刀具补偿在数控铣床加工中的应用
刀具补偿在数控铣床加工中的应用
摘 要：本文就数控铣床加工中的刀具补偿，以及在对数控铣床不具备刀具补偿功能时的刀具补偿计算方法进行介绍。
关健词：数控铣床、刀具补偿、编程、加工
前 言：
刀具补偿在数控加工中有着非常重要的作用，根据刀具补偿指令，数控铣床可对加工尺寸进行刀具补偿，不但能避开数控编程过程中的繁琐计算，而且只需计算出刀具中心轨迹的起始点坐标值就可。虽然CAD/CAM自动编程的计算量小，生成程序的速度快，但当刀具有少量磨损或加工轮廓尺寸与设计尺寸稍有偏差时，仍需作适当调整，而运用了刀具补偿指令后，就不需再修改刀具尺寸或建模尺寸而重新生成程序，只需在数控铣床上对刀具补偿做适当修改即可。
一、 提出问题
分析加工的零件：当编程、刀具、铣床都正常的情况下，加工出来的零件长度、宽度和三个圆弧尺寸都比原来要求的加工精度少0.04226 mm。
二、分析以上存在问题
当数控铣床的存在刀具补偿功能问题时，有刀具半径补偿和刀具长度补偿等刀具补偿功能。
（一）刀具半径补偿
在数控铣床的生产实际加工中的进行轮廓加工时，由于刀具中心的运动轨迹与所需加工零件的实际轮廓并不重合。如下图所示，粗实线为所需加工的零件轮廓，点划线为刀具中心轨迹。由图可见在进行内轮廓加工时，刀具中心偏离零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具外、内轮廓加工中心又偏
离零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移，称为刀具半径补偿。
刀具半径补偿的建立
刀具半径补偿的建立就是在刀具从起刀点以进给速度接近工件时，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个刀具半径值的过程。刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定，建立刀具半径左补偿的有关指令如下：
N10 G90 G92 X-10. Y-10. Z0；定义程序原点，起刀点坐标为(-10，-10，0)。
N20 S900 M03；启动主轴。
N30 G17 G01 G41 X0 Y0 D01；建立刀具半径左补偿，刀具半径偏置寄存号D01。
N40 Y50. ；定义首段零件轮廓。其中，刀具半径右补偿根据N30程式的G41改为G42即可。
刀具半径补偿的取消
与建立刀具半径补偿过程类似，在零件最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后，刀具撤离工件，回到退刀点，在这个过程中应取消刀具半径补偿，其指令用G40。退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近，可以与起刀点相同，也可以不命令如相同。在假如退刀点与起刀点相同的话，其刀具
半径补偿取消过程的下 ：
N100G01X0Y0；加工到工件原点。
N110G01G40X-10Y-10；取消刀具半径补偿，退回到退刀点。
在零件的自动加工过程中，刀具的磨损、重磨甚至更换经常发生，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。如图4所示，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r，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r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，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。
刀具半径补偿功能还有一个很重要的用途。如果人为地使刀具中心与工件轮廓偏置值不是一个刀具半径，而是某一给定值，则可以用来处理粗、精加工问题。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，其补偿方法为：设精加工余量为 ，刀具半径为r，如右图所示：首先，人工输入刀具偏置值为 ，即可完成粗加工到图示点划线的位置；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。
（二）刀具长度补偿（G43、G44、G49）
刀具长度的概念刀具长度是一个很重要的概念。我们在对一个零件编程的时候，首先要指定零件的编程中心，然后才能建立工件编程坐标系，而此坐标系只是一个工件坐标系，零点一般在工件上。长度补偿只是和Z坐标有关，它不象X、Y平面内的编程零点，因为刀具是由主轴锥孔定位而不改变，对于Z坐标的零点就不一样了。
刀具长度补偿的工作使用刀具长度补偿是通过执行含有G43（G44）和H指令来实现的，同时我们给出一个Z坐标值，这样刀具在补偿之后移动到离工件表面距离为Z的地方。另外一个指令G49是取消G43（G44）指令的，其实我们不必使用这个指令，因为每把刀具都有自己的长度补偿，当换刀时，利用G43（G44）H指令赋予了自己的刀长补偿而自动取消了前一把刀具的长度补偿。用刀具的实际长度作为刀长的补偿（推荐使用这种方式）。使用刀长作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度，然后把这个数值输入到刀具长度补偿寄存器中，作为刀长补偿。
三、解决方
1、当数控铣床具备刀具补偿指令时，刀具因磨损、重磨、换新而引起刀具直径改变后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后刀具直径。如下图所示，1 为未磨损刀具，2 为磨损后刀具，两者直径不同，只需将刀具参数表中的刀具半径r1 改为r2，即可适用同一程序。
刀具直径改变化，加工程序不变利用刀具半径补偿进行粗精加工用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。刀具半径为r，精加工余量为D。粗加工时，输入刀具直径D=2(r+D)，则加工出虚线轮廓。精加工时，用同一程序、同一刀具，但输入刀具直径D=2则加工出实线轮廓。
2、当数控铣床没有具备刀具补偿指令时，则只能计算出刀位点的运动轨迹尺寸，然后按此编程，或者进行局部补偿加工。
辅助计算：主要是辅助程序段的计算。辅助程序段是开始加工时，刀具从对刀点到切入点；以及加工完成时，刀具从切出点返回到对刀点而特意安排的程序段。进行数值计算时，要按走刀路线的安排，计算出相关点的坐标。
基点和节点的计算：基点是指零件轮廓上各几何元素之间的连接点；如直线与直线的交点、直线与圆弧的交点、切点、圆弧与圆弧的交点、切点，直线/圆弧与二次曲线的交点、切点等。如果零件轮廓是由直线与圆弧组成，并且数控机床具有直线和圆弧插补功能以及刀具半径补偿功能，只要计算零件轮廓基点坐标，即可进行数控编程。
如果零件轮廓是由非圆曲线组成，则数值计算任务稍繁。所谓非圆曲线是指除直线与圆弧外，可用函数方程式表达的平面轮廓曲线。一般的数控机床只具有直线和圆弧插补功能，无法直接插补加工出非圆曲线。为加工出非圆曲线，可采用“逼近”思想；即在允许的误差范围内，将非圆曲线分割成若干个小曲线段，然后用小直线段/或圆弧段来逼近；它们称为逼近直线段/或逼近圆弧段；逼近直线段/或逼近圆弧段与非圆曲线的交点或切点称为节点。数控编程时，要根据要求的精度计算出节点的坐标值。
四、总结
综上所述，刀具半偿在数控加工中有着非常重要的作用，极大方便计算和编程，但在使用此项功能时应注意机床的硬件条件以及工件轮廓几何要素的过渡处的处理，以避免产生欠切削和过切等问题，提高工件的加工精度。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，提高生产效率和产品合格率的重要因素。在确认加工零件的三维建模无误和切削工艺参数均合理后，若加工出的轮廓尺寸与设计尺寸稍有偏差，只需在数控机床上修改刀具的半径补偿值即可，不必重新生成加工程序或更换刀具，从而起到事半功倍的效果。
参考文献：
［1］谷育红主编 《数控铣削加工技术》北京理工大学出版社2006
［2］程美玲主编 《数控编程技能实训教程》国防工业出版社2004
［3］马忠梅主编 《数控加工造型编程》北京航空航天大学出版社2005
［4］董丽华主编 《数控加工编程与操作技术》电子工业出版社2006
［5］覃 岭主编 《数控铣床加工工艺基础 》重庆大学出版社 2004
