【设计】数控加工中刀具补偿的应用

90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60~70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。对于各种数控加工形式都有各自的刀具补偿系统，比如数控线切割、数控电火花、火焰切割机、数控车床、数控铣床和加工中心等，本文主要阐述加工中心和数控铣床刀具补偿。一、加工中心、数控铣床刀具补偿的指令介绍加工中心、数控铣床的刀具补偿功能包括刀具半径补偿、夹角补偿和长度补偿等刀具补偿功能，其中夹角补偿主要用于加工中心、数控铣床，其他机床很少使用。1.刀具半径补偿（G41、G42和G40）刀具的半径值预先存入存储器Dxx中（xx为存储器号）执行刀具半径补偿后，数控系统自动计算，并使刀具按照计算结果自动补偿。刀具半径左补偿（G41）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的左方（如图1a所示），刀具半径右补偿（G42）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的右方（如图1b所示）。取消刀具半径补偿用G40，也可用D00取消刀具半径补偿。使用中需注意：建立或取消刀补时，G41、G42、G40的指令必须与G00或G01指令共段，即，使用G41、G42、G40指令的程序段中必须同时使用G00或G01指令，而不得同时使用G02或G03。当刀具半径补偿取负值时，G41和G42的功能互换。刀具半径补偿有B功能和C功能两种补偿形式。由于B功能刀具半径补偿只根据本段程序进行刀补计算，不能解决程序段之间的过渡问题，要求将工件轮廓处理成圆角过渡，因此工件尖角处工艺性不好。C功能刀具半径补偿能自动处理两程序段刀具中心轨迹的转接，可完全按照工件轮廓来编程，因此现代CNC数控机床几乎都采用C功能刀具半径补偿。这时要求建立刀具半径补偿程序段的后续两个程序段必须有指定补偿平面的位移指令（G00、G01、G02和G03等），否则无法建立正确的刀具补偿。2.夹角补偿（G39）主要针对于只具有刀具半径补偿B功能的CNC系统，若编程轨迹的相邻两直线（或圆弧）不相切，则必须在零件的外拐角处人为编制出附加圆弧插补程序段，才能实现尖角过渡，否则可能产生超程过切，导致加工误差。我们可采用夹角补偿（G39）来解决。使用夹角补偿G39指令时需注意，本指令为非模态的，只在指令的程序段内有效，同时还只能在G41和G42指令后才能使用。3.刀具长度补偿（G43、G44和G49）利用刀具长度补偿（G43、G44）指令可以不改变程序而随时补偿刀具长度的变化，补偿量存入由H码指令的存储器中。G43表示存储器中补偿量与程序指令的终点坐标值相加，G44表示相减，取消刀具长度偏置可用G49指令或H00指令。存储器中补偿量的数值，可用MDI或DPL方式预先存入存数控加工中刀具补偿的应用□永济新时速电机电器责任有限公司工模具分厂李艮凯（a）G41补偿后轨迹（b）G42补偿后轨迹图1刀具半径补偿91CAD/CAM与制造业信息化·2010年第6期栏目主持：丁海骜　投稿信箱：[e-mail]储器，也可用G10指令来设置，例如程序段“G10H05R16.0”就表示在05号存储器中补偿量设为16mm。二、刀具半径补偿的过程刀具半径补偿的过程分为三步，如图2所示。（1）刀补的建立：刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。（2）刀补进行：执行有G41、G42指令的程序段后，刀具中心始终与编程轨迹相距一个偏置量。（3）刀补的取消：刀具离开工件，刀具中心轨迹要过渡到与编程重合的过程。三、使用刀具半径补偿注意事项（1）刀具半径补偿的建立与取消，只有在移动指令G00或G01下才能生效。（2）刀具半径补偿的建立与取消，应在辅助程序段中进行，不能编程在轮廓加工的程序段上，这是需要特别注意的地方。具体就是（如图3所示）：进刀线EF和退刀线BA与加工轮廓EDCB必须是各自独立的五条线，进刀线和退刀线不能是加工轮廓的延伸线，否则产生过切。（3）进刀线和退刀线的长度必须大于刀具半径，否则也产生过切，如图2所示。（4）刀具半径的补偿值存储在指定的寄存器中，当刀具半径补偿值发生变化时，只需要修改寄存器中的刀具半径值即可，不需要修改程序。因此，利用刀具半径补偿功能编写的轮廓加工程序，与刀具半径无关。四、刀具半径补偿过程中的过切现象及其解决方法刀具半径补偿使用中出现的过切（即干涉）指的是在零件的加工过程中，刀具按照程序设定的轨迹进行运动，由于使用了刀具补偿功能，在执行某些指令时，刀具切削了非加工对象，即刀具过切现象。数控系统在启用刀具补偿功能后，一般情况下会出现两种情况的过切。（1）当使用半径补偿时，输入数控机床控制系统刀具补偿中的预设刀具半径值大于被加工零件的加工轮廓曲线的最小凹圆半径，在加工过程中控制系统执行到这段程序语句时，数控系统计算后会发生过切现象，机床停止运动，并给出刀具过切的报警信息，也称之为假过切现象。解决的方法非常简单，刀具的半径应满足工件轮廓最小凹圆半径的原则即可。（2）加工程序完全可以执行，但在加工过程中刀具运动出现过切现象，程序执行时，数控机床控制系统没有显示刀具过切的报警信息。这种情况主要是由于程序编程不当引起的过切现象，导致被加工工件的报废，一般有如下二种情况。1）在刀具补偿建立后的刀具补偿状态中，如果存在有连续两段以上没有移动指令或存在非指定平面轴的移动指令段，则有可能产生过切现象。数控系统一般采用C功能刀具半径补偿，其主要特征是在执行刀具半径功能时采用了多段程序预读的功能，即在程序执行时，数控系统内部同时储存三个程序段的信息。若在刀具补偿建立后的刀具补偿状态中，存在有连续两段以上没有移动指令或存在非指定平面轴的移动指令段，这样就打断了刀具在刀补平面内的前后衔接，数控系统无法正确计算、修正刀具的运动轨迹，则有可能产生过切现象。2）刀具补偿建立的轨迹和随后加工轨迹之间的夹角选择不当也有可能发生过切现象。在某些数控系统中，刀具补偿建立时的程序轨迹与刀具补偿进行状态开始的前进方向有着一定的要求。五、总结刀具补偿在数控加工中有着非常重要的作用，灵活、合理地运用刀补值并结合刀补原理正确编制程序是保证数控加工有效性、准确性的重要因素。生产实践表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。它给我们的编程和加工带来很大的方便，能大大地提高工作效率。图2刀具半径补偿过程图3文索引号：128