毕业论文-数控加工中补偿问题的研究.doc

FPIT-R-JX11-2303-40福建信息职业技术学院成人高等教育毕业论文（设计）题目 数控加工中补偿问题的研究姓名张兴伟学号12412215174年级与专业2012级机电一体化指导教师 目 录摘 要4第一章 绪论51.1 课题来源51.2 课题目的及意义51.3基础知识6第二章 程序补偿6 第三章 刀具补偿73.1 刀具补偿基本应用73.1.1刀具半径补偿73.1.2刀具半径补偿简单应用83.1.3改变刀补值适应刀具变化 103.1.4改变刀补值适应零件粗、精加工 103.2 刀具半径补偿在实际应用中的隐蔽性错误分析及注意事项 143.2.1刀补的建立与撤销过程的要点分析143.2.1.1刀补的建立是一个过程143.2.1.2刀补建立（撤销）段移动距离不能小于刀具半径143.2.1.3刀具的左右偏是相对于目标点的前进方向153.2.1.4刀具的半径补偿是在指定平面内进行153.2.1.5带上刀补（撤销刀补）点的刀沿最好是处在加工轮廓的延上 163.2.2刀具半径补偿时的典型错误分析163.2.3刀具半径补偿建立与撤销应用举例173.3 刀具长度补偿 18第四章 夹具补偿19第五章 结论20致谢 2122摘 要本文以数控加工技术应用中关于补偿问题的见解为主要阐述内容。谈了对数控加工中补偿的问题，分类对比了刀具补偿，夹具补偿，程序补偿三类方法及原理。详细介绍了其中的刀具补偿问题，掌握数控加工中刀具半径补偿指令G40、G41、G42及其编程方法，防止零件表面产生过切或欠切现象。数控系统的刀具半径补偿，允许编程者以假想刀具中心（数控车床时是刀尖）位置编程，然后给出刀具半径值（数控车床时是刀尖圆弧半径），通过系统读入补偿指令自动补偿，生成走刀路径，完成对零件的精密加工。现代数控系统一般都有刀具半径补偿的功能，应用半径补偿指令，系统能够自动让刀，使程序编制简单。但半径补偿指令的使用，技巧性比较强，尤其对于初学者来说，补偿时经常会出现错误，而且有些错误很隐蔽，不易发现。刀具半径补偿的绝大部分错误是发生在刀补的建立与撤销期间。对隐蔽性错误进行了分析：刀具的左右偏是相对于目标点的前进方向及刀具的半径补偿是在指定平面内进行。简述了夹具偏置常使用夹具偏置指令G54G59来执行。此外，程序补偿是指为弥补刀具磨损或夹具偏置造成的偏差，而对数控加工程序参数进行调整，而一般有刀具补偿功能的机床都不用程序补偿法。关键字：数控编程 数控加工 程序补偿 刀具补偿 夹具补偿 第一章 绪论1.1课题来源数控加工技术是现代制造技术的典型代表，在制造业的各个领域，包括军工、汽车、摩托车、模具、家电等行业，应用日益广泛，已经成为这些行业不可缺少的加工手段。数控车床则是应用最为普及的一种数控加工机床。随着中国加入世贸易组织，全球制造业出现向中国转移的倾向，国内对数控加工的需求也呈现出高速持续增长的趋势，人才市场急需大量既熟悉工艺，又懂得编程的数控加工专业技术应用人才。为此，国家教育部启动了“实施制造业和服务业技能型紧缺人才培养工程”，国家劳动和社会保障部也正在实施“国家高技能人才培养工程”，其共同目的就是为了满足制造业高速发展对紧缺人才的需求。数控机床是在普通机床基础上发展起来的，所不同的是数控机床按预先编制好的程序，在数控系统的控制下自动进行加工的。因此，数控编程是数控加工必须掌握的关键技术之一。数控机床操作工在进行一段时间的培训及实践工作后，掌握了一定的操作技能，但生产的发展，产品的变化，使得加工变得复杂，质量要求也变得更高起来，因此就必须掌握更丰富，更深入的知识。1.2 课题目的及意义“补偿”是在日常生活中经常提及的概念，应用比较广泛。所谓数控加工中的补偿，是指在正确的加工工艺指导下，考虑刀具本身形状和刀具磨损及工装夹具因素影响的前提下，为使零件加工达到预定的尺寸值而采取的相应修正措施。在20世纪6070年代的数控加工中没有补偿的概念，所以编程人员不得不围绕刀具的理论路线和实际路线的相对关系来进行编程，容易产生错误。补偿的概念出现以后方便了数控编程，提高了数控加工的精度和工作效率。为了保证零件加工的尺寸精度和形状业精度，尤其是内、外配合件的配合精度，需掌握数控加工中刀具半径补偿指令G40、G41、G42及其编程方法，防止零件表面产生过切或欠切现象。在数控机床上进行轮廓加工时，刀具的走刀轨迹是以刀具刀位点为标准的，如铣刀有一定的半径，这样就会导致刀具中心轨迹和工件轮廓不重合，也就是说如果不考虑刀具半径，而编程时又是按照工件轮廓编程的，那么加工出的零件尺寸比图样要求小了一圈（加工外轮廓时）或大了一圈（加工内轮廓时）。为此就必须使刀具沿工件轮廓的法向偏移一个刀具半径，这就是所谓的刀具半径补偿。应用刀具半径补偿功能时，只需按工件轮廓轨迹进行编程，然后将刀具半径值输入数控系统中，执行程序时，系统会自动计算刀具中心轨迹进行刀具半径补偿，从而加工出符合要求的工件形状。当刀具半径发生变化时也无需更改加工程序，使编程工作大大简化。实践证明，灵活应用刀具半径补偿功能，合理设置刀具半径补偿值，在数控加工中有着重要的意义1.3 基础知识数控加工中的补偿类型在数控加工中通常涉及到三种补偿：刀具补偿、夹具补偿和程序补偿。 在编程时，设定刀架上各刀在工作位置时，其刀尖位置是一致的。在实际加工时，加工一个工件通常要使用多把刀具，但由于刀具的几何形状及安装的不同。其刀尖位置是不一致的，其相对于工件原点的距离也是不同的。另外，因为每把刀具在加工过程中都有不同程度的磨损，而磨损后刀具的刀尖位置与编程位置存在差值。因此需要将各刀具的位置值进行比较或设定，称为刀具偏置补偿。FANUC系列的刀具补偿功能由程序中指定的T代码来实现，T代码后的4位数码中，前2位为刀具号，后2位为刀具补偿号。SIMENS系列的刀具补偿功能指定由TD代码来实现，T代码后的2位同样指刀具号，D代码后的也指刀具补偿号，只是说法上称之为刀沿号。第二章 程序补偿程序补偿是指为弥补刀具磨损或夹具偏置造成的偏差，而对数控加工程序参数进行调整。即在编写加工程序过程中，考虑到刀具本身直径，计算刀具运动轨迹比工件的轮廓值大一个刀具的半径值。如果刀具磨短了，可以在程序中增加刀具轴向的绝对坐标值。使用程序补偿，编程者若以刀具中心或刀尖圆弧中心编写程序，仍然可以避免过切和欠切现象，但计算刀位点比较麻烦，并且如果刀具中心或刀尖圆弧半径发生变化还需改动程序中与该刀具有关的许多参数值。目前，使用该补偿方法较少，因为他要求调整程序中的一系列相关联的尺寸值，程序中的数值不直观，比较麻烦，而且容易出错，一般有刀具补偿功能的机床都不用程序补偿法。第三章 刀具补偿3.1 刀具补偿基本应用经过一段时间的加工操作之后，刀具的磨损不可避免，随着刀具的磨损，刀具长度和刀具半径的形状和尺寸会随之变化，直接影响着零件加工质量。刀具补偿主要包括刀具半径补偿和刀具长度补偿，对大多数数控机床来说，应该由操作者将半径补偿值或长度补偿值预先从操作面板输入。3.1.1 刀具半径补偿在实际加工中，一般数控装置都具有刀具半径补偿功能，为操作者提供了方便。有刀具半径补偿功能的数控系统，编程时不需要计算刀具中心的运动轨迹，只按零件轮廓编程。使用刀具半径补偿指令，并在控制面板上手工输入刀具半径，数控装置便能自动的计算出刀具中心轨迹。即执行完半径补偿程序后，刀具自动偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出所要求的零件轮廓。简而言之，数控系统的刀具半径补偿，允许编程者以假想刀具中心（数控车床时是刀尖）位置编程，然后给出刀具半径值（数控车床时是刀尖圆弧半径），通过系统读入补偿指令自动补偿，生成走刀路径，完成对零件的精密加工。与刀具半径补偿相关的指令为：G41、G42、G40。其中，当刀具沿工件左侧运动时，称刀具半径左补偿，如图（1）A所示，用G41表示；当刀具沿工件右侧运动时，称刀具右补偿，如图（1）B所示，用G42 表示。G40 为刀具半径补偿取消命令，使用该命令后G41、G42指令无效。G40必须和G41 或G42成对使用。3.1.2 刀具半径补偿简单应用简单应用如：某仪表用波纹法兰在FANUC 0I-MATE 型数控车床精加工外圆时，外圆刀的刀尖圆弧半径R0.4，在将半径补偿值0.4从操作面板输入数控系统后，其加工程序为：程序说明O1110程序号N02 程序段(工序)号N3 T0303调用3号刀M03主轴正转G97 S600主轴转速300r/minG00 X90 Z10刀具以G00速度至(X90,Z10)位置M08冷却液打开G01 Z1 F1刀具以1mm/r速度至(X90,Z1)位置G00 G41 X84刀具以G00速度至X84,开始刀具半径左补偿G01 Z-18 F0.08切削X84外圆,长18,进给量0.08mm/rG01 G40 X90 F0.5外圆加工完毕，刀具以0.5mm/r速度至X90,取消补偿G00 Z10刀具以G00速度回至(X90,Z10)位置M09 冷却液关闭由上面例子可知：刀具半径补偿的实际过程，一般分三步进行。第一步为刀具半径补偿的建立，刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹相距一个偏移量。第二步，刀具半径补偿的进行，执行含有G41或G42指令的程序段后，刀具中心始终与编程轨迹相距一个偏移量。第三步是刀具半径补偿的取消，刀具离开工件，刀具中心轨迹过渡到与编程重合的过程。图2为刀具半径补偿的建立与取消过程。但在实际编程时应注意：G41或G42不能重复使用，即在程序中前面有了G41或G42指令之后，不能再直接使用G41或G42指令；否则，后面的指令无效。若再想使用，必须先用G40指令解除原补偿状态后。G41、G42指令的具体应用见图3。图2 G41、G42指令的应用刀具半径补偿如用于铣刀类刀具。当用铣刀加工工件的外轮廓或内轮廓时，就用得上刀具半径补偿了。因为刀具半径补偿是一个比较难以理解和使用的指令，所以在编程中很多人不愿使用它，但是我们一旦理解和掌握了它将给编程和加工带来很大的方便。当编程者准备编一个用铣刀加工工件外形的程序时，首先要根据工件的外形尺寸和刀具的半径细致地计算坐标值来明确刀具中心所走的路线。此时所用的刀具半径只是这把铣刀的半径值，如果编完程序后发现这把铣刀不太适合要换用其它直径的刀具，编程员需要重新计算新刀具中心所走路线的坐标值。此时，如果用了刀具半径补偿，这个问题就迎刃而解了。我们可以忽略刀具半径，而根据工件尺寸进行编程，然后把刀具半径作为半径补偿放在半径补偿寄存器里。临时更换铣刀也好、进行粗加工和精加工也好，我们只需更改刀具半径补偿值，就可以控制工件外形尺寸的大小了，对程序基本不用作任何修改。图3 刀具半径补偿的建立与取消31.3 改变刀补值适应刀具的变化在零件的自动加工过程中，刀具的磨损、重磨、更换经常发生，应用刀补值的变化可以完全避免在刀具磨损、重磨或更换时重新修改程序的工作。在零件加工过程中，刀具由于磨损而使其半径变小，若造成工件误差超出其工件公差，则不能满足加工要求。假设原来设置的刀补值为，经过一段时间的加工后，刀具半径的减小量为，此时，可仅修改该刀具的刀补值：由原来的改为，而不必改变原有的程序即可满足加工要求。同样，当刀具重磨后亦可照此处理。当需要更换刀具时可以用新刀具的半径值作为刀补值代替原有程序中的刀补值进行加工。由此可见，正是由于刀补值的变化适应了刀具的变化，在不改变原有程序的情况下就可满足其加工要求。由此，编程人员还可在未知实际使用刀具尺寸的情况下，先假设一定刀具尺寸来进行编程，实际加工时，对于半径补偿可用实际刀具半径代替假设刀具半径。3.1.4改变刀补值实现零件的粗、精加工如果人为地使刀具中心与工件轮廓的偏置值不是采用刀具半径，而是采用某一给定值，那么就可以用来处理粗、精加工问题了。在粗加工时，可将刀具实际半径再加上精加工余量作为刀具半径补偿值输入，而在精加工时只输入刀具实际半径值，这样可使粗、精加工采用同一个程序，图4为粗、精加工中刀补的设置。首先设精加工余量为d ,刀具半径为r ,人工输入刀具偏置值为r+d ,即可完成粗加工到图示的位置;在精加工时,输入刀具的半径值r ,即可完成最终的轮廓精加工。改变刀补值对零件进行加工修正将刀具半径补偿与子程序结合应用，不但可简化编程，进行粗、精加工，而且可以进行加工的修正。当精加工完成后，我们一般要进行测量，有时由于刀具的磨损等种种原因，很可能加工的零件精度达不到要求，这时我们就可以计算误差值，通过修改半径补偿值来保证加工品质。如设测量的尺寸误差为s ,刀具半径为r ,那么我们就可以人工输入刀具偏置值为r+s ,再调用一次精加工子程序,即可完成最终的轮廓精加工.编程实例图5为一零件，以其加工程序为例，充分地说明一下刀具补偿值的各种妙用。轮廓及槽的加工主程序如下：M30子程序如下：加工完成后并不急于拆工件，此时应测量工件尺寸，计算出其与零件图尺寸差值，并将差值补偿输入D代码中，调用精加工程序，这样加工出的工件可满足实际要求，确保加工品质。3.2 刀具半径补偿在实际应用中的隐蔽性错误分析及注意事项现代数控系统一般都有刀具半径补偿的功能，应用半径补偿指令，系统能够自动让刀，使程序编制简单。但半径补偿指令的使用，技巧性比较强，尤其对于初学者来说，补偿时经常会出现错误，而且有些错误很隐蔽，不易发现。刀具半径补偿的绝大部分错误是发生在刀补的建立与撤销期间，故此，下面对刀补的建立与撤销作详尽分析。321 刀补的建立与撤销过程的要点分析3.2.1.1 刀补的建立是一个过程数控系统在建立（撤销）刀补时，并不是在一个点直接带上，刀具是在从当前点开始运动到由指令指定的目标点的过程中逐步带上（或撤销）刀补。只用G41 或G42指令是带不上半径补偿的，必须要结合移动指令，而且移动指令只能是G00 或G01。刀具半径补偿的建立（或撤销）是一个过程，以下图6为例，铣刀中心起始位置在X0Y0，在执行“N30G41G01X25Y25D01”时，刀具在本段程序的起始位置（0，0）没有带上刀补，是在执行G01指令过程中，从起始点一开始出发就渐渐左偏，直至到本段程序指定的目标点完全左偏一个刀具半径值，从而带上左刀补。图6刀具半径补偿建立3.2.1.2 刀补建立（撤销）段移动距离不能小于刀具半径上面提到，刀具半径补偿建立或撤销时刀具必须走过一段距离，在此还须注意，带刀补段程序中，移动的距离不能小于刀具半径，否则，数控系统会认为此时已发生过切，提示过切报警。例如：在下面的图6中，当刀具处于（0，0）点时，运行以下程序带刀补：N30G41G01X2.5D01；N40Y20在第N30程序中，因为X方向只移动2.5mm. 而D01对应的偏移值是3mm（直径6平刀）.刀具此时要带上刀补则只有反方向回退. 这时系统理所当然地认为. 当前点已发生过切了。从而就会报警，停止程序执行。在这段程序中X2.5要最少取X3以上，系统才能认可执行。3.2.1.3 刀具的左右偏是相对于目标点的前进方向刀具左右补偿的确定在很多资料中是这样讲的：顺着刀具前进方向去看，刀具偏在所要加工轮廓的左侧为左补偿，右侧则使用右补偿。实际上我觉得把“顺着刀具前进方向去看”扩充为“顺着指令指定的目标点处刀具前进方向看”，更容易理解和接受。例如在一图中，假定刀具在”N30G41G01X25Y25D01”指令后出现的N40段程序分别是以下四段不同的移动方向指令，则可能出现以下四种不同的左偏补偿结果。方向1:N40G01Y50刀具带上补偿后处于图中左偏1位置;方向2:N40G01X50刀具带上补偿后处于图中左偏2位置;方向3:N40G01Y-50刀具带上补偿后处于图中左偏3位置;方向4:N40G01X-50刀具带上补偿后处于图中左偏4位置。3.2.1.4刀具的半径补偿是在指定平面内进行刀具的半径补偿只是在某一平面内进行的，以使用较多的在G17(XOY)平面的补偿来说，刀具只在XOY平面内带有刀补，而在XOZ或YOZ平面内是不带刀补的，同时，还要注意刀具在Z方向的移动是无法指示出刀补方向的，不过，现在的数控系统一般都是使用C功能刀具半径补偿功能，可以同时处理三段程序（包括本段和其后两段），只要在带有补偿的指令后面两段程序中找到有XY平面内的移动，即可由此确定左右补偿方向，但如果三段以内找不到XOY平面内的移动方向，则刀具只是忠实地按程序指定的坐标值移动，不作左右偏移，只到下面出现在XOY平面内的移动指令再带上刀补，这样往往造成过切或切不足。3.2.1.5带上刀补（撤销刀补）点的刀沿最好是处在加工轮廓的延长线上为保证加工时零件的轮廓侧面质量和防止切坏零件，编程时最好是使刀具带上半径补偿后刀沿的位置正好处于要加工轮廓的延长线上，而后以保证刀刃沿着轮廓切线方向切入工件，同理，在撤销刀具半径补偿时，最好先让刀具沿着工件轮廓的切线多走一段（一般取略大于刀具半径长度），切出后再撤销刀补，要避免在工件的法向进刀而造成的“顿刀”。对于开敞的外轮廓加工，实现这个要求比较容易，只要加直线进刀引线即可，对于封闭的内轮廓加工，要略微麻烦一些，必要时得人为地添加一段圆弧与工件轮廓相切，在带刀补之前的那段指令中，用G01或G00走到所添加圆弧的起点，同时带上刀补。3.2.2 刀具半径补偿时的典型错误分析根据以上对建立或撤销刀补的分析，可以列举如下几个容易出现的典型错误：错误1:用G02或G03指令去带上或撤销刀具半径补偿。一般编程人员都会知道不能用圆弧插补指令来建立或撤销刀补，但有时会因为没有留意前面模态指令的续效性，而发生错误，并且这种错误查找还不太直观。错误2:连续出现两道以上的非补偿所在面内的移动，造成过切或切不足。经常有初学者在建立刀具半径补偿时，因为对补偿建立的轨迹不是很清楚，为“稳妥”起见，在安全平面上就建立刀补，而后程序里却是不在补偿平面内的连续Z轴运动，这样往往是刀补并没有在G41或G42所在的那段带上，而产生问题。错误3:指令不完整。缺少T、D等代码。这是一类低级错误，对于不熟练的编程者，有时可能会丢掉程序格式中要求的半径补偿号指令或者在机床面板中漏、输错半径值。另外请编程者还须注意，对于有的系统，在补偿前必须有刀具号指令。以SIMEN802S系统的数控铣床为例，如果在补偿指令前一直没有指定刀具号，则可能带不上刀补，编程轨迹会按不带补偿的情况走。错误4：引入轨迹不合理，刀沿没有从切线方向进入和脱离切削。有的编程员为了编程简便，编程时直接让刀具从法向切入工件，这样会很容易造成质量事故，是一种不负责任的做法。错误5：距离过近，小于刀具半径，不够建立刀补。3.2.3 刀具半径补偿建立与撤销应用举例图7所示零件，拟用直径16 的平刀加工，切深为3，程序如表1。图7带有半径补偿加工的零件刀具半径补偿在程序编制时是一个难点，现在的数控系统比原来更加先进，刀具半径补偿功能的应用更为广泛和巧妙，现在，用刀具半径补偿，可在行粗、精加工中精确控制尺寸；利用刀具半径功能，当刀具因磨损、重磨、新换后引起刀具直径改变后，可不用修改程序；有的高级数控系统目前已具备三维刀具半径补偿功能但作为编程者，要想熟练使用这些刀具半径补偿功能，必须掌握以上介绍的半径补偿建立与撤销的基础内容，如能注意以上所述补偿要点，避免典型错误，相信能较快地真正学会并进而灵活使用半径补偿功能。3.3 刀具长度补偿刀具长度补偿大多应用在数控立式镗床、数控铣床、数控钻床和加工中心上。如图8所示，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖原始加工的编程位置时，必须在Z向进给中，通过伸长或缩短一个偏置值的方法来补偿其尺寸的变化，以保证加工深度仍然能达到原设计尺寸要求。图8刀具长度补偿相关的补偿指令：G43、G44、G49编程格式：G43ZHG44其中，G43为刀具长度正补偿；G44为刀具长度负补偿；G49为刀具长度补偿撤消指令。Z为刀具长度补偿值，补偿量存入由H代码制定的存储器中。偏置量与偏置号相对应，一般由机床的控制面板预先设在偏置存储器中。使用G43、G44指令时，无论用绝对尺寸还是用增量尺寸编程，程序中指定的Z轴移动的终点坐标值，都要与H所指定的寄存器中的偏置量进行运算，G43时相加，G44时相减。（如果其G代码的含义及格式与上述不一致，编程时所用代码以机床的配套说明书为准。）第四章 夹具补偿夹具补偿即夹具偏置补偿，同刀具长度补偿和半径补偿类似，不仅可以让编程者不用考虑刀具的长短和大小，而且不用考虑工件夹具的位置而只使用夹具偏移一个位置。例如在一台加工中心上加工零件，当加工小的工件时，工装上一次可以装夹许多个工件，编程者不用考虑每一个工件在编程时的坐标零点，而只需按照各自的编程零点进行编程，然后使用夹具偏置来移动机床在每一个