（机械制造及其自动化专业论文）数控机床c机能刀具半径补偿技术研究.pdf

数控机床c 机能刀具半径补偿技术研究 摘要 计算机数控系统中的刀具半径补偿模块，用来规划轮廓转接处的刀具中心 轨迹。该模块根据工件加工程序中的编程轨迹和刀具偏置方向，以及刀具半径 来计算轮廓转接处的刀具中心轨迹。现代数控机床通常配备c 机能刀具半径补 偿模块，其转接轨迹都为直线段。 本文先综述了数控技术，刀具半径补偿原理；然后重点研究了同时处理两 段编程轨迹时，c 机能刀具中心轨迹转接的矢量算法和平面解析几何算法。分 别研究了缩短型、伸长型，插入型刀补中各种情况的具体算法。缩短型和伸长 型的算法思想可以概括为求编程轨迹在加工侧等距线的交点。由于插入型的非 加工侧夹角较小，为优化加工在转接点加工侧插入一直线段。为了避免过切， 最后研究了同时处理三段编程轨迹的刀具中心轨迹转接算法。 关键词：c 机能刀具半径补偿；编程轨迹；刀具中心轨迹；过切 r e s e a r c ho nc - - f u n c t i o nt o o l sr a d i u sc o m p e n s a t i o n o fc n c t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h em o d u l ew i t ht o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o ni nc n c ，b a s e d o nt h e p r o g r a m m i n gc o n t o u r ，t h eo f f s e t t i n gd i r e c t i o no ft o o la n d t h et o o lr a d i u s ，c o u l db e u s e dt or e f o r mt h et o o lc e n t r a lt r a j e c t o r yw h e r et w oc o n t o u r sm e e t t h em o d e r n c n cm a c h i n i n gt o o l su s u a l l ya r ee q u i p p e dw i t ht h em o d u l ew i t ht o o lr a d i u so f f u n c t i o n “c ”，n a m e l y ，t h em e e t i n gc o n t o u ri s l i n e t h ep a p e rs u m m a r i z e sf i r s t l yt h ep r i n c i p l eo fn ct e c h n o l o g ya n dt o o lr a d i u s c o m p e n s a t i o n a n dt h e nf o c u st 0 0 1r a d i u so ff u n c t i o n “c ”o ns p e c i f i cv e c t o r a n d a n a l y t i cg e o m e t r ya l g o r i t h m ，w h i c hi n c l u d e sr e s p e c t i v e l yc u t t i n g ，e l o n g a t i n g ， i n s e r t i n g ，w h e nt w op r o g r a m m i n gc o n t o u r sa r et r e a t e ds i m u l t a n e o u s l y t h em e t h o d a b o u tc u t t i n ga n de l o n g a t i n gc a nb es u m m a r i z e dt og e tt h ei n t e r s e c t i o np o i n to f m a c h i n i n gc o n t o u r a sf o rt h ei n s e r t i n g ，as m a l ll i n ei s i n s e r t e da tm e e t i n gc o n t o u r f o ro p t i m i z i n gm a c h i n i n g ，b e c a u s eo ft h ef e w e ra n g l e sa tt h en o n m a c h i n i n gs i d e f i n a l l y ，i no r d e rt oa v o i do v e r c u t t i n g ，t h ea l g o r i t h ma b o u tm e e t i n go ft h r e e t o o l c e n t r a lc o n t o u risr e s e a r c h e d k e yw o r d s ：t o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o no ff u n c t i o n c ；p r o g r a m m i n gc o n t o u r ； t o o lc e n t r a lc o n t o u r ；o v e r c u t 一5 一 插图清单 图2 一l刀具半径补偿示意图8 图2 2b 机能直线刀补9 图2 3b 机胄邑圆弧刀j h 1o 图2 4c 机能刀补计算流水作业1 2 图2 5矢量夹角的定义12 图2 6刀具中心轨迹的转接方式13 图2 7刀补的粗、精加工1 4 图2 8零件加工实例1 4 图3 1直线段的单位向量及法向矢量1 6 图3 - 2圆弧段端点的切向矢量及法向矢量17 图3 3矢量法求矢量夹角19 图3 - 4平面解析几何法求矢量夹角19 图3 5圆心坐标2 0 图3 - 6刀补建立( 缩短型) 2 2 图3 7刀补撤消( 缩短型) 23 图3 - 8直线段与直线段连接的刀补进行( 缩短型) 2 3 图3 9直线及其平行线2 4 图3 10两直线的交点2 5 图3 1 l缩短型直线段与圆弧段连接2 5 图3 12直线段与圆弧段连接( 缩短型) 2 7 图3 13求圆与直线的交点2 8 图3 一l4圆弧段与圆弧段连接( 缩短型) 2 9 图3 15圆与圆的交点3 0 图3 16伸长型刀补建立和撤消( 直线与直线) 31 图3 17伸长型刀补建立( 直线与圆弧) 3 1 图3 18伸长型刀补撤消( 圆弧与直线) 3 2 图3 一l9圆弧段与圆弧段连接( 伸长型) 3 2 图3 - 20刀补进行中的伸长型3 3 图3 21直线段与直线段连接( 插入型) 3 4 图3 22到某直线为r 且到直线上某点也为r 的点3 4 图3 23程序流程图3 6 图3 - 24凸轮3 7 图4 一l直线加工的过切4 0 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 o 1 2 3 5 4 4 4 4 4 削型型型 一 切短长入 一 过缩伸插 一 工一 一 一例加型型型实弧短短短削圆缩缩缩铣 表2 1 表3 一l 表3 2 表3 - 3 表3 4 表3 - 5 表格清单 关于g 机能的刀具半径补偿指令9 a 点处的法向矢量18 刀补类型与夹角的对应关系2o 圆心的选择21 圆弧段与圆弧段连接( 缩短型) 3 0 编程轨迹和刀补中心轨迹对应的点3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字 签字日期刎年肇矽日 本学位论文作者完全了解金且巴工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金肥至业太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 康亥毛 签字日期别年够月妒日 一名：杉芬吨 签字日期： 4 成勿日 嚣裹猫掰稼氟荆差眇司蚝枷州z 通讯地址名戈眯册潞7 l ? 7 弓 自5 编：z 歹嘭箩 一3 一 致谢 本文从题目的确定到框架的构建，直至正文的写作，无不倾注着导师桂贵生 教授的大量心血。在此谨向桂教授致以诚挚的谢意。同时衷心感谢本实验室的 路广硕士、李晓磊硕士、张春伟硕士在我写大论文时期给予笔者大量帮助。 研究生生活即将结束，在踏入社会之际特向关心支持我的人们表示感谢。 首先感谢我的父母，一直以来都能得到你们最大的支持。 感谢我的启蒙老师石美琴带我进入了学生生活；感谢数学老师汤百里让我 对数学有了兴趣：感谢初中班主任纪连平启迪了我很多有益的思想；感谢物理 老师张月清在我的学习中得到你很多帮助。同时也衷心感谢其他老师们，你们 共同教会了我很多基本的知识技能和有益的思想方法。 感谢我的同学及伙伴袁玲君、孙晓宇、杨健、黄巍、雷冬、黄荣德、陈光 耀、路广；感谢我的同学及好友王世尧、袁美玲、杨丽英、纪小行、孟超、张 亮、宋智燕、闻诚；感谢实验室的同学时晓蕾、吕游、滕二、张艳、张大勇、 高雷、邱优峰、张烨、王月娥、路坦、王向东。 作者：康家乐 2 0 0 9 年4 月1 4 日 第一章绪论 1 1 引言 数控技术及装备是现代先进制造技术的基础和核心，是发展新兴高新技术 产业和尖端工业的智能技术和最基本的装备，是衡鼍个国家国际竞争力的重 要标志，也是国防军工装餐发展懿战略物质。它的技术水平和现代化程度决定 着整个国民经济的水平和现代化程度n 】。加快发展数控机床产业是我国装备制 造业发展的现实要求。我国将高档数控机床及基础制造装备列为中长期规划1 6 个重大专项之一，并于2 0 0 9 年开始癌动。豳自动枫床、组合机床和专焉机床组 成的自动化或半自动化生产线，是用于对大批量生产的产品进行高效加工的重 要装备。但是，机械制造工业中，单件小批量生产的零件占枫械加工总量的 7 5 - - - 8 0 ，尤其是宇航、造船、机床、重型机械及囡防工业部门的些零件， 其精度高、形状复杂、加工批量小，且改型频繁、更新换代快，采用普通机床 加工这些零件，效率低、劳动强度大，有时甚至不能加工。采用专用的自动槐 床加工这类零件显得很不合理，而调整或改装专用的“刚性”自动化生产线投 资大，周期长，有时甚至不可能实现n 3 。力此，迫切需要一种灵活的、通用的、 能够适应产品频繁变化的“柔性 自动化机床或生产线。现代集成制造技术应 运两生，它以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传 感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术等有机的结合在一起，构成高度 信息化高度柔性、高度自动化的制造系统。它从根本上改变了过去的手工绘图、 蹶图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。现代制造技术可以大幄度降 低产品设计、制造周期，提高产品设计、制造质量，以适应当前空前激烈的市 场竞争。 数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y ) 是指用数字量及字符发蹴指 令并实现自动控制的技术，它是制造业实现自动化、柔性化和集成化生产的基 础技术。幽于计算机应用技术的发展，数控系统均采用了计算机数控，篱称c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，以区别于传统的n c 。c n c 装置系统软件是具 有实时性和多任务性的专用操作系统；从机能特征来看，该操作系统由c n c 管 理软件和c n c 控制软件两部分组成豫1 。管理软件主要为某个系统建立一个软件 环境，协调各软件模块之间的关系，并处理一些实时性不太强的事件，如i 0 处理程序、显示程序和诊断程序等。控制软件主要完成系统中一些实时性要求 较高的关键控制机能，包括译码程序、刀具半径补偿计算程序、速度控制程序、 插补运算程序、馕置控制程序和主轴控制程序等。 1 。2 数控机床简介 1 2 1 数控机床的特点 1 数控机床的加工特点 1 ) 加工精度高、质量稳定 数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，目前数控机床的脉冲当量( 即 每输出一个脉冲后机床移动部件相应的移动量) 可达到o 0 1 0 0 0 0 1 m m ，而且 进给传动链的反向间隙与丝杆螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数 控机床可以获得比机床本身精度更高的加工精度，且加工质量稳定h 1 。 2 ) 生产效率高 数控机床主轴转速和进给量的变化范围比普通机床大，每一道工序都可选 用最佳的切削用量，这就有利于提高数控机床的切削效率。数控机床移动部件 的快速移动和定位均采用加速、减速控制，并可以选用很高的空行程运动速度， 从而缩短了定位和非切削时间。工件装夹时间短，对刀、换刀快，更换被加工 工件时几乎不需要重新调整机床，节省了工件安装调整时间。带有刀库和自动 换刀装置的数控加工中心可实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更为明 显。与普通机床相比，数控机床的生产效率可提高2 3 倍，有些可提高几十倍。 3 ) 适应性强 数控机床采用数字程序控制，当加工对象改变时，只要重新编制零件加工 程序并输入，就能够实现对新零件的自动化加工。因此，在同一台机床上可实 现对不同品种及尺寸规格零件的自动加工，无须制造、更换许多工具、夹具和 检具，更不需要重新调整机床，这就使复杂结构的单件、小批量生产以及新产 品试制非常方便。 4 ) 良好的经济效益 在使用数控机床加工零件时，虽然分摊到每个零件上的设备费用较高，但 由于数控机床的适应性很强，在单件、小批量生产情况下，可节省工艺装备费 用和辅助生产工时、生产管理费用，以及降低废品率，从而使生产成本下降。 此外，数控机床可实现一机多用。 5 ) 自动化程度高、劳动强度低 数控机床是按预先编制好的程序自动完成零件加工的，操作者一般只需装 卸工件、操作键盘，无须进行繁杂的重复性手工操作，因而大大减轻了操作者 的劳动强度和紧张程度，改善了劳动条件，还可减少对熟练技术工人的需求， 可以一人管理多台机床加工。 6 ) 有利于实行现代化生产管理 采用数控机床加工，能方便地计算零件加工工时、生产周期和加工费用， 并简化了检验程序以及工夹具和半成品的管理工作。利用数控系统的通信机能， 采用数控标准代码，易于实现计算机联网，实现c a d c a m 一体化。 2 数控机床的使用特点 1 ) 对操作、维修人员的要求 数控机床操作人员不仅应具有一定的工艺知识，还应在数控机床的结构、 工作原理以及程序编制方面进行过专门的技术理论培训和操作训练，掌握操作 和编程技能，并能对数控加工中出现的各种应急情况做出正确的判断和处理。 数控机床维修人员应有较丰富的理论知识和精湛的维修技术，并掌握相应的机、 电、液专业知识，才能综合分析数控机床故障，判断故障点，实现高效维修， 尽可能缩短故障停机时间嗨1 。 2 ) 对夹具和刀具的要求 单件生产时一般采用通用夹具。批量生产时，为节省工时，应使用专用夹 具，并要求夹具定位可靠，能实现自动夹紧，还应具有良好的排屑、冷却结构。 数控机床刀具应具有以下特点：较高的精度、寿命和几何尺寸稳定性；采 用机夹不重磨式刀具，能实现机外预调、快速换刀；能很好地控制切屑的折断、 卷曲和排出；具有良好的可冷却性能。 1 2 2 数控机床的工作原理及组成 1 数控机床的工作原理 数控机床在加工工艺与表面成形方法上与普通机床基本相同，在实现自动 控制的原理和方法上有很大的区别。数控机床是用数字化的信息来实现自动控 制的。先将与加工零件有关的信息，即工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数、 切削用量以及各种辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字和符号组成代码， 按一定的格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置1 。经过数控装 置的处理、运算，按各坐标轴的移动分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放 大，用于伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具、工件 以及其他辅助装置严格按程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地动作，从而 加工出所需要的零件。 2 数控机床的组成 数控机床一般由数控系统、伺服系统、主传动系统、强电控制装置、辅助 装置和机床本体组成。 1 ) 数控系统数控系统是机床实现自动加工的核心，主要由操作系统、主 控制系统、可编程控制器、各类i o 接口等组成。其主要机能有：多坐标控制 和多种函数的插补机能，显示机能，自诊断机能，通信和联网机能。其控制方 式分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中，主控制器内的插补运 算模块是通过译码、编译等信息处理，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过 与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号比较，控制机床各个坐标轴的位移。 时序逻辑控制通常主要由可编程控制器p l c 来完成，它根据机床加工过程对各 个动作的要求进行协调，并按各检测信号进行逻辑判别，控制机床各个部件按 指令要求工作。 2 ) 伺服系统它是数控系统的执行部分，主要由伺服电动机、驱动控制系 统及位置检测反馈装置等组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数 控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制运动部件的进 给速度、方向和位移。伺服系统有开环、半溺环和 l l 环之分。在半闭琢和闭环 伺服系统中，还要使用位置检测装置去间接或直接测量执行部件的实际进给位 移，并与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大惹控制运动部件 的迸给。 3 ) 主传动系统它是机床切削加工时传递扭矩的主要部件之一。一般分为 齿轮有级调速和电气无极调速两种类型。档次较高的数控机床都要求实现无级 调速，以满足各种加工工艺的要求。它主要由主轴驱动控制系统、主轴电动机 以及主轴机械传动机构等组成。 4 ) 强电控制装置强电控制装置通常也称为强电柜，是介于数控装置和机 床机械、液压部件之间的控制系统，主要由各种中间继电器、接触器、变压器、 电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。其主要作用是接收数控装 置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编 译一逻辑判断一功率放大蜃直接驱动相应熬电器、液压、气动和机械部锋，完 成指令所规定的动作。此外，行程开关和监控检测等开关信号也要经过强电控 制装置送到数控装置进行处理。 5 ) 辅助装置它主要包括刃具自动交换装置( a t c ，a u t o m a t iet o o l c h a n g e r ) 、工件自动交换装置( a p c ，a u t o m a t i cp a l l e tc h a n g e r ) 、工件夹紧 放松枫构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、冷却液装置、摊盾装置、 过载与限位保护装置等。 6 ) 机床本体它是指数控机床机械结构实体。它与普通机床相比，同样出 主传动机构、迸绘传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床 的整体布局、外观造型、传动机构、刀具系统及操作机构等具有如下特点h 】。 采用高性能主传动及主轴部件。 进给传动采用高效传动件，般采用滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副 等。 具有较完善的刀具自动更换和管理系统。 具有工件自动交换、工件夹紧与放松机构。 床身机架具有很高的动、静刚度。 采用全封闭罩壳。 1 2 3 数控机床的发展趋势刚 数控机床是机、电、液、气、光多学科领域离新技术的综合性组合，特别 是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配 套，缺一不可。数控机床由主机、各种元部件( 机能部件) 和数控系统三大部分 组成，还需先进的自动化刀具配合才能实现加工，备个环节在技术上、质量上 必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自 动化，否剿，难以在生产实际中使壤。它是社会需求、科技水平和人员素质三 者的结合，缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需 求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人， 互相配合，共同完成。 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术 提出的更高的要求，数控技术的未来仍然继续向开放式、基予p c 的第六代方向、 高速化和高精度化、智能化等方向发展。 1 ) 开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控 迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的 数控系统，例如美国、欧共体及匿本发展开放式数控的计划等。 2 ) 基于p c 的第六代方向 基于p c 所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系 统生产厂家会走上这条道路。至少采用p c 机作为它的前端机，来处理人机界面、 编程、联网通信等问题，豳原有的系统承担数控的任务。p c 机所具有的友好的 入机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3 ) 高速化、高效化 机床淘高速化方向发展，哥充分发挥现代刀具材料昀性能，不但可大幅度 提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超 嵩速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。9 0 年代 以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高 速电主轴、高加减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统( 含监控系 统) 和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、蜀各国争相开 发应用新代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元( 电主 轴，转速1 5 0 一1 0 0 0 0 0 r m i n ) 、蹇速且高加减速度的进给运动部件( 快移速 度6 0 - - - 1 2 0 m m i n ，切削进给速度高达6 0 m m i n ) 、高性能数控和伺服系统以及数 控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机 的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、大型 飞机和王零制造等行业的需求。还赡于薪产品更薪换代周期加抉，模具、航空、 军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 4 ) 离精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性 能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密 加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，是世界各工业强国致力发展的方向。 其精度从微米级到距微米级，乃至纳米级( l o n m ) ，其应用范围日趋广泛。超 精密加工主要包括超精密切削( 车、铣) 、超精密磨意l 、超精密研磨抛光以及超 精密特种加工( 三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等) 。 隧着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及 新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精 密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 随着高新技术的发展期对机电产品性能与质量要求的提高，枫床用户对梳 床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近1 0 多年来，普通级数 控机床的加工精度已由王o # m 提高到5 # m ，精密级加工中心的加工精度则 从3 5l lm ，提高到l 1 5pm 。 5 ) 高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，僵也不是 可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于 每天工作两班的无人工厂两言，如果要求在1 6 小对内连续正常工作，无故障率 p ( t ) = 9 9 以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间m t b f 就必须大于3 0 0 0 小时。m t b f 大于3 0 0 0 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差 剐就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之眈为 1 0 ：1 的话( 数控的可靠比主机高一个数量级) 。此时数控系统的m t b f 就要大 予3 0 0 0 0 中的数控装置、主轴及驱动等的m t b f 就必须大于王o 万小时。 6 ) 智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将 不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信惠，并自动调整系统的有关参数，达到 改进系统运行状态的目的。 弓| 入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，_ 以工 艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 弓| 入故障诊断专家系统 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，丽自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 1 3 刀具拳径补偿的发展 系统程序控制的总是让刀触点( 刀吴与工件的接触点) 行走在程序轨迹上。 铣刀的刀位点通常是定在刀具中心上，若编程时直接按图纸上的零件轮廓线进 行编程，又不考虑刀具半径补偿，则将是刀具中心( 刀位点) 行走轨迹和图纸 上的零件轮廓轨迹重合，这样由刀具圆周刃口所切削出来的实际轮廓尺寸，就 必然大于或小于墨纸上的零件轮癞尺寸一个刀具半径值，因焉造成过切或少切 现象 3 。为了铣削加工出符合要求的轮廓，就必须在图纸要求轮廓的基础上， 整个周边向外或向内预先镳离一个刀具半径值，作为刀具刀位点的行走轨迹， 求出新的节点坐标，然后按这个新的轨迹进行编程，这就是人工预刀补编程。 这种人工预先按所用刀具半径大小，求实际刀具刀位点轨迹的编程方法虽然能 够得到要求的轮廓，僵不是直接按图纸提供的尺寸进行编程，计算繁杂，计算 量大，并且必须预先确定刀具直径大小；当更换刀具或刀具磨损后又需重新编 程，使用起来极不方便。 现代数控机床的控制系统都具备自动进行刀具半径补偿的机能，只需要直 接按零件图纸上的轮廓形状和尺寸进行编程，在整个程序中只在适当的地方编 写建刀补和撒乃补指令，如g 4 l ，g 4 2 和g 4 0 。 刀具半径的改变，无需修改数控程序，只需输入新的刀具半径值。在加工 运行时，c n c 装置将根据程序中的刀枣 指令自动进行相应的刀具偏暨，辈计算 刀具中心饿置数据，确保刀具刃口切削出符合要求的轮廓。 数控机床加工中走刀平面由g 1 7 ( x y 平面) 、g 1 8 ( z x 平面) 和g 1 9 ( y z 平 面) 指定，刀具半径或刀尖半径值则通过相应的刀具半径偏置寄存器号码( 用 h 或d ) 来取得。现代c n c 系统的刀具半径补偿不仅可以自动完成刀具中心轨迹 的偏要，而且还能自动完成直线与直线转接、圆弧与圆弧转接和直线与匾孤转 接等尖角过渡机能。 现代c n c 系统一般都设有若干个( 3 2 ，6 4 或更多) 可编程刀具半径偏置存 器，并对其进行编号，专供刀具补偿之用，可将刀具补偿参数( 刀具长度、刀 具半径) 存入这些寄存器中。加工时，c n c 系统将该编号对应的刀具半径偏置 寄存器中存放的刀具半径取出，对刃具中，良轨迹进行补偿计算，生成实际的刀 具中心运动轨迹。 1 4 本章小结 本章主要对数控机床进行了综述，论述了数控机床的加工特点及使用特点， 数控枫床的工作原理及其组成，数控机床的工作原理数控机床的组成，最蔚筒 述了数控机床中刀具半径补偿的发展。 第二章刀具半径补偿原理 2 。薹刀具半径补偿的概念 c n c 系统软件的主要任务之一就是如何将由零件加工程序表达的加工信 息，变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制加工设 备的进给轴的运动和辅助动作，加王出符含要求的零件。零件加工程序经过译 码后交由刀具半径补偿模块计算刀具中心轨迹，接着进行速度预处理，处理后 交由与插枣 装置进行插补运算。刀补处理是佟为插补处理前的一个预处理模块， 它的任务就是在编程轨迹基础上，结合实际加工规划出更合理的走刀轨迹，主 要是生成轨迹转接处的轨迹。 数控系统的刀具半径补偿就是将刀具中心轨迹的计算过程交由c n c 系统执 行，编程员假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程，因此这 种编程方法也称为对零件的编程，两实际的刀具半径则存放在一个酉编程序刀 具半径偏鼹寄存器中。在加工过程中，c n c 系统根据零件程序和刀具半径自动 计算刀具中心轨迹，完成对零件的加工。当刀具半径发生变化时，不需要修改 零件程序，只需修改存放在刀具半径偏置寄存器中的刀具半径值或者选用存放 在另一个刀具半径偏置寄存器中的刀具半径所对应的刀具即可1 。 使用一定半径的刀具( 如圆柱铣乃、球头铣刀、线切割丝等) 进行轮廓加 工时，刀具中心的轨迹并不等于编程轨迹( 即所需加工的零件轮廓) 。无论进行 内轮癣加工，还是外轮薄加工，刀其中心轨迹总是相对于零件轮廓偏移一个刀 具半径值。刀具半径补偿( 简称刀补) 的作用就是根据零件轮廓和刀具中心的 偏移量计算出刀具中心的运动轨迹，作为插补计算的依据。这个偏移量称为刀 具半径补偿量，如图2 - 1 所示蹲3 。 图2 - 1刀具半径补偿示意图 为了编程和加工的方便，编程人员只需按零件的轮廓进行编程，并在程序 中指明何处进行何种形式酶刀补以及何处撤消这种刀补，丽不用考虑刀具的半 径值。刀具的半径补偿量( 刀具半径补偿值) 只要在实际加工前输入到c n c 装 置的指定内存单元即可。现代c n c 都具有两维刀具半径补偿机能，它由c n c 装 置中的刀补程序来实现。在插补运算之前，c n c 装置根据零件轮廓尺寸和刀具 半径补偿指令，以及实际加工中所属的刀具中心的偏移量自动地计算出实际刃 具中心轨迹。c n c 装置按实际刀具中心轨迹进行实时插补运算和位置控制。现 代c n c 还不能自动计算三轴以上铣削加工的刀具中心位置，即不具备三轴以上 加工的刀补机能，刀具中心位置的计算是在c n c 装置之外的编程计算机中进行 的朝。 如蚕2 - 1 所示，实线为所需秀嚣工的零件轮癣，虚线为刀具中心轨迹。根据 i s o 标准，当刀具中心轨迹在编程轨迹( 零件轮廓) 前进方向的右边时称为右 刀季 ，用g 4 2 指令；在前进方向的左边时称为左刃补，用g 4 l 指令；撤消刀具 半径补偿用g 4 0 指令，偏置指令与机能见表2 - 1 。 表2 - 1关于g 机能的刀具半径补偿指令 g 代码组机能 g 4 00 7取消刀具半径补偿 g 4 王0 7刀具半径左於偿 g 4 20 7 刀具半径右补偿 2 2 刀具半径补偿的常用方法 2 2 1b 刀具半径补偿1 8 机能刀具半径私偿为基本的刀具半径补偿，它仪根摄本段程序的轮廓尺 寸计算刀具中心的运动轨迹，用圆弧段作为过渡段。一般数控系统的轮廓控制 遴常仅限予直线段与圆弧段，因此，b 机能刀具半径季 、偿主要计算直线段或圆 弧段的起点和终点的刀具中心值，以及圆弧段刀补后刀具中心轨迹的圆弧半径 值。 圭直线段刀具半径补偿计算 对于直线段而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线段的一条直线 段。函此只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标，刀具中心轨迹即可确定。 y o e ( x ，y ) n n 拶飞? 图2 - 2b 规能童线刀补 如图2 - 2 所示，设要加工的直线段为o e ，其起点在坐标原点d ，终点为 z ( x ，y ) 。0 ( x o ，y o ) 为本段程序刀具中心轨迹的起点，e 7 ( x ，y i ) 为刀具中心轨迹 直线段的终点，0 0 、e e ，为轮廓直线段o e 的刀补矢量，矢量长度为刀具半径 ，。从0 点到e 点的坐标增量与从0 点到e 点的坐标增量相等。 则刀偏分量r x ，r r 为： 卜丽r y浯1 ) r 一万可 于是层点的坐标为： p 峨丽r y 沿2 ， 卜q 中南 式( 2 - 2 ) 力8 机能直线刀眷的计算公式。 直线段刀偏分量o 、的正负号与直线终点( 荔y ) 所在象限，刀偏方向 ( g 4 1 ，g 4 2 ) 有关。 2 圆弧刀具半径补偿计算疆1 对于圆弧段而言，刀补后的刀具中心轨迹为与指定轮廓圆弧段同心的一段 嚣弧，因此，圆弧的刃具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹圆弧段豹起点、 终点和半径。如图2 - 3 所示，设被加工圆弧段a e 的圆心在坐标原点，圆弧半径 为r ，圆弧起点为么( 而，y a ) ，终点为露( 毛，y z ) ，刀具中心起点( 屯，儿) 。现计算 刀具中心终点的坐标( x ，y 。) 。 y o x ) ( a ，y a ) 匿2 - 3b 规能筑弧刃补 设刀具半径为r ，则e 点的刀偏分量为 x 2 ，2 r r 丝 置 一l o 一 ( 2 - 3 ) 于是e 点的坐标为 式( 2 - 4 ) 为b 机能圆弧刀补的计算公式，圆弧刀偏分量k 、的正负号与 圆弧的走向( g 0 2 、g 0 3 ) 、刀具指令( g 4 1 、g 4 2 ) 以及圆弧所在象限有关。 b 机能刀具半径补偿的特点是刀具中心轨迹的段间连接采用圆弧段，算法 简单，容易实现。但是段间过渡采用圆弧，当加工工件外轮廓尖角时，刀具中 心沿着圆弧转过轮廓尖角，尖角处始终处于切削状态，所要加工的尖角往往被 加工成小圆角。 2 2 2c 刀具半径补偿 c 刀具半径补偿的特点是相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用直线段进行 连接，由数控装置根据零件轮廓的编程轨迹和刀具偏移量直接算出刀具中心轨 迹的转接点，然后再对原来的编程轨迹作伸长、插入或缩短修正，从而自动处 理两个程序段间刀具中心轨迹的转接。它的主要特点是采用直线作为轮廓之间 的过渡，因此，该刀补法的尖角工艺性较b 刀补的尖角工艺性要好，其次在内 轮廓加工时，它可实现过切( 干涉) 预报和避免过切。现代c n c 系统几乎都采 用c 刀补，编程人员直接按零件轮廓编程。 两种刀补处理方法的主要区别是：b 刀补法在确定刀具中心轨迹时，采用 的是读一段，算一段，再走一段的处理方法。这样，就无法预计到由于刀具半 径所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响。于是，对于给定的加工轮 廓轨迹来说，当加工内轮廓时，为了避免刀具干涉，合理地选择刀具的半径以 及在相邻加工轨迹转接处选用恰当的过渡圆弧等问题，就不得不靠程序员来处 理。为了解决下段加工轨迹对本段加工轨迹的影响问题，c 刀补采用的方法是 次对两段进行处理，即先预处理本段，然后根据下一段的方向来确定刀具中 心轨迹的段间过渡状态，从而完成本段的刀补运算处理，然后再从程序段缓冲 器读下一段，用于计算第二段的刀补轨迹，以后按照这种方法进行下去，直至 程序结束为止。 c 机能刀补在加工过程中实时进行，在单c p u 的c n c 装置中，刀补处理必须 在插补计算和位置控制的间隙期间进行，所以一般按流水作业。如图2 4 所示， 通常要开辟4 个内存缓冲区来存放流水作业中加工的几段程序信息。这4 个缓 冲区分别为缓冲寄存区b s 、刀具补偿缓冲区c s 、工作寄存区a s 和输出寄存区 0 s 。 4 一 。厶 k 矗一r儿一r + h 儿 = l i o + + 耽 f f j j e 序段 i 、缓冲寄存 八 刀具补偿卜工作寄存 输出寄存 v区b s 缓冲区c s 区a s 区0 s 第n + i 段第n 段第n - 1 段插补器 图2 4c 机能刀补计算流水作业 系统启动后，第一段程序先被读入b s ，在b s 中计算半段的刀具中心轨迹数 据，将该数据送到c s 暂存后，又将第二段程序读入b s ，算出第二段刀具中心 轨迹。接下来对第一、第二段程序刀偏轨迹进行转接方式判别，根据判别结果 对c s 中的第一段刀偏轨迹进行修正，并将修正后的第一段刀具中心轨迹由c s 送到a s ，将第二段刀偏轨迹由b s 送到c s 。随后将a s 中的数据送0 s 中去插补 运算，插补结果送伺服系统去执行。当刀具走第一段刀具中心轨迹时，c p u 利 用插补计算和位置控制的间隙，又读入第三段程序到b s ，对c s 中的第二段和 b s 中的第三段刀偏轨迹作转接处理，对c s 中的刀偏轨迹进行修正。插补一段， 刀补计算一段，读入一段，如此流水作业直到程序结束。 2 3c 刀补的转接形式和转接方式 2 3 1 转接形式 由于c 刀补采用直线过渡，因而在实际加工过程中，随着前后两段编程轨 迹线形的不同，相应的刀具中心轨迹也会有不同的转接形式，在c n c 装置中， 都有圆弧插补和直线插补两种机能，对由这两种线型组成的编程轨迹有以下四 种转接形式： 直线与直线转接；直线与圆弧转接； 圆弧与直线转接；圆弧与圆弧转接。 2 3 2 转接方式 为了讨论c 刀补的转接方式，有必要先说明矢量夹角的含义。矢量夹角9 是 指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角，如图2 5 所示d 1 。 非加工侧 ，t 加工侧 刀具中心轨迹 。 图2 - 5 矢量夹角的定义 根据两段编程轨迹的矢量夹角和刀补方向的不同，刀具中心轨迹从一编程 段到另一个编程段的段间连接方式，即转接方式有以下几种：缩短型、伸长型 和插入型。图2 6 所示，面、面为刀具半径矢量，葫、一a f 为编程轨迹。 k 图2 - 6刀具中心轨迹的转接方式 如图2 - 6a ) 所示，刀具中心轨迹j b 与d k 将在c 点相交。这样，刀具实际 运行轨迹相对于o a 和a f 而言，将缩短一个c b 与d c 的长度。这种转接称为缩 短型转接，1 8 0 0 口 3 6 0 0 。 如图2 - 6b ) 所示，刀具中心轨迹j b 与d k 的延长线在c 点相交，刀具实际 运行轨迹相对于0 a 和a f 而言，将伸长个b c 与c d 的长度。这种转接称为伸 长型转接，9 0 0 口 1 8 0 0 。 如图2 - 6c ) 所示，若仍采用伸长型转接，势必要增加刀具非切削的空行程 时间。为了解决这个问题，令b c 等于c d 且等于刀具半径矢量的长度a b 和a d ， 同时，在中间人为地插入过渡直线c c ，相当于中间插入一个程序段。这种转接 方式称为插入型转接，0 0 口 后，改用新刀具的半径值作为刀补值代替原有程序中豹刃补值进行加王。 由此，编程人员可在未知实际所使用刀具半径尺寸的情况下，先进行编程，实 际加工时，再用实际刀具半径进行加工。 2 5 2 改变刀补值实现零件的粗、精加工 刀具半径补偿机能有一个很重要的用途，是通过改变刀具半径睾 偿值来实 现粗、精加工。人为地使刀具中心与工件轮廓偏离大小不同的值，用同一个数 控代码程序进行粗、精加工。在粗加工时，可将刀具实际半径再加上粗加工余 量作为刀具半径李 偿值输入；而在精加工时，将刃具实际半径篷加上精加互余 量作为刀具半径补偿值输入；这样可使粗、精加工采用同个程序。其补偿方 法为：设糟加工余量为点，粗加工余量为愿，刀具半径为r ，如图2 7 所示。 粗加工刀具半径补偿值为r + 反，半精加工时，刀篡半径补偿值为r 十最，精加工 时的刀具半径补偿值为r n0 1 。 蛀狲 雌 丰 矗! 、 图2 - 7刀补的粗、精加工图2 - 8零件加工实例 图2 - 8 所示，为改变刀补值实现粗精加工的实例。 0 0 0 0 l ；( 主程序) 0 0 0 0 2 ；( 予程序) t o i o i ；( 刀具直径为8 的键槽铣刀)g 4 2 g 1 x 2 5 y o ；( 建立刀补) g 9 0 g 4 g o x o y o z 3 0 s ? 0 0 酝3 ；g 1 x 2 5 y - l o ；( 猡电彳亍刃李 ) z 2 ：g 2 x 2 0 y - l5 r 5 ； g 1 z - 9 6 f 5 0 ；g i x - 2 0 y 一羔5 ； d 0 1 m 9 8 p o 0 0 2 f 9 0 ；( x y 向粗加工)g 2 x - 2 5 y l o r 5 ； g o z 3 0 ：( d 0 1 = 5 。5 )g 1 x 一2 5 y 1 0 ； m o l ：g 2 x 一2 0 y 1 5 r 5 ； g l z l o f 5 0 g 1 x 2 0 y 1 5 ： d 0 2 m 9 8 p o 0 0 2 f 9 0 ： g o z 3 0 ； m 3 0 ； ( x y 向精加工)g 2 x 2 5 y i o r 5 ； ( d 0 2 = 4 )g l x 2 5 y o ： g 4 0 g i x o y o ；( 取消刀补) m 9 9 ； 主程序运行过程中，对子程序进行了两次调用。第一次调用时，刀具半径 补偿值为d 0 1 ，进行粗加工；第二次调用时，刀具半径补偿值为d 0 2 ，进行精加 工。在主程序中使用程序暂停m 0 1 ，测量工件尺寸。 2 6 本章小结 本章主要论述了刀具半径补偿的概念原理及刀具半径补偿的常用方法。刀 具半径补偿有b 机能刀具半径补偿和c 机能刀具半径补偿，现代数控机床主要 采用c 刀具半径补偿。接着介绍了c 刀补的转接形式和转接方式及c n c 进行刀 具半径补偿的处理过程。最后介绍了刀具半径补偿的应用，以实例说明了通过 改变刀具半径补偿值实现零件的粗、精加工的方法。 第三章c 机能刀具半径补