802s 和普及型数控系统 si-n umerik 802c 使用较为广泛,而且有着基本相同的操作界面。
在siemens 数控系统中,使用 txx 调用刀具,其刀具补偿号由 dx x 指令,其后的数字表示刀具偏置存储器号。例如 t01 d01 ,如图5所示,对应刀具位置补偿中,长度 1 就是x 轴方向的补偿,长度2 就是z 轴方向的补偿,刀具圆弧半径补偿值 r 填在半径存储器里。与 fanuc系统相同,其中一般将对刀结果存储在长度对应的几何尺寸中,而长度对应的损存储器一般用于输入切削余量和修正对刀结果以及由于刀具磨损形成的零件加工误差。在自动执行过程中,数控系统调用该存储器中的长度1 、长度2 、半径的几何尺寸和磨损值叠加的数值,自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿[ 3 ]。
特别说明的是, siemens 数控系统中刀具补偿存储器是专属的,例如 t01 d01表示调用1 号刀具同时调用1 号刀具的1 号刀补,同理 t02 d01 表示调用2 号刀具同时调用2 号刀的1 号刀补,两个d01分属于各自刀具,并没有任何关系。这是因为在siemens 数控系统中,每一把刀具都有其专属多个的刀具补偿存储器并且互相没有关系,而如果在程序中出现 t01 d01 , t01 d02 这种情况,一般也是使用同一把刀具做粗精加工,调用同属于t01 号刀具的两个具有不同数值的刀具补偿存储器。
3 结束语
总之,数控车床的刀具补偿问题是数控加工中应该详细了解和灵活使用的基本方法,操作者和编程人员都必须十分清楚补偿的原理和操作。需要特别指出的是,不管使用何种方式对切削误差进行补偿,其补偿量都不一定*准确,这是由于在对刀过程中的视觉误差,切削阻力的大小,工件受力形变等原因的影响造成的。刀补量的确定终还要通过试切工件,对工件进行测量,然后再对相应的刀补值进行进一步的修改以便加工出*符合设计要求的工件。
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