刀具半径补偿论文

1、数控系统课程设计（论文）任务书题目：刀具半径补偿计算程序的设计系 别 机械系 专 业 数控技术 班 级 09级数控（1）班 学 号 109102010049 学生姓名 许芳菠 起讫日期 2011-3-2 指导教师 陈云 职称 副教 教研室主任 蔡厚道 日 期 2011-5-13 江西蓝天学院教务处印制目 录第一章 数控机床的发展史.3 第一节 数控机床的概念和简史.3（1）数控机床的产生.3（2）数控机床的控制单元3第二章 刀具半径补偿计算.4（1）刀具半径补偿的基本概念4（2）C功能刀具半径补偿的基本思路5（3）功能刀具补偿类型及判别方法.6（4）B功能刀具半径补偿8（5）刀补执行过程9（6

2、）刀具半径补偿功能应用10（7）刀具补偿的指令，建立于撤销及使用的注意事项11第三章 论文小结12 第一章 数控机床发展史计算项目设计计算内容及说明主要结果数控机床的概念和简史一、数控机床的产生 1946年世界上第一台电子计算机问世，揭开了人类进入信息时代的序幕。1948年美国帕森斯公司提出了采用和麻省理工学院伺服机构研究室的响应，终于在1952年研制成功世界第一台三坐标数控铣床。这便是用数字化信息控制机床的运动，是复杂零件加工的数控技术的开始。人们把这种电子计算机以数字方式控制机床工作的技术称为数控技术，简称数控（缩写为NC）。由于数控是与机床控制密切相关发展起来的，因此，通常讲的“数控”就

3、是“机床数控”，用这种控制技术控制的机床称为“数控机床”，人们习惯称为“NC机床”，甚至就叫“NC”。二、数控机床的控制单元 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，他是数控机床的大脑，与普通机床相比，数控机床有如下特点：加工精度高，具有稳定的加工质量，可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件数控，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节约生产准备时间，机床自动化程度高，可以减轻劳动强度，批量生产时，产品质量容易控制，对操作人员的素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。数控机床一般由下列几个部分组成：主机，他是数控机床的主体，包括机床身、立柱，主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各

4、种切削加工的机械部件。数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机和进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动，当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。第二章 刀

5、具半径补偿计算 一、 刀具半径补偿的基本概念刀具半径补偿的基本概念：在数控加工过程中，编程人员是按零件轮廓进行编程的。由于刀具总有一定的半径，刀具中心运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，而是偏移轮廓一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，使刀具中心偏移零件零件的外轮廓表面一个刀具半径值，加工内轮廓时，使刀具中心偏移零件内轮廓表面一个刀具半径值，这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。 现在CNC系统都具备较完善的刀具半径补偿功能。刀具补偿通常不是程序人员完成的，程序编程人员只是按零件的加工轮廓编制程序，实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部自动完成的。 二维刀具半径补偿仅在指定的二唯进给平面由G17（X

6、-Y平面）、G18（Y-Z平面）和G19（Z-X平面）指定，刀具半径或刀尖半径值则通过调用相应的刀具半径补偿存储器号码（用H或D指定）来取得。 刀具半径补偿的建立和取消。当电源接通时，数控系统处于刀偏取消方式，刀具中心轨迹和编程一致，此时，可通过刀具半径补偿指令G41（或G42）和D0以为的D代码，令数控系统进入偏置状态，用此指令移动刀具半径补偿的起刀。刀补建立：补偿的原则取决于刀尖圆弧中心的动向，它总是与切削表面向上的半径矢量重合。因此，补偿的基准点是刀尖中心。通常，刀具长度和刀尖半径是按一个假象的刀刃为基准，因此为测量带来一些困难。把这个原则用于刀具半径补偿，应当分别以X和Z的基准点来测量

7、刀具长度和刀尖半径尺，以及用于假象刀尖形式，车床的刀具类型0-9种，这些内容应当事前输入刀具编制文件。刀具半径补偿的轮廓切削。当建立起正确的刀具半径补偿量后，数控系统就将按程序要求实现刀具中心的运动，在刀具半径补偿状态中，由定位指令G00、直线插补指令G01或圆弧插补指令G02(或G03)实现补偿，若在偏置状态中，处理2个或更多个刀具不移动的程序段，刀具将产生过切或欠切现象。在刀具半径补偿状态中，应该特别注意零件拐角处的刀具运动情况，当刀具大于所加工的工件内轮廓转角，刀具直径大于所加工的沟槽，加工小于刀具半径的台阶以及补偿起动和沿Z轴切削时，都会产生过切现象，编程时应该做相应的处理。刀具半径补

8、偿的灵活应用，灵活应用的思路使用刀具半径补偿功能。无论是车削类的刀尖圆弧半径补偿还镗铣类的刀具半径补偿算法，随着计算机技术和数控技术的发展都经历了B（Base）功能C极坐标法，r2法、矢量判断法）刀具补偿技术和C功能刀具半径技术。目前，数控系统中普遍采用的是C功能刀具半径补偿技术。二、 C功能刀具半径补偿的基本思想数控系统C功能刀具半径补偿的硬件结构如图所示，由缓冲寄存器CS、工作寄存器AS和输出寄存器OS等部分组成。在C功能刀补工作状态中，CNC装置内部总是同时存储着三个程序段的信息。进行补偿时，第一段加工程序先被读入BS，在BS中算得的第一段编程轨迹被送到CS暂存后，又将第二段程序读入BS

9、，算出第二段的编程轨迹。接着对第一、第二两段编程轨迹的连接方式进行判别，根据判别结果，再对CS中的第一段编程轨迹进行相应的修正。修正结束后，顺序地将修正后的第一段编程轨迹由CS送到AS，第二段编程轨迹由BS送入CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送到伺服驱动装置予以执行。当修正了第一段编程轨迹开始被执行后，利用插补间隙，CPU又命令第三段程序读入BS。随后，又根据BS、CS中的第三、第二段编程轨迹的连接方式，对CS中的第二段编程轨迹进行修正。 C功能刀具半径补偿在具体实现时，为了便于交点的计算，以及对各种编程情况进行综合分析，从中找出规律，所有的编程输入轨迹都是被当

10、做矢量来看待的。 显然，直线段本身就是一个矢量，而圆弧在这里意味着要将起点、终点的半径及起点到终点的弦长都看做矢量。零件刀具半径也可以作为矢量看待。所谓刀具半径矢量，是指在加工过程中，始终垂直于编程轨迹，大小等于刀具半径值，方向指向刀具中心的一个矢量。在直线加工时，刀具半径矢量始终垂直于刀具移动方向。在圆弧加工时，刀具半径矢量始终垂直于编程圆弧的瞬时切点的切线，他的方向一直在改变。 三、功能刀具补偿类型及判别方法 一般来说，CNC装置中能控制加工的轨迹通常只有直线和圆弧。所有编程轨迹一般由四种轨迹转接方式，你直线与直线转接、直线与圆弧转接、圆弧与直线转接和圆弧与圆弧转接。根据前后两段程序程序轨

11、迹交角外在工作侧的角度（矢量的夹角）的不同，有伸长型、缩短型和插入型三种过渡（转接）类型。 刀具补偿的理论及其实现，目前在各类数控系统中都已经是比较成熟的技术。在使用数控机床加工零件的过程中，刀具的运动轨迹不等同于工件外形轮廓。为了确保工件轮廓形状，加工时数控系统必须根据工件轮廓和刀具的几何形状计算出刀具中心运动轨迹。不同的刀具运动方向刀具中心运动轨迹的计算方法不同。正确使用不同的刀具补偿功能才能加工出合格产品。数控机床一般都具有刀具补偿功能，所以在编程时可以不考虑刀具的实际尺寸f如长度和半径等)，从而简化了编程工作。如果编程采用了刀具补偿，在运行程序之前就必须输入相应的补偿值，这就是说数控机

12、床的刀具补偿功能是依照程序中的补偿指令(G41-G44)和补偿值实现的，对初学者来说，这是个难点。在加工过程中，刀具的磨损、实际刀具尺寸与编程时规定的刀具尺寸不一致以及更换刀具等原因，都会直接影响最终加工尺寸，造成误差。为了最大限度的减少因刀具尺寸变化等原因造成的加工误差，数控系统通常都具备有刀具误差补偿功能。通过刀具褂偿功能指令，CNC系统可以根据输补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床能够自动地加工出符合程序要求的零件。刀具补偿功能能实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心的轨迹，以及在刀具半径和长度发生变化(如刀具更换、刀具磨损)时，可对刀具半径或长度作相应的补偿，而不需要修改程序。编程指令有：G

13、40：取消刀具半径补偿，沿程序路径进给；G41：左偏刀具半径补偿，按程序路径前进方向刀具偏在零件左侧进给；G42：右偏刀具半径补偿，按程序路径前进方向刀具偏在零件右侧进给；G43：刀具长度正补偿，即将坐标尺寸字与H代码中的长度补偿量相加，按其结果进行Z轴运动；G44：刀具长度负补偿，即将坐标尺寸字与H代码中的长度补偿量相减，按其结果进行Z轴运动；G49：取消刀具长度补偿，沿程序指定的Z坐标进行z轴运动。在实际数控加工中正确应用刀具补偿是提高加工质量的关键，下面对刀具补偿功能在各种数控加工中的应用进行分析。在数控机床的加工过程中，可以清楚看出刀具（或电极丝、激光等，以下统称为刀具）中心的运动轨迹

14、与工件已加工轮廓不重合，这是因为工件轮廓是刀具以运动包络的方式形成的。刀具的中心（底端面与轴线相交点）称为刀具的刀位点，刀位点的运动轨迹即代表刀具的运动轨迹。在20世纪6070年代的数控加工中还没有刀具补偿（简称刀补）的概念，编程人员不得不根据刀具的理论路线和实际路线的相对关系进行编程，既容易产生错误，又使得编程效率很低。当刀具补偿概念出现并应用到数控系统中后，编程人员就可以直接按照工件的轮廓尺寸进行程序编制。在建立、执行刀补后，由数控系统自动计算、自动调整刀位点到刀具的运动轨迹。当刀具磨损或更换后，加工程序不变，只需要更改程序中刀具补偿的数值。刀具补偿使用简单、方便，能极大提高编程的工作效率

15、。 四、B功能刀具半径补偿 B功能刀具半径补偿为基本的刀具半径补偿，它不仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，计算刀具中心的运动轨迹。一般数控系统的轮廓控制通常仅限于直线和圆弧。对于直线而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的一条直线。因此，只要计算出刀具中心轨迹的起点、终点坐标和半径。刀具中心轨迹既可确定。对于圆弧而言，刀补后的刀具中心轨迹为与指定轮廓圆弧同心的一段圆弧，因此，圆弧的刀具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹圆弧的起点、终点和半径。B功能半径补偿要求编程轮廓的过渡为圆角过渡。所谓圆角过渡是指轮廓线之间以及圆弧连接，并且连接外轮廓线必须相切。切削内角时，过渡圆弧的半径应大于刀

16、具半径。编程轮廓圆角过渡，则前一段程序刀具中心轨迹终点即为后一段程序刀具中心的起点，系统不需要计算段与段之间刀具轨迹交点。 直线刀具半径补偿计算如图所示。设要加工的直线为OA，其起点在坐标原点O，终点为A(X,Y)。因为是圆角过渡，上一段程序的刀具中心轨迹终点O（X0，Y0）为本段程序刀具中心的起点，O0为轮廓直线OA的垂线，且O与OA的距离为刀具Y0A（X,Y）为刀具中心的起点，AA也必然垂直于OA，A点与OA的距离仍为刀具半径r0A点同时也可为下一段程序刀具中心轨迹的起点。由于起点为已知，即由上段的终点决定，OA与OA斜率和长度都相同，所以从O点到A的坐标增量与从O点到A点的坐标增量相等，

17、即X=X-Y0 Y=Y-Y0 因为X0，Y0为已知，本段的增量X、Y由本段轮廓中心确定为已知，所以X=X+X0Y=Y+Y0 即刀具中轨迹的终点也可求得。 圆弧的刀具半径补偿计算如图所示。设被加工圆弧的圆心在坐标原点，圆弧半径为R，圆弧起点为A（X0，Y0）,终点为B（Xe,Ye）,刀具半径为r。设A(X0,Y0)为前一段程序刀具中心轨迹的终点，且坐标为已知。因为是圆角过渡，A点即为为本段程序刀具中心轨迹的起点。圆弧刀具半径补偿计算的目的，是要计算刀具中心轨迹的终点B（Xe,Ye）和半径R。因为B在半径OB坐标或其延长线上，三角形OBP与OBP相似。根据相似三角形原理，则有刀具的偏移方向由圆弧的

18、顺、逆以及刀补方向（G41或G42）所确定。 五、刀补的执行过程 数控机床具有了刀具半径补偿功能，既可以保证机床的高精度，又可以极大地简化编程工作量。无论哪一类的刀具半径补偿技术，在使用中都需要加工刀补建立、刀补执行和刀补撤销三个步骤。（1）建立刀具半径补偿。刀具由起刀点接近工件，刀具半径补偿偏置方向由G41（左补偿）或G42（右补偿）确定，在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短一个刀具半径值。（2）进行刀具半径补偿。一旦建立了刀具半径补偿，则一直维持该状态，直到取消刀具半径补偿为止。在刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离零件轮廓一个刀具半径值的距离。（3）撤消刀具半径补偿。刀具撤离工件，回到退刀

19、点，取消刀具半径补偿。与建立刀具半径补偿过程类似，退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近且偏置于零件轮廓延长线上，可与起刀点相同，也可以不同。撤消刀补的指令为G40。这样，当数控系统自动刀具补偿时，无论刀具半径大小如何变换，无论刀位点定在何处，只需要直接按零件图纸上的轮廓轨迹进行编程，在整个程序少量地加上几个刀补开始及刀补解除的代码指令，控制系统将根据程序中的刀补指令自动进行相应的刀具偏置，确保刀具刃口切削出符合要求的轮廓。六、刀具半径补偿功能的应用在零件加工过程中采用刀具半径补偿功能，可大大简化编程的工作量，具体体现在以下几个方面：（1）由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径变

20、化时，不必重新编程，只需修改相应的偏置参数即可。（2）由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，因此利用机床自动刀补的方法，通过设置不同大小的刀具半径补偿值，能达到粗、精加工的目的。先设定较大的刀具半径值，进行轮廓的粗加工，再逐步减小刀具半径值，重复进行程序，实现从粗切到精切的过程。刀具长度补偿的概念。数控铣床上刀具长度补偿只是和Z坐标有关，对于X、Y平面内的编程零点，由于刀具是由主轴锥孔定位决定，因此X、Y平面内的编程零点位置是固定不变的。对于Z坐标的编程零点就不一样了。在铣床上应用的每一把刀具长度都是不同的，例如，我们要钻一个深度为40mm的孔，然后将其进行攻丝，攻丝深度设为30mm，加工刀具

21、假设为一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。首先用钻头钻削出40mm深的孔，机床以其为基准设定了相应的工件零点，当采用丝锥攻丝时，如果按照设定的工件零点开始加工，则由于两把刀具长度不同，从而使得攻丝过长，损坏了刀具和工件。此时如果采用刀具长度补偿，那么当工件零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+（或Z-）补偿了丝锥与钻头的长度差，保证了加工零点的正确，这样就不会损坏刀具和工件了。 七、刀具长度补偿的指令。刀具长度补偿一般通过含有G43（G44）和H指令来实现的，格式为指令格式为G43 G01 Z_H_；或G44 G01 Z_H_。其中G4

22、3表示刀具长度正补偿，即把编程的Z值加上H代码指定的偏值寄存器中预设的数值后作为CNC实际执行的Z坐标移动值，也就是说实际执行的Z坐标值为Z'=Z_+(H_)；而G44则正好相反，实际执行的Z坐标值为Z'=Z_-(H_)。其中H可设正值或负值，我们可以将这两个指令通过H的正负值设定进行统一，即只用G43和G44其中之一。加工结束后要取消刀具长度补偿，用指令G49实现；刀具长度补偿的应用：(1)用刀具的实际长度作为刀具长度的补偿（推荐使用这种方式）。使用刀具的实际长度作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度，然后把测量出来的数值输入到刀具长度补偿寄存器中，作为刀具长度补偿。以避免加工不同的工件时不断地修改刀具长度偏置值，减少由此产生的操作失误。（2）以其中一把较长的刀作为标准刀具，这个标准刀具的长度补偿值为0，其余刀具实际长度与标准刀具长度的差值作为这些刀具的长度补偿数值，输入到其所采用的H代码地址内。（3）利用每把刀具到工件坐标系原点的距离