对刀具半径补偿功能的分析

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一、前言
零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中的控制点是刀具中心，因此在数控加工前数控系统必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。只有将编程轮廓数据变换成刀具中心轨迹数据才能用于插补。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指令。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，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。
二、刀具半径补偿方式有B功能刀具补偿和C功能刀具补偿两种。
. o) t1 I* F% A% [) X. I1．B功能刀具半径补偿
0 {  f9 _, c: r: f2 u早期的数控系统在确定刀具中心轨迹时，都采用读一段、算一段、再走一段的B功能刀具半径补偿（简称B刀补）控制方法，它仅根据程序段的编程轮廓尺寸进行刀具半径补偿。对于直线而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的直线段；对于圆弧而言，刀补后的刀具中心轨迹为轮廓圆弧的同心圆弧段。因此，B刀补要求编程轮廓间以圆弧连接，并且连接处轮廓线必须相切；而对于内轮廓的加工，为了避免刀具干涉，必须合理地选择刀具的半径（应小于过渡圆弧的半径）。由于B刀补编程轮廓为圆角过渡，前一程序段刀具中心轨迹的终点即为后一程序段刀具中心轨迹的起点，因此数控系统无需计算段与段间刀具中心轨迹的交点。也就是说，数控系统进行刀具半径补偿时仅需知道本程序段的轮廓尺寸。
B刀补仅根据本程序段的编程轮廓尺寸进行刀具半径补偿，无法预计由于刀具半径所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，不能自动解决程序段尖的过渡问题，需要编程人员在相邻程序段转接处插入恰当的过渡圆弧作圆角过渡。显而易见，这样的处理存在着致命的弱点：一是编程复杂，二是工件尖角出工艺性不好。
7 l. v/ u+ O1 f6 L/ C随着计算机技术的发展，数控系统的计算机计算相邻程序段刀具中心轨迹交点已不成问题，因此CNC系统已不再B功能刀具半径补偿，而采用C功能刀具半径补偿。
2．C功能刀具半径补偿
, c7 a3 \9 {# Y! i  ^C功能刀具半径补偿（C刀补）在计算本程序段刀具中心轨迹时，除了读入本程序段编程轮廓轨迹外，还是提前读入下一程序段编程轮廓轨迹，然后根据他们之间转接的具体情况，计算出正确的本段刀具中心轨迹。
% N! @4 ]8 S* D7 R6 t+ \7 PC刀补自动处理两个程序段刀具轨迹的转接，编程人员完全可以按工件轮廓变成而不必插入转接圆弧，因而在现代CNC系统中得到了广泛的应用。现以C刀补为例讲述刀具半径补偿的使用技巧。
+ X9 k/ @  ?/ ?9 Q; A1 J3 P1 z三、C刀具半径补偿的执行过程
C刀具半径补偿的执行过程一般可分为3步。
* F' a8 O: F2 D4 ^- j1．刀补建立
数控系统用G41/G42指令建立刀补，在刀补建立程序段，动作指令只能用G00或G01，不能用G02或G03。 刀补建立过程中不能进行零件加工。
2．刀补进行
在刀补进行状态下，G01、G00、G02、G03都可使用。它根据读入的相邻两段变成轨迹，自动计算刀具中心的轨迹。在刀补进行状态下，刀具中心轨迹与编程轨迹始终偏离一个刀具半径的距离。
; Q8 B5 `1 X" |" R% M% [9 U* n3．刀补撤销
' H9 D+ i* E0 w; ?7 F3 |# i刀补撤销也只能用G01或G00，而不能用G02G03。
2 A; C# ~3 m. J; \; [* K刀补撤销是刀补建立的逆过程，同样，在该过程中不能进行零件加工。

8 o" A* c  g7 Y4 E' J在G17指令有效时，编程格式：G41（G42）G00（G01）X－－-Y－－- D－－-（F－－-）
+ v5 g* ~8 C* k5 e- b. ~G40 G00（G01） X－－-Y－－-（F－－-）
其运动轨迹见图。
2 H" Y1 y& H3 m, ^G41指令表示刀具半径左侧补偿。沿刀具进给方向看去，刀具中心在零件轮廓的左侧（见图,通常顺铣时采用左侧补偿）。
" ]- q: r+ B, E1 N' Q5 tG42指令表示刀具半径补偿。沿刀具进给方向看去，刀具中心在零件轮廓的右侧（见图，通常逆铣时采用右侧补偿）。
G40指令表示刀具半径补偿取消。当G41或G42程序完成后用G40程序段消除偏置，从而使刀具中心与编程轨迹重合。
3 R5 a! ]* B; l四、加工过程中的过切判别及避免技巧
C刀补除了能根据相邻两段编程轨迹的转接情况，自动进行刀具中心轨迹的计算外，还有一个显著的优点，即能避免过切现象。若编程人员因某种原因编制了肯定要产生过切的加工程序时，系统在运行过程中能提前发出报警信号，避免过切事故的发生。

在刀具半径补偿的切削程序段中，即从G41（或G42）开始的程序段到G40结束的程序段之间，FANUC系统对处理2个或更多刀具在平面内不移动的程序段（如暂停，M99返回程序，子程序名，第三轴移动等等），刀具将产生过切现象。如用Ф10mm立铣刀对如上图所示矩形进行轮廓铣削。程序如下：
%
/ U0 W& {3 J) f3 w+ P. v:3103;                           主程序名
T1 ；
M06  ；                          换上一号刀
G54 G90 G0 G43  H1  Z100.0 ；    选择坐标系，引入长度补偿
M3  S600  ；                     主轴正转
  J7 r- \6 g! O- B: I$ {% vX-30.0  Y20.0 Z1.0；             到达起刀点
G41  Y12.5  D1；                 引入刀具左侧半径补偿
. c/ J/ a$ T$ Y+ M3 gX-20.0 ；                        过渡段
* l0 z* L" @; u5 G' E: ^+ RM98  P23014；                    调用O3014子程序2次
# X; L' X) u6 w% ~% V1 k4 ZG00  Z100.0；                    主轴上升
; M) `; F# K" oY20.0 ；                         过渡段
G40  X-30.0 ；                   取消半径补偿
, B  G2 G; o% kG49  Z0 ；                       取消长度补偿，到机床坐标Z0
M30；                            程序结束
. A4 _" c! A# M: `4 m%
4 @2 M2 |% g6 C5 x：3104；                         子程序名
G1  G91  Z-5.0  F50；            在A点处沿-Z增量切削
9 I* K2 s- v/ P+ yG90  X20.0  F100；               到B点（B到C自动完成）
Y-12.5；                         到D点（D到E自动完成）
5 V# R2 ^' c/ DX-20 ；                          到F点（F到C自动完成）
6 [4 X* j. K' P6 u+ T' O( k3 VY12.5 ；                         到H点
$ E4 p  X# |$ W/ d6 Z4 E$ G: ZM99 ；                           子程序结束并返回
+ o: ~1 l' y% u) A3 d9 {3 g%
3 h- ?8 B- S; j& @- d子程序修改为：
* I& b6 J+ K5 U3 O/ l6 I9 w%
：3104  G1 G91  Z-5.0  F50；
G90  X20.0  F100：
Y-12.5；
( A- [2 h. T( P1 m, ?6 H! o, t( vX-20.0；
9 B9 J1 f' S) F; A1 t. iY12.5  M99；
%
在编程序时，如果把刀具半径补偿引入与取消的程序段放在主程序中，那么当调用子程序（加工轮廓的程序）的次数超过1时，在切削第2次的时候就会出现过切现象（见图打剖面线部分）。这主要由于在上面的程序中，程序段M99，O3014，G1  G91  Z-5.0  F50中已超过2次以上没有X，Y方向上的移动，从而引起过切。此时可采取减少程序段的方法，把子程序名放到第一个程序段的段首；把M99放到最后一个程序段的段尾。


另外必须严格按照上图所确定的切入方法，即必须有过渡段；否则刀具补偿没有完成，同样会产生过切现象。
& @# I+ [" l1 M( Y, R- n0 ]在实际加工过程中，可能还有各种各样的过切削情况，限于篇幅，此处不一一列举。
% I% _9 `+ ~! X1 V! R五、改变刀补值实现零件的粗、精加工
刀具补偿功能给数控加工带来了许多方便，简化了变成工作。编程人员不但可以直接按工件轮廓编程，而且还可以用同一个加工程序对工件轮廓进行粗，精加工。当按工件轮廓编程以后，在粗加工零件时我们可以把偏置量设为R+△，其中△为精加工前的加工余量；而在精加工零件时，偏置量仍然设为R（对于有公差要求的零件，精加工时的偏置量应设置为R+平均偏差/2）。

六、使用刀具半径补偿注意事项
前面阐述了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的重要意义，然而在实际使用时必须注意以下几个事项：
% r$ [; ]1 P& D使用刀具半径补偿指令时应注意：
5 w$ Y  B3 s6 I/ `; ]# x' o1）从无刀具补偿状态进入刀具半径补偿方式时，或在撤消刀具半径偿时，刀具必须移动一段距离，否则刀具会沿运动的法向直接移动一个半径量，很容易出意外，特别在加工全切削型腔时，刀具无法转回空间，会造成刀具崩断。
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。
- k' O2 x/ L( d2 i( O3）D00 - D99为刀具补偿号，D00意味着取消刀具补偿。刀具补偿值在加工或运行之前必须设定在补偿存储器中。
) M% X& u: |0 y8 o7 }总之，刀补值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。
6 F$ r* I, V/ B  _, f七、结论
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。
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