长度补偿在机床Z向安全和精度控制中的应用分析

2020-10-13史红杰

湖北农机化 2020年15期

史红杰

(襄阳职业技术学院，湖北襄阳 441050)

1 长度补偿的作用

1.1 刀具长度差

数控铣削加工中，往往使用多把刀具，刀具长度各不相同，实际生产中一般只建立一个工件坐标系G54，如图1所示，T1是基准刀具，若不进行长度补偿，T1加工时理论上不会有问题，T2加工时因刀具变短会造成少切，而T3加工时因刀具边长会造成过切甚至撞刀。

图1

1.2 Z向加工偏差

机械加工是一个系统工程，Z向加工精度受到多方面因素的影响，比如Z向对刀精度、刀具磨损、机床传动间隙、机床振动、刀具热胀冷缩、材料变形等等。

基于以上2个方面，刀具长度补偿的作用在于：编程时统一假定所有刀具都一样长，在程序中对应建立长度补偿，加工前建立工件坐标系，正确设定各把刀具对应的长度补偿值，加工过程中数控系统自动进行刀具长度差补偿和Z向误差修正。简化数控程序编制又便于控制Z向加工精度。

2 长度补偿的原理

2.1 长度补偿的本质

刀具长度补偿在程序中是通过执行含有G43(G44)和H指令的Z向直线运动程序段来建立的，实际上是数控系统控制不同长度刀具的刀位点到达编程指令Z坐标位置而进行的Z向自动调整，分为+Z补偿(正补偿)和-Z补偿(负补偿)。此外，当Z向出现加工偏差时，可以不用修改程序和工件坐标系G54Z向零点，通过修改长度补偿值(形状或磨耗)进行修正。

图2

如图2所示，长度补偿值其实就是实际使用刀具与基准刀具的长度差，Z向的加工偏差一般通过修改长度磨耗修正。

G49是取消刀具长度补偿功能的指令，实际加工中可以不用，由于刀具都有自己的对应长度补偿地址，更换刀具后重新建立长度补偿，利用G43(G44)H指令赋予了自己的刀长补偿而自动取消前一把刀具的长度补偿。

2.2 长度补偿的算法

表1 长度补偿算法

从上表可以看出，长度补偿就是Z向的加减运算。对比发现，G43可实现正补偿和负补偿，实际生产中G43使用更为广泛，需要特别注意补偿值的正负，一旦设错可能造成更大的误差甚至Z向撞刀。

3 长度补偿的设定

长度补偿的设定涉及2个方面：工件坐标系G54Z向零点设定和长度补偿值设定。G54Z向零点设定的是基准刀具刀位点与工件Z向编程零点重合时所对应的Z向机床坐标值。使用G43指令进行长度补偿，相对于基准刀长，非基准刀：长补正，短补负，下面以机内手动对刀法来说明其设定方法。

如图3所示，使用三把刀T1，T2，T3加工，长度补偿地址分别为H1，H2，H3，程序Z向零点设在工件上表面。

图3

3.1 物理基准刀对刀设定

若以T1作为基准刀具设定G54Z轴原点，使用G43补偿。

表2 物理基准刀长度补偿设定

3.2 虚拟基准刀对刀设定

假设有一把“顶天立地”的虚拟刀T0，其刀位点与工件Z向编程零点重合时Z轴刚好处于参考点位置，若以它作为基准，使用G43补偿。

表3 虚拟基准刀长度补偿设定

两种设定方法本质上都是基于基准刀的，实际加工应用中各有千秋。物理基准刀对刀设定，操作者可以通过机床程序检测功能直观判断当前刀位的坐标值，但设定时一般需要借助机床的相对坐标计算，补偿值有正负之分，相对复杂；虚拟基准刀对刀设定比较简单，所有补偿值均为负值，但程序运行中，特别是初学者，对当前刀位点的坐标不能直观判断。实际加工中操作人员必须正确设定，不能混淆，否则会形成叠加补偿，可能造成非常严重的Z向撞刀和过切。具体补偿值的测定可以通过机内手动试切或借助Z轴设定器、基准棒等工具测得，也可以通过机外对刀仪测出。

4 实际加工中长度补偿的安全设定方法与注意事项

1.建立长度补偿要有足够的安全高度，最好大于最大的刀具长度差绝对值，同时使用G1配合进给速度F建立刀具长度补偿，便于控制速度，防止因补偿错误出现过切或撞刀而来不及反应，必要时可使用暂停指令M0，检查确认无误后再循环启动。

2.实际编程加工中，为了防止混淆，可以统一使用G43进行长度补偿，补偿值设为正值实现正补偿，补偿值设为负值则实现负补偿。

3.加工结束或换刀时，使用G49取消长度补偿时也要有足够的安全高度，防止因长度补偿取消造成刀具下行导致撞刀。

N100G43H1G1F3000Z10；(H1=20)

……

N200G49G0Z10；

上述N200程序段中：因实际使用刀具比基准刀具长20mm，取消长度补偿后，刀位点反而下刀至Z-10，出现扎刀。

实际加工中可以不用G49，抬刀后直接执行G91G28Z0控制刀具回到Z轴参考点位置，换刀后再建立新的长度补偿取代之前的长度补偿，这是一种安全有效的方法。

4.长度补偿与G54Z向原点设置密切相关，加工前要仔细检查确认。

5.在程序校验和首件试切中，可以使用预先设定补偿值的方式，使用正补偿抬高刀具进行校验试切。

6.下面几种做法容易引起Z向过切或撞刀，都属于长度补偿使用不当，在实际操作中要引起注意。

(1)G54Z向零点使用物理基准刀设置，将Z向机床坐标值设为补偿值。(2)程序、长度补偿设定均正确，但实际安装刀具错误。(3)补偿值设置地址与程序指定补偿地址不对应。(4)长度补偿建立和取消的Z向直线段长度绝对距离过小。(5)G54Z向零点使用物理基准刀设置，Z向相对坐标未清零，直接将Z向相对坐标设为补偿值。(6)利用机床Z向相对坐标计算刀具长度差，补偿值设定时正负号弄反。