刀具半径补偿功能教学探讨
摘要：结合数控教学系统阐述了刀具半径补偿基本理论：刀具半径补偿概念引入、刀补类别、补偿过程和指令格式等，分析阐述了刀补功能应用要点和注意问题，对教学有一定指导意义。
关键词：刀补；数控；过切；偏置；程序
1 “刀具半径补偿”概念的引入
数控铣削编程时我们遵循的一个基本原则是“刀具相对与工件运动”，即编程时把工件看作是静止的，刀具看作是运动的， 同时又把刀看成是没有大小的，因此轮廓的轨迹就是刀具相对工件的运动轨迹了，也就是编程的轨迹了，但实际上刀具是有大小的，按轮廓编程会引起工件多切(一个半径值)，为了解决上述问题，数控系统引入了刀具半径补偿功能，通过使用此功能，使刀具自动偏离轮廓一个刀具半径，从而避免了多切，加工出符合图样要求的工件。如用16立铣刀加工一个100凸台，按轮廓编程时可编为G2 I50 F100,如没使用刀补功能，加工出来的凸台直径为84，有了刀补功能，就可以加工出100了。
2 刀具半径补偿的实质与分类
刀具半径补偿实质是根据编程轨迹及刀具半径（广义为刀补值），数控系统自动计算出偏离编程轨迹一个刀具半径（广义为刀补值）的刀具运动轨迹，从而刚好加工出符合要求的轮廓；而刀具的偏移是有方向的，以轮廓为基准，可以往左偏，也可以往右偏，即刀具可以在轮廓左侧，也可以在轮廓右侧，因此刀具半径补偿也分为左补偿和右补偿。如上例加工100mm凸台，当顺时针走刀，此时为左补偿，当逆时针走刀，即为右补偿，那么怎样来判定补偿类别呢？应抓住三点：首先，判定基准是轮廓，而不是工件，且是相应刀位的点轮廓，其次，人的站位——人站在哪里判定，遵循视线的方向和在加工该点轮廓时刀具的运动方向一致的原则，最后，加工该点轮廓的刀位——刀在什么位置，这样就可判定了。如上例加工凸台，当顺时针走刀时，为左刀补；如逆时针走刀，为右刀补。同样可以判定，如加工的是内孔，顺时针走刀时，为右刀补，逆时针走刀时为左刀补。值得注意的是，补偿类别不仅和走刀方向有关，也和轮廓类别有关；同一轮廓不管取轮廓上哪一点判定，结果是一致的；同一轮廓可以左刀补编程，也可以右刀补编程，通常推荐左刀补编程。
3 刀具半径补偿的过程与指令格式
刀具补偿功能是系统所有的，要使用此功能需编程，包括：刀补建立，使用和取消，因此一个完整的程序应包含以上三个方面。
建立和取消刀补有固定格式，在XY平面建立刀补指令格式为：G17 G01/G00 G41/G42 D_X_Y_F_，取消刀补指令格式为：G01/G00 G40 X_Y_F_，其中G17确定补偿平面XY，一般数控系统补偿功能只限于平面，如在XZ、YZ平面补偿，即需用G18、G19指令，G00/G01刀具移动指令，均为直线式，G01移动速度由F确定，G00的速度是由数控系统参数设置好的，不需要编程人员确定，所以指令是不带F的，需注意的是大部分系统不能在刀具走圆弧时建刀补，即建刀补不能在G02/G03程序段；G41/G42为补偿类型，左补偿为G41，右补偿为G42，G40为取消刀具半径补偿。D_为刀补储存器号码，简称刀补号，地址D后带1-3位数，D代码内存刀具偏置量——刀具补偿值，一般通过CRT面板手动输入，也可通过程序指令输入。X_Y_为该程序段刀具运动的终点位置，需强调的是该点非刀位点坐标，而是轮廓上点的坐标。
4 使用刀补功能的要点与注意问题
4.1 建立取消刀补，刀具必须在刀补平面内运动
建刀补的过程，实际上是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，是刀具发生偏离的过程，要实现偏离，刀具必须运动。如在XY平面建刀补，刀具必须在XY平面运动，才能实现XY平面偏离，要注意的是，Z向运动是没有用的。如下建刀补程序是失效的：
O123（失效的建刀补程序）
N10 G54 G40 G0 Z100（?16键槽铣刀）
N20 X-60 Y-60 M03 S1000
N30 Z2
N40 G01 Z-2 F50
N50 G41 D1 Y-60 F120
……
从N20至N50，刀具在Z向有运动，但在XY平面没有运动，因此，在N50程序段刀补没有建立起来；如把N40程序段改为G01 G41 D01 Z-2 F50，同样也难以建立刀补，因为Z向运动对建XY平面刀补是不起作用的。
取消刀补是程序有刀补的状态回归到没有刀补的状态，是建立刀补的逆过程，刀具中心从与编程轨迹偏离一个偏置量回归到与编程轨迹重合，实质上也是个刀具偏移的过程，故刀具必须在刀补平面运动，因此G40后须有补偿平面坐标指令，仅仅有G40的程序段或G0 G40 Z100等程序段取消刀补是不合理的，也容易产生过切等问题。
要注意的是，刀具运动指令有直线式的，如G00,G01;也有曲线式的，如G02,G03，建立和取消刀补的程序段，所有数控系统都支持直线式运动指令，但大部分系统不支持曲线式指令，因此不宜编写G41 D1 G02X_Y_F_之类程序段来建刀补， G40 G02X_Y_F_之类程序段来取消刀补。
4.2 启用刀补，必须指明刀具运动方向
在XOY平面建立刀具半径补偿指令格式为：GO1/G00 G41/G42 D_X_Y_F_,其实本程序段不包含启用刀补所需的足够数据，请看下面例子：
O123（铣床加工、错误的启用刀补程序）
N10 G54 G40 G0 Z100（?16键槽铣刀）
N20 X-60 Y-60 M03 S1000
N30 G41 D1 X-40 F120
N40 Z2
N50 G01 Z-2 F50
……
上述程序中，从N20～N30可知，建刀补时，刀具已经运动，但N40、N50没有指明刀具在刀补平面运动方向，就存在可能在轮廓左侧或右侧运动两种可能性，因此刀补启用是失败的。
事实上，现在数控系统大多数采用具有预览功能的C类刀具补偿，在建立或执行刀具补偿功能时，运用了多段程序段预读功能，即在程序执行时，数控系统内部同时储存了三个程序段的信息，如果补偿平面存在连续两段没有有效移动指令或非补偿平面内轴运动指令程序段，数控系统就没有足够的刀补信息，无法正确计算、修正刀具运动轨迹，并可能产生过切现象，因此编使用刀补程序时，在补偿平面内不应出现连续两段没有移动指令的程序段或非补偿平面内轴移动的程序段，如G04 X2, G0 Z2 G01 Z-2 F30, M3 S800 M08,在XY平面均属于没有运动或无效运动程序段，使用刀补时不应连续出现。
4.3 采用下刀后建刀补，抬刀后取消刀补程序
从工艺安全考虑，下刀一般分快进和工进两补，且在刀具切入工件前，往往有一些机床辅助性动作，如启动主轴，打开冷却液等，这些都不在刀具补偿平面产生有效轴运动，所以下刀前建刀补，容易产生4.2所述使用刀补问题；另一方面取消刀补过程实质上也是个刀具偏移的过程，这过程产生了不规则的刀具运动，故抬刀前取消刀补，容易产生多切问题，抬刀后取消刀补，刀具已远离工件，则避免了多切的现象。4.4 采用与轮廓相切方向进出刀工艺
数控铣床铣削轮廓时，沿轮廓切向进出刀不仅保证了工件表面质量，也避免使用刀补时产生问题，因此原则上，在条件许可的情况下，尽量采用切向切入和切出工件轮廓表面，下面非切向进退刀易产生问题：如图1，加工一个内方孔，如能合理进刀，只会在四个角出现少切现象，但沿OA进刀切入，则会产生过切现象。O123
N10 G54 G40 G0 Z100（?16键槽铣刀）
N20 X0 Y0 M03 S1000
N30 Z2
N40 G01 Z-2 F50
N50 G41 D1 X40 Y-40 F120
N60 Y40
N70 X-40
……
上例中，从刀补角度分析，法向切入也是可以的，沿OA处法向进刀，不会产生过且，但是法向切出会产生少切现象：
O123
N10 G54 G40 G0 Z100（?16键槽铣刀）
N20 X0 Y0 M03 S1000
N30 Z2
N40 G01 Z-2 F50
N50 G41 D1 Y-40 F120
N55 X40
N60 Y40
N70 X-40
N80 Y-40
N90 X0
N100 Y0
N110 G0 Z100
N120 G40 Y200
N130 M30
上例中，非切向任何方向出刀，都会引起少切现象，如采用切向圆弧切入、切出则不会产生过切、少切等问题。
5 结语
刀具半径补偿是数控系统中一个很重要的功能，本文讲述了刀具半径补偿一些基本理论与问题，对从事数控教学与数控相关工作者会有一定指导意义，请注意的是本文主要以华中世纪星数控系统为依据来探讨，仅供参考。
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