硅谷杂志：浅谈数控编程中的刀具半径补偿 |
| 2012-11-02 11:46 作者：彭朝晖 彭双平 唐志英 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月2日讯】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，刀具半径补偿能解决数控加工过程中因刀具形状改变而产生的加工轨迹变化问题，有效地提高编程工作效率。通过大量的实例，综合归纳数控车削、数控铣削、加工中心加工过程中刀具半径补偿的意义及实现途径，探索零件加工过程中尺寸精度控制方法。
补偿即偏置，数控刀具在加工零件时，由于存在刀具半径或刀尖半径，其刀心运动轨迹与零件的加工轮廓不可能重合，而是存在一段距离，补偿这段距离可大大简化程序的编写。数控加工中，通过刀具长度补偿，刀具半径补偿，夹具补偿这三种方式基本上能解决加工过程中因刀具形状改变而产生的轨迹变化问题。本文主要介绍刀具半径补偿在数控车、铣和加工中心编程中的应用。
1数车中的刀尖半径补偿
1.1刀尖半径补偿的意义
在编程时，一般是把刀尖看成一个点来考虑，但在实际生产中刀尖位置是有圆弧的，如图1所示。当用理论刀尖点编出的程序进行外圆、内圆、端面等与轴线平行或垂直的表面切削时，是不会产生形状误差的。可是当在进行倒角、锥度、圆弧等加工时，如果不考虑刀尖的圆弧，就会出现少切、过切现象，导致工件产生形状误差。若工件要求不高或留有精加工余量，可忽略此误差，否则应考虑刀尖圆弧半径对工件形状的影响。对具有刀尖半径补偿功能的数控系统，可以根据刀尖半径计算出刀尖补偿量，避免进行倒角、锥度、圆弧等加工时的少切、过切现象。
图1实际刀尖半径
1.2刀尖半径补偿的实现
1.2.1代码G41G42G40的含义
程序按工件轮廓尺寸编制，而刀尖园弧半径补偿是通过G41、G42、G40代码及T代码指定的刀尖园弧半径补偿号加入或取消半径补偿。G41是左补偿，G42是右补偿，取消刀具半径补偿时，使用G40指令。G40必须和G41或G42成对使用，如图2所示。
图2G41G42的含义
1.2.2编程格式
G00（或G01）G41/G42X＿Z＿（F＿）；
G00（或G01）G40X＿Z＿（F＿）；
说明：
1）G41/G42不带参数，其补偿号（代表所用刀具对应的刀尖半径补偿值）由T代码指定。且刀尖圆弧补偿号与刀具偏置补偿号对应。
2）刀尖半径补偿的建立与取消只能用G00或G01指令，不能是G02或G03。
3）G40、G41、G42都是模态代码，可相互注销。
例如：考虑刀尖半径补偿，试编程。
图3球头零件
O0001；
N1T0101；
N2M03S1000；
N3G00X40Z5；
N4G00X0；
N5G01G42Z0F0.1；
N6G03U24W-24R15；
N7G02X26Z-31R5；
N8G01Z-40；
N9G00X30；
N10G40X40Z5；
N11M30；
2数铣、加工中心中的刀具半径补偿
2.1刀具半径补偿的意义
用铣刀加工工件的内、外轮廓时，使用刀具半径补偿指令进行编程，能有效地简化编程程序，减少编程工作量。因为编程时，不论粗、精加工，只需按照零件的轮廓尺寸进行计算编写程序，而不要考虑刀具形状的改变和加工余量的变化，刀具尺寸和加工余量的变化通过补偿方式输入到数控系统中，以调整刀尖运动轨迹。采用刀具半径补偿方式，不论多复杂的零件，都只按照零件轮廓线进行计算编程，由补偿系统调整控制刀具运行轨迹，使复杂问题简单化，为我们加工非常复杂的模具型腔提供了便利的条件。
2.2刀具半径补偿的实现
2.2.1代码G41G42G40的含义
刀具半径补偿是通过指令G41、G42来执行的。补偿有两个方向，即沿刀具切削进给方向垂直方向的左面和右面进行补偿，符合左右手定则；G41是左补偿，符合左手定则如图4所示；G42是右补偿，符合右手定则，如图5所示。当取消刀具半径补偿时，使用G40指令。G40必须和G41或G42成对使用。
图4刀具半径左补偿图5刀具半径右补偿
2.2.2编程格式
格式：G00（或G01）G41/G42D＿X＿Y＿（F＿）；
G00（或G01）G40X＿Y＿（F＿）；
说明：
1）D后加上数值是刀具补偿号码，它代表了内存中刀具补偿的数值，例如D01就代表了在刀具补偿内存中第1号刀具的半径值，这一半径值是预先输入在内存刀具补偿（Offset）中的01号位置上。刀具补偿号地址数设有100个，即D00～D99。
2）在使用G41、G42进行半径补偿时，应特别注意使补偿有效的刀具移动方向与坐标。刀具半径补偿的起刀位置很重要，如果使用不当刀具所加工的路径容易出错，因此，在使用G41、G42进行半径补偿时应采取以下步骤：
①设置刀具半径补偿值；②让刀具移动来使补偿有效（此时不能切削工件）；③正确地取消半径补偿（此时也不能切削工件）。
切记，在切削完成而刀具补偿结束时，一定要用G40使补偿取消。G40的使用同样遇到和使补偿有效相同的问题，要等刀具完全切削完毕并安全地退出工件以后才能执行G40命令来取消补偿。
例如，图6所示的正方形为刀具半径补偿状态，其数控加工程序为：
图6刀具半径补偿实例
O0002；
N1G91G28Z0；
N2T1M6；
N3G90G54G00G40X0Y0S800M03；
N4G43Z100H01；
N5Z2M8；
N6G0G41X20.0Y10.0D01；
N7G01Y40.0F100；
N8X30.0；
N9Y-30.0；
N10X-40.0；
N11G00G40X-10.0Y-20.0M05；
N12M30；
2.3刀具半径补偿功能的应用
①使用该功能可以在用圆头刀具进行轮廓加工时，程序编制无需按刀具中心的运动轨迹进行，而按零件轮廓尺寸进行。
例：如图7，说明用刀具补偿功能编程的方法。用φ10mm立铣刀铣削该零件的轮廓，零件的编程原点为O，加工路线为：①→②→③→④→⑤→⑥…。刀具半径补偿代号为D01。
图7
O0003；
N010G17G80G54；
N020G90G0X-60.Y-60.S800；
N030G43Z10.H01M03；
N040Z-24.M08；
N050G41G01Y-30.D01F100；
N060Y0；
N070G02X-30.Y30.R30.；
N080G01X30.Y30.；
N090G02X30.Y-30.R30.；
N100G01X-30.Y-30.；
N110G02X-60.Y0R30.；
N120G01X-60.Y30.；
N130G40G0X-60.Y60.M09；
N140Z20.；
N150X0Y0；
N160M30；
②当刀具发生磨损、重磨及换新刀而导致刀具直径变化时，使用刀具半径补偿功能，只需手动输入改变后的刀具半径，而不必修改已编制好的程序；
例如：T02号刀具X磨损量设为0.3mm，Z方向磨损量设为0.2mm。精加工程序运行后，测得φ20外圆实际尺寸为φ20.2，比平均尺寸还大0.242mm，单边大0.121；则把X方向磨损量修改为0.3mm-0.121mm=0.179mm。
长度31实际尺寸若为30.2mm，比平均尺寸还大0.275mm，则把Z方向磨损量修改0.2mm-0.275mm=-0.075mm。
③在粗、精加工时，使用刀具半径补偿功能，只需人工改变刀具补偿的偏置量，就可以利用同一程序，同一尺寸的刀具进行粗、精加工。
粗加工刀具半径补偿=刀具半径+精加工余量
精加工刀具半径补偿=刀具半径+修正量
如图8所示，当按零件轮廓编程以后，在粗加工零件时设补偿量为D，D=R＋△，其中R为铣刀半径，△为精加工前的加工余量，那么零件被加工完成以后将得到一个比零件轮廓ABCDEF各边都大△的零件A＇B＇C＇D＇E＇F＇。在精加工零件时，设补偿量D=R，这样零件被加工完后，将得到零件的实际轮廓ABCDEF。
图8
④此外，用刀具补偿功能，可利用同一个程序，加工同一个公称尺寸的内、外两个型面。如图9（a）所示，粗实线为零件的轮廓线，在编程时，设当补偿量为＋D时，刀具中心将沿轨迹A在轮廓外侧切削，那么当补偿量为-D时，刀具中心将沿轨迹B在工件轮廓内侧切削。这就相当于图9（b）的模具，即按轨迹A加工模具的阳模，按轨迹B加工模具的阴模。
图9模具零件
3零件加工过程中尺寸控制方法
数控机床上首件加工均采用试切和试测方法保证尺寸精度，具体做法：粗加工完后，停车测量精加工余量，根据精加工余量设置精加工刀具（假设为T02号）磨损量，避免因对刀不精确而使精加工余量不足出现缺陷。然后运行精加工程序，程序运行完后，停车测量；根据测量结果，修调精加工车刀磨损值，再次运行精加工程序，直至达到尺寸要求为止。（修调量的计算在前面以述）
首件加工尺寸调好后，将程序中M0M5指令删除即可进行成批零件的生产，加工中不需要再测量和控制尺寸，直至刀具磨损为止。
4结语
刀具补偿功能给数控加工带来了方便，简化了编程工作。编程人员可以直接按零件轮廓编程，可以忽略刀具半径，临时更换刀具也好、进行粗精加工也好，只需更改刀具半径补偿值，数控系统就会自动计算刀心轨迹。既简化了编程，又能很容易地调整加工轮廓的尺寸。
作者简介：
彭朝晖（1970-），女，汉族，工学学士，工程师，研究方向：数控编程与加工；彭双平，男，汉族，工学学士，自动控制工程师，湖南省工业设备安装有限公司；唐志英，男，汉族，数控车工一级技师，潇湘职业学院。
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