数控系统的刀具半径补偿研究

数控系统的刀具半径补偿研究邓忠武汉理工大学通信与信息工程系，武汉(430070)E-mail:[e-mail]摘要:介绍了刀具半径补偿功能的原理,探讨了数控编程实践中运用刀具半径补偿功能巧妙地解决加工中出现的工件轮廓尺寸变化和刀具磨损等因素引起的加工误差问题。关键词:数控编程；刀具半径补偿；加工应用1.引言在数控铣床上进行轮廓加工时,因为铣刀有一定的半径,所以刀具中心(刀心)轨迹和工件轮廓不重合。如不考虑刀具半径,直接按照工件轮廓编程是比较方便的,而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。如图1所示，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【1】,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。零件轮廓刀心轨迹刀补建立刀补撤销图1刀具补偿示意图2.刀具半径补偿的常用方法2.1B刀补特点：刀具中心轨迹的段间都是用圆弧连接过渡。优点：算法简单，实现容易。缺点：（1）外轮廓加工时，由于圆弧连接时，刀具始终在一点切削，外轮廓尖角被加工成小圆角。（2）内轮廓加工时，必须由编程人员人为的加一个辅助的过渡圆弧，且必须保证过渡圆弧的半径大于刀具半径。这样：一是增加编程工作难度；二是稍有疏忽，过渡圆弧半径小于刀具半径时，会因刀具干涉而产生过切，使加工零件报废。2.2C刀补特点：刀具中心轨迹段间采用直线连接过渡。直接实时自动计算刀具中心轨迹的转接交点。优点：尖角工艺性好；在加工内轮廓时，可实现过切自动预报。两种刀补在处理方法上的区别：B刀补采用读一段，算一段，走一段的处理方法。故无法预计刀具半径造成的下一段轨迹对本段轨迹的影响。C刀补采用一次对两段进行处理的方法。先处理本段，再根据下一段来确定刀具中心轨迹的段间过渡状态，从而完成本段刀补运算处理。下面我们主要讨论C刀具半径补偿功能。如图2所示，AB段为B刀补，A’B’段为C刀补。刀具编程轨迹刀具G41G42刀具中心轨迹C”C'A’B'CAB图2B刀补，C刀补示意图3.刀具半径补偿的工作原理3.1C刀具半径补偿功能的实现只有B刀具半径补偿功能的NC系统，在数控加工时，采取读一段，算一段，走一段的控制方法。因此，无法预计由于刀补半径补偿所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响。为了解决这一问题，需要在计算完本段编程轨迹后，提前将下段程序读入，然后根据它们之间的转接具体情况，求得本段程序的刀具中心轨迹。按照这一思路，具有C刀具半径补偿功能的NC系统应设置多个数据寄存区【2】，如图3所示。刀具半径补偿的建立与撤销刀具半径补偿包括刀具半径补偿的建立，刀具半径补偿的进行及刀具半径补偿的注销。进入C刀补程序，首先判断刀具半径补偿是否已经建立。若没有建立，则调用刀补建立子程序。刀补建立后，设置标志并返回。若刀补已经建立，接下来判断下一个程序段是否包括G40指令，有G40指令则调用刀补注销子程序，取消刀补，清标志后退出。无G40指令则进入刀具半径补偿程序。刀具半径补偿建立过程中的刀具中心运动轨迹由切入程序段形成。切入程序段既是由起刀点到切入零件轮廓并形成了刀具半径补偿的程序段，该程序段只能是直线段（G00或G01程序段）。刀具半径补偿注销过程中，刀具中心的运动轨迹由刀具半径补偿注销程序段形成。注销程序段只能是直线（即G00或G01程序段）。刀具半径补偿注销过程是刀具半径补偿建立过程的逆过程。如图4所示。编程轨迹刀具中心轨迹刀补进行起刀点刀补建立刀补撤销图4刀具半径补偿的工作过程刀具半径补偿功能，首先要对相邻编程轨迹的转接类型及转接过渡类型进行判别，然后才能根据转接线型和转接过渡类型调用相应的计算公式，通过计算在原程序编程轨迹的基础上得到刀具中心轨迹【3】。对于具有直线，圆弧插补功能的NC系统，其相邻两段程序编程轨迹不外乎以下几种转接类型：直线与直线转接；直线与圆弧转接；圆与直线转接；圆弧与圆弧转接。相邻两段编程轨迹矢量间夹角的不同，刀具补偿方式的不同（G41或G42），对应的刀具中心轨迹的转接过渡类型也不同，概括起来有三种转接过渡类型，即缩短型，伸长型和插入型【4】。刀具中心轨迹转接过渡类型判别的规律示于表1中，按逆时针方向定义夹角a为转接角。表1转接过渡类型判别表cosa=0sina=0转接过渡类型刀具半径补偿方向G41G42NNYYNYNYN缩短型伸长型插入型伸长型插入型缩短型Y转接过渡类型判别的程序框图如图5，其中1代表调用各类型转接子程序。，cosasina=0G41?G41YN缩短型cos=0伸长型cos=0插入型出口111NYNYYNNY图5转接过渡类型判别程序框图4.应用刀具半径补偿功能的注意事项如上所述,深刻理解刀具半径补偿的原理,灵活应用刀具半径补偿功能、合理设置刀具偏移量R,在数控加工中具有非常重要的意义。实际使用刀具半径补偿功能时,必须注意以下几点:(1)使用刀具半径补偿时,应避免过切削现象:若加工半径小于刀具半径的内圆弧时,进行半径补偿将产生过切削;只有过渡圆角半径大于刀具半径r与精加工余量△之和的情况下,才能正常切削,避免过切削。(2)G41、G42、G40必须在G00或G01模式下使用。G41、G42不能重复使用,且在使用时不允许有两句连续的非移动指令。(3)刀具补偿参数在加工或运行之前,必须设定在相应的存储器中。半径补偿功能是数控铣削中很重要的功能,它可以减少数控编程中的繁琐计算简化编程,最重要的是它可以通过修改刀具中半径补偿参数就可以控制轮廓尺寸,从而使刀具磨损后程序仍不要修改,在宏程序加工中半径补偿功能作用更明显,半径补偿参数可以内部传递。总之,刀具补偿功能在数控加工中有着非常重要的作用,灵活、合理地运用刀具补偿参数,并深刻理解刀具补偿原理,以及正确编制程序是保证数控加工有效性、准确性的重要因素【5】。参考文献[1]张立仁.数控机床及应用.北京:机械工业出版社.2005.[2]任云田焦振学王宏甫.机床计算机数控技术.北京:北京理工大学出版社.2002[3]熊光华.数控机床[M].北京:机械工业出版社.2001.[4]王爱玲.现代数控机床实用操作技术[M].北京:国防工业出版社.2002.[5]林弈鸿.机床数控技术及其应用.北京:机械工业出版社.1994.StudyofCutterRadiusCompensationinNCMachiningDengZhongWuhanUniversityofTechnologyCommunicationAndInformationengineering,Wuhan(430070)AbstractThispaperintroducesthefunctionsandprincipleoftoolradiuscompensationanddiscussestheapplicationalskilloftoolradiuscompensationinNCprogrammingpracticetosolvethemachiningerrorcausedbyworkpieceprofilesizechangeandtoolwearetc.duringmachining.Keywords:NCprogramming;Toolradiuscompensation;Machiningapplication