沈曉燕

摘要：在《數(shù)控編程》課程中，數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償是一個重點內容也是難點內容。刀補是由計算機在數(shù)控系統(tǒng)中自動完成的。數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中會根據(jù)刀具運動的方向和零件輪廓尺寸，依據(jù)指令（G40，G41，G42），系統(tǒng)通過機床刀具實際半徑計算出刀具的中心運動軌跡，從而完成零件加工。刀具半徑補償在數(shù)控加工過程中的過程為：建立刀具補償建立——維持刀具補償——撤銷刀具補償。能夠理解，并在數(shù)控加工編程中注意合理運用，就能避免過切現(xiàn)象，在數(shù)控加工過程，刀具補償使得編程更加的靈活和簡便。

關鍵詞：G40 ；刀具補償；過切現(xiàn)象；數(shù)控編程

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0254-03

在數(shù)控加工過程中，數(shù)控編程所控制的道具運行軌跡，是以刀具中心為軌跡進行編程的，隨著道具的磨損、重磨和換刀，機床刀具的實際工作半徑r變化，導致編程使用時，必須按照新的刀具中心軌跡重新計算軌跡，修改參數(shù)。這樣不僅無法提高數(shù)控加工精度，更增加了大量的編程檢查工作，為此，數(shù)控編程系統(tǒng)增加了刀具半徑補償功能，這樣當?shù)毒甙霃桨l(fā)生變化時，數(shù)控系統(tǒng)會自動計算道具中心運動軌跡，進行自動修訂，這樣在進行數(shù)控加工時，系統(tǒng)會依據(jù)刀具的實際半徑r，將刀具中心運動軌跡自動偏離工件加工軌跡r的距離進行切削加工。

熟練地掌握并運用數(shù)控刀具半徑補償指令，可以有效地提高編程速度和數(shù)控加工精度。

1刀具半徑補償?shù)囊饬x

數(shù)控銑床、數(shù)控車床或加工中心在進行工件加工時。零件的實際輪廓軌跡與刀具中心運動軌跡之間的偏移量就是刀具半徑補償。如圖1：刀具補償示意圖所示，圖中實線表示的方形零件為所加工的零件輪廓線，實線外側和內測的兩條虛線，分別表示從外部加工該零件輪廓和從內部加工該零件輪廓，機床刀具中心所運行的軌跡。機床所加工的零件輪廓與機床使用的刀具中心運動軌跡正好相差一個刀具半徑r的值。當加工零件外輪廓時，如果刀具向左運動則為右刀補，使用G42指令；反之刀具向右運動則為左刀補，用G41指令；當加工零件內輪廓時，如刀具向右運動即為右刀補，使用G42指令，反之向左運動即為左刀補，使用指令G41。當主軸為正向轉動時，為了對加工工件進行順銑，這時內外輪廓加工都采用左刀補指令G41。通過G41 G42 這兩個刀具半徑補償指令的使用，在數(shù)控編程加工中就只需要計算出刀具中心運動軌跡的起點坐標，避免了編程工作中對刀具運動軌跡的繁瑣計算，從而實現(xiàn)工件的粗加工、精加工，均使用統(tǒng)一程序的目的。

1）簡化編程

在數(shù)控編程加工中，利用刀具半徑補償指令后，加工軌跡就可以按照所加工工件的外輪廓進行計算編程，不用再計算刀具中心運動軌跡，大大簡化了編程計算過程。加工程序準確描述外輪廓軌跡即可，加工過程中遇到刀具更換情況，只要調用不同的刀具半徑R來進行修訂既可，加工程序依舊可以按原來的程序。這就避免了編程過程中的重復計算，使得編程得以簡化。

2）刀具變化更靈活

在成產加工過程中，機床刀具的磨損、重磨經常發(fā)生，在加工零件的不同結構需要使用不同的刀具，刀具的更換在復雜零件的加工中也是非常頻繁。有刀具半徑補償功能的話，當?shù)毒咧啬ァ⒛p和更換時就必須對程序參數(shù)進行重新修訂，這無疑增加了大量工作量。

零件在自動加工過程中，由于磨損刀具的半徑在不斷變小，如果不及時更換刀具或者修正編程參數(shù)，加工的工件外形尺寸就會超出圖紙要求的公差范圍，使得產品尺寸不符合加工要求，成為廢品，不能滿足使用要求，增加了生產成本。

舉例說明：如機床刀具的原始半徑為r，隨著生產加工的使用，刀具產生磨損，與原始尺寸相比刀具磨損量為δ，則此時刀具實際半徑就應為r-δ，使用了刀具補償指令后，在加工過程中不用對原程序參數(shù)進行修改，就可以繼續(xù)滿足加工要求，繼續(xù)使用。同樣，當更換刀具時，由于新刀具半徑與舊刀具半徑不同，利用刀補系統(tǒng)，將新刀具半徑替代就刀具半徑就可以使用加工程序繼續(xù)加工零件，這樣就可以很好地適應刀具的各種變化，以實現(xiàn)不改變加工程序原始參數(shù)即可完成零件的加工要求。

3）利用同一程序完成粗、精加工過程

利用刀具半徑補償?shù)墓δ苓€能輕松實現(xiàn)同一程序進行粗、精加工。理解了刀具半徑補償?shù)囊饬x后，我們就能針對刀補的意義將功能予以擴展。例如，在加工過程中將刀補半徑設置為不等于刀具半徑，而是等于刀具半徑加上精加工余量，這樣第一次切削完成即完成了工件的粗加工，在處理粗精加工的時候可以將預設的刀具半徑r輸入作為刀補半徑。這樣就可以實現(xiàn)使用同一加工程序，采用同一刀具利用過修改刀補的辦法實現(xiàn)對工件輪廓的粗、精加工；同時也可通過修改半徑補償值獲得所需要的尺寸精度。

例如加工如圖2所示工件，刀具半徑r加上粗加工加工余量Δ，設置為刀具補償半徑進行加工，加工完畢后，就完成了工件的粗加工階段。進行精加工的時候就可以直接以刀具半徑r作為補償值作為刀具補償參數(shù)進行加工。這樣就以同一程序就完成了粗加工和精加工，大大簡化了數(shù)控加工編程過程。

2 刀補指令的執(zhí)行過程

刀補的建立：在加工程序段中包含有G41、G42指令時，數(shù)控系統(tǒng)即建立刀具補償狀態(tài)。當下列條件得以成立時，數(shù)控銑床將以移動坐標軸的形式開始刀具補償動作。

1）指令G41或G42被指定；

2）在刀具補償?shù)募庸て矫鎯扔休S的移動；

3）指定一個補償號；

4）偏置補償?shù)募庸て矫姹恢付ɑ蛞呀洷恢付ǎ?/p>

5）G00或G01的模式有效。

刀具補償功能持續(xù)范圍：當?shù)毒哐a償命令開始執(zhí)行起，刀具的中心運動軌跡就沿著與加工工件軌跡相差一個刀具半徑的軌跡運行，直到加工過程技術為止。在這個加工過程中半徑補償在G00、G01、G02、G03的情況下都是有效指令。

取消刀具補償：加工過程中可以使用G40指令取消程序中的的偏置值，這時，刀具中心回到加工起始點位置，離開被加工的工件。程序結束刀具中心軌跡與編程加工軌跡重合。以下兩個條件當有一個觸發(fā)時，加工中心會將補償模式取消。①指令G40給出時，補償平面內有坐標軸的移動。②刀具補償號為D00。

3 注意事項

1）加工平面上增加刀具補償時，必須在該工件未加工輪廓時有在該加工平面的移動，并道具移動距離要大于刀具半徑r。

當切削加工即將開始時，在XOY平面或與XOY平面平行的坐標平面上，加上刀具半徑補償參數(shù)，即刀具脫離工件的加工位置。隨后再沿著Z軸的方向進行加工，在加工程序編寫時重點注意加工程序的結構，以保證不會產生過切現(xiàn)象，當程序運行結束可以獲得精確的工件加工輪廓。

圖3工件坐標系，如圖中所標示內容，在與XOY平面相平行的坐標平面內，以及XOY平面內，利用刀具半徑補償指令，對工件進行加工，起點位置坐標（0，0，100），也即刀具中心移動軌跡起點位置坐標。這時當加工開始，刀具移動接近加工工件和切削工件開始時，刀具中心會產生沿Z軸方向的位移。此時如果程序結構出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)就會產生過切現(xiàn)象，并且系統(tǒng)不會報警停止。從而使得產品報廢。如下程序列所示：

O0001；

N10 M03 S800 G54 G90；

N20 G00 Z80 ；

N30 X0 Y0 ；

N40 G01 G41 X10 Y10 D01 F100 ；

N50 Z2 ；

N60 Z-10 ；

N70 Y50 ；

N80 X50 Y10；

N90 X10 ；

N100 G00 Z80 ；

N110 G40 X0 Y0 ；

N120 M30 ；

在與XOY平面平行的平面內以及與XOY平面開始建立刀具半徑補償時，如果Z軸產生了2段連續(xù)的移動命令，就會使得刀具產生完全不正確的補償位置。本程序的刀具補償自N50程序段開始，這時的數(shù)控操作系統(tǒng)僅讀取后面的兩個程序段，但N60、N70兩個程序段均是由Z軸移動指令，這時系統(tǒng)缺少XOY平面內的坐標，從而導致數(shù)控系統(tǒng)無法給出下一步刀具補償?shù)恼_矢量方向。并且此時機床系統(tǒng)不會報警，刀具半徑補償繼工作持續(xù)進行.但N50程序段開始工作后，導致切削刀具的中心線軌跡的目標點發(fā)生了變化，此時工件產生了過切現(xiàn)象。為避免過切，在建立刀具半徑補償之前，應將刀具停留在一個不會產生干涉的位置。先將刀具沿Z軸方向快速運動靠近工件，最后再按進給速度調整刀具的切削深度。

為避免過切現(xiàn)象產生，上述程序段應做如下修訂：

O0001

N10 M03 S800 G54 G90；

N20 M03 S800 ；

N30 G00 Z100 ；

N40 X0 Y0 ；

N50 Z2 ；

N60 G01 Z-10 ； F100

N70 G41 X10 Y0 D01；

N80 X50 Y10；

N90 X10 ；

N100 G00 Z80 ；

N110 G40 X0 Y0 ；

N120 M30 ；

2）當使用刀具補償時應避免過切削現(xiàn)象：在刀補命令正式使用和程序中結束刀補指令功能結束時，刀具必須在補償?shù)募庸て矫鎯纫苿?，并且移動距離萬不可大于刀補值。如果加工的產品是一個內圓弧工件。為保證不產生過切現(xiàn)象，必須保證刀具半徑R要小于內圓弧半徑。如果刀具半徑R大于加工刀具的實際尺寸，就會產過切現(xiàn)象。

3）在G02、G03指令下取消刀具補償值，加工程序會出錯，產生過切。刀具補償應在G00、G01指令模式下取消；如果在G02、G03指令模式下取消刀補時，系統(tǒng)會報警提示錯誤。在G00、G01指令模式下使用可以使用G41、G42、G40。不能重復使用G41和G42指令，否則在刀具補償?shù)膬删溥B續(xù)的指令作用下就會產生過切。

4）各指令要求

其中D00 - D99指令是建立刀具補償號指令，D00指令是取消刀補。

4 結論

刀具半徑補償?shù)膬热?，在?shù)控教學中非常的重要，以來因為刀具半徑補償參數(shù)在數(shù)控加工控制理論中的使用十分廣泛。熟練的應用刀具半徑補償?shù)脑?，靈活的使用刀具半徑補償功能，既可以保證數(shù)控加工的準確性、高效性又可以極大的縮減數(shù)控加工編程和計算的工作量，但在使用刀具補償功能時要注意機床的硬件條件和工件加工輪廓的幾何面過度處，以避免產生過切和切削不足等加工問題，提高工件的加工精度。

參考文獻：

[1] 林其駿.機床數(shù)控系統(tǒng)[M].北京：中國科學技術出版社，2005.

[2] 劉躍南.機床計算機數(shù)控及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 楊有君.數(shù)字控制技術與數(shù)控機床[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.