数控加工中刀具补偿的应用

数控加工中刀具补偿的应用
朱卫峰[中国长江动力公司(集团)]
摘要:刀具补偿是数控机床的主要功能之一,他分为:刀具长度补偿、刀具半径补偿、刀具偏置补偿种。

它们基本上能解决加工过程中根据刀具几何形状尺寸产生零件轮廓轨迹等问题,从而保证加工出符合图纸尺寸要求的零件。

关键词:刀具半径补偿,刀具长度补偿,刀具几何补偿,磨损补偿
引言:刀具补偿的理论及其实现,在各类数控系统中都已经是比较成熟的技术。

在使用数控机床加工零件的过程中,刀具的运动轨迹不等同于工件的轮廓。

为了保证工件轮廓形状,加工时数控系统必须根据工件轮廓和刀具的几何形状尺寸计算出刀具中心运动轨
迹。

在建立、执行刀补后,数控系统自动计算、自动调整刀位点到刀具的运动轨迹从而加工出符合图纸尺寸要求的形状。

当刀
具磨损或更换后，加工程序不变，只须更改程序中刀具补偿的
数值。

刀具补偿使用简单方便，能极大提高编程的工作效率。

下面就刀具补偿在一般数控加工中的应用进行探讨:
一.刀具半径补偿
1.刀具半径补偿的概念
A.在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，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。

在进行轮廓加工时，
刀具中心偏离零件的实际轮廓表面(图纸中所要加工对象的轮廓)一个刀具半径值。

这种偏移，称为刀具半径补偿。

B.采用刀具半径补偿的作用和意义
数控机床一般都具备刀具半径补偿的功能。

在加工中，使用数控系统的刀具半径补偿功能，就能避开数控编程过程中的繁琐计算，而只需计算出工件加工轮廓轨迹的起始点坐标值即可。

同时，利用刀具半径补偿功能，还可以实现同一程序的粗、精加工以及同一程序的阴阳模具加工等功能。

C.刀具半径补偿指令的使用方式
根据ISO 标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的左
边时，称为左刀补，用G41表示；刀具中心轨迹在编程轨迹前
进方向的右边时，称为右刀补，用G42表示；注销刀具半径补
偿时用G40表示。

2 刀具半径补偿过程
A.刀具半径补偿建立：当输入的程序段包含有G41/G42命令时，
系统认为此时已进入刀补建立状态。

当以下条件成立时，加工
中心以移动坐标轴的形式开始补偿动作。

a.有G41或G42被指定；
b.在补偿平面有轴的移动；
c.指定了一个补偿号或已经指定一个补偿号但不能是D00；
d.补偿平面被指定或已经被指定；
e.G00或G01模式有效。

B.补偿模式：在刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程
轨迹一个刀具半径值的距离。

此时半径补偿在G00、G01、G02、G03情况下均有效。

C.取消补偿：使用G40指令取消程序段偏置值，使刀具撤离工件，
回到起始位置，从而使刀具中心与编程轨迹重合。

当以下两种情况之一发生时加工中心补偿模式被取消。

①给出G40同时要有补偿平面坐标轴移动。

②刀具补偿号为D00。

3 刀具半径补偿在数控加工中的应用
有了刀具半径自动补偿功能，除可免去刀心轨迹的人工计算外，还可利用同一加工程序去完成粗、精加工及阴阳模具加工等。

A.不同平面的半径
补偿
刀具半径补
偿用G17、
G18、G19命
令在被选择图1 G18指令的使用
的工作平面进行补偿。

即当G18命令执行后，刀具半径补偿仅影响X、Z移动，而对Y轴没有作用。

铣削如图1所示圆柱面，使用刀具是半径为10mm的球形立铣刀。

编程控制点有两个，即刀尖、球心，这里使用球心。

O0001
N1 G90G54G18G00X60.0Y0S1000M03;
N2 Z0;
N3 G91G01 G41X-20.0D01 F100;
N4 G02X-80.0I40.0;
N5 G40G0lX20.0;
┇
┇
N22G90G00Z100.0;
N23X0 Y0M05;
N24 M30;
B.实现同一程序的粗、精加工：刀具半径补偿除方便编程外，还可改变补偿大小的方法以用实现同一程序的粗精加工。

粗加工刀具补偿量＝刀具半径+精加工余量，精加工刀具补偿量＝刀具半径+修正量
C.实现同一程序的阴阳模具加工,例如:
在加工同一公称尺寸的、外两种型面时，可分别
调用G41、G42指令，利用同一程序(G41G42互换)
完成、外两种型面的加工。

如图2。

例:考虑刀具半径补偿，编制图a 所示零件的
加工程序。

要求建立如图所示的工件坐标系，按
箭头所指示的路径进行加工。

设加工开始时刀具
距离工件上表面50mm ，切削深度为2mm 。

Y
X
O
30
20
10
10203040-10-10A B C D E 对刀点K ①
②③④⑤⑥⑦
图a 刀补指令的应用
解：一个完整的零件程序如表8-6。

表8-6 刀具半径补偿指令的应用
程 序 说 明
图2 、外两种型面
的加工
%8031 程序名
N10 G92 X-10 Y-10 Z50 确定对刀点
N20 G90 G17 在XY平面，绝对坐标编程
N30 G42 G00 X4 Y10 D01 右刀补，进刀到（4，10）的位置
N40 Z2 M03 S900 Z轴进到离表面2mm的位置，主
轴正转
N50 G01 Z-2 F800 进给切削深度
N60 X30 插补直线A→B
N70 G03 X40 Y20 I0 J10 插补圆弧B→C
N80 G02 X30 Y30 I0 J10 插补圆弧C→D
N90 G01 X10 Y20 插补直线D→E
N100 Y5 插补直线E→（10，5）
N110 G00 Z50 M05 返回Z方向的安全高度，主轴停转
N120 G40 X-10 Y-10 返回到对刀点
N130 M02 程序结束
4 使用刀具半径补偿时常见的问题
A.在建立、取消刀补时所使用的G41、G42、G40指令
的程序段中，必须同时使用G00或G01指令，不能使用
G02或G03指令；
B.当刀具半径补偿取负值时，G41和G42的功能互换；
C.刀具半径补偿有B功能和C功能两种补偿形式。

由于B功能刀具
半径补偿只能根据本段程序进行刀补计算，在两个程序段之间的刀具中心轨迹就会出现间断点或交叉点. 因此工件尖角处工艺性较差；C 功能刀具半径补偿能自动处理,两程序段之间采用直线或圆弧过渡, 其刀具中心轨迹的转接，可完全按照工件轮廓进行编程，因此现代C 数控机床几乎都采用C功能刀具半径补偿。

当采用C功能刀具半径补偿时，要求在建立刀具半径补偿程序段的后续两个程序段中，必须含有指定补偿平面的位移指令(G00、G01，G02、G03等)，否则无法建立正确的刀具半径补偿。

二.刀具长度补偿
1.刀具长度在数控加工中是一
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。

长度补
偿只是和主运动轴(一般为Z
轴)坐标有关，它不同于X、Y
平面的编程零点是由主轴锥孔
定位而不改变，而对于Z坐标
的零点就不一样了。

每一把刀
的长度都是不同的，如图3所示我们要加工两个Φ20mm的孔（用1号刀）和一个Φ10mm（用2号刀）的孔，分别用一把长度50mm 直径20mm的1号刀（基准刀）和长度100mm直径10mm的2
号刀加工。

在该工件的加工过程中需要用两把不同的刀具，而此时机床已经设定了工件零点，当换刀加工另一个孔时，如果2号刀也从设定零点开始加工，2号刀因为比1号刀长，所以会导致刀具和工件相撞。

此时如果设定刀具补偿，把1号刀和2号刀的长度进行补偿，此时机床零点设定之后，即使是1号刀和2号刀长度不同，因补偿的存在，在调用2号刀工作时，零点Z 坐标已经自动向Z+（或Z-）补偿了2号刀的长度，保证了加工零点的正确。

具体的加工程序如下：（以主轴轴端作为起刀点，设置H01= 50mm，H02= 100mm，图4）
N10 G92 X0 Y0 Z0；
N20 G90 G00 X60.0 Y70.0 Z150.0；
N30 T01 M06；
N40 G43 Z-32.0 H01；
N50 G01 Z-53.0 F120；
N60 G04 P2000；
N70 G01 Z-32.0；
N80 X150.0 Y50.0；
N90 G01 Z-55.0 F120；
N100 G04 P2000
N110 G49 G00 Z-32.0；
N120 M00；
N130 G92 X0 Y0 Z0；
N140 G90 G00 X90.0 Y30.0 Z150.0；
N150 T02 M06；
N160 G43 Z-32.0 H02；
N170 G01 Z-70.0 F120；
N180 G04 P2000；
N190 G49 G01 Z-32.0；
N200 G00 X0 Y0 Z0；
N210 M30；
在上述程序中，我们不难发现，在编程中坐标值是完全按工件的轮廓尺寸编写的，而编程的零点并不是刀位点，那么为何在加工过程中没有发生撞刀呢？这是因为我们使用了刀具长度补偿指令G43，执行该指令后会使刀具的位置发生变化，那么我们应该如何使用这个指令呢？
2、刀具长度补偿指令的使用技巧
刀具长度补偿指令主要针对刀具轴向（Z方向）的补偿。

它能使刀具在Z方向上的实际偏移量在程序给定值基础上增加或减少一个偏置量，由G43和G44两个指令实现。

G43为刀具长度正补偿，G44为刀具长度负补偿。

A、正负补偿及偏置量的确定
在长度补偿指令中出现了两个指令，那么在编程过程中应该如何使用这两个指令呢？对于正、负补偿指令，主要是根据Z 轴的方向确定，如果刀具的刀位点在编程原点Z坐标的负方向
上，则使用正补偿指令（G43），反之，则用负补偿指令（G44）。

H为补偿功能代号，它后面的两位数字表示的是刀具补偿寄存器的地址字，寄存器中存放刀具长度的补偿值，那么补偿值应如何确定呢？一般有两种情况：一是以主轴轴端中心作为起刀点，则以刀具离轴端伸出的长度作为H中的偏置量；如果以标准刀的刀位点作为起刀点，则是以与标准刀的长度差值作为其偏置量。

该值可以为正，也可以为负。

如果刀具刀位点朝Z轴正方向运动是靠近编程零点位置，则用G43指令，H××中赋与正值，如果H ××中赋与负值，就变成了G43指令的反方向补偿，即相当于指令G44。

为了不混淆G43、G44的用法，我们通常都采用G43指令，而通过H××中补偿量的正负设定来达到G44的使用效果。

B、长度补偿指令中刀具的位置变化
由于刀具的位置直接影响工件的加工，因此刀具的位置的变化就显得至关重要，那么在执行长度补偿指令后刀具的位置究竟会发生怎样的变化呢？在
教材的编排中主要是通过
公式的坐标值计算来理解
刀具位置的变化。

这一方法,
在理解的过程中总是会出
现一些偏差，而且用坐标的
计算也相对来说比较的繁
琐。

如将坐标的变化转化为工件坐标系的变化就直观多了.也就
是将工件坐标系和刀具一起沿Z轴方向移动一个刀具长度补偿值。

以G43指令为例，H××中的补偿值为正则Z轴正方向移动，反之则负方向移动。

我们还是以图5中孔的加工来进行说明。

当我们用1号刀加工孔①时，教材中的方法是执行G43后，起刀点
Z实际值=Z指令值+50= - 53+50= - 3mm，可以看到刀具在Z方向的每一个坐标都要计算之后才能知道刀具刀尖点的正确位置。

在实际中，我将刀具和工件坐标系一起移动刀具的长度补偿值，建立新的坐标系XOZ′(如图5)，把加工程序中的Z坐标值放在新的工件坐标系XOZ′上来处理，这样编程的起刀点就变为了1号刀的刀位点，从而，加工出符合要求的零件。

综上所述，可以看出：以建立新坐标系的方法来处理刀具长度补偿，可以简化刀具长度补偿中的繁琐计算，利用长度补偿指令可以简化编程，提高工作效率。

三. 刀具偏置补偿
1.刀具偏置补偿的概念
刀具偏置补偿分为两类：一类是刀具几何偏置补偿，另一类是刀具磨损偏置补偿。

A.刀具几何补偿是补偿刀具形状和刀具安装位置与编程时
理想刀具或基准刀具的偏移,它主要应用于数控车床,车床刀架可装夹多把刀具,利用刀具几何偏置补偿,刀架转位后的刀具的刀尖偏置到与刀架转位前的刀具刀尖所在的位置,达到刀具重合,在工
件坐标系中的坐标就不产生改变.
.B.刀具磨损偏置补偿是当刀具使用磨损后刀具头部与原始尺寸的误差,将磨损量补偿到刀具数据库中,调用刀具号和补偿号时,自动进行补偿.
2.刀具偏置补偿的使用
刀具偏置通常由T代码指定。

在FANUC 0i系统中，T代码指定有两种方式，一种是2位数指令，另一种是4位数指令。

2位数指令是指T地址后面跟两位数字，第一位数字表示刀号，第二位数字表示刀具磨损和刀具几何偏置号，例如，T12表示调用第1号刀，调用第2组刀具磨损和刀具几何偏置。

还有一种方法是把几何偏置和磨损偏置分开放置，用第一位数字表示刀号和刀具几何偏置号，用第二位数字表示刀具磨损偏置号。

例如，T12表示调用第1号刀，调用第1组刀具几何偏置，调用第2组刀具磨损偏置。

4位数指令是指T地址后面跟四位数字，前两位数字表示刀号，后两位数字表示刀具磨损和刀具几何偏置号。

例如，T0102表示调用第1号刀，调用第2组刀具磨损和刀具几何偏置。

同样的，4位数指令也可以把几何偏置和磨损偏置分开放置，用前两位数字表示刀号和刀具几何偏置号，用后两位数字表示刀具磨损偏置号。

例如，T0102表示调用第1号刀，调用第1组刀具几何偏置，调用第2组刀具磨损偏置。

偏置号的指定是由指定偏置号的参数设定的。

例如，对2
位数指令而言，当参数5002号第0位LD1设定为1时，用T代码末位指定刀具磨损偏置号；对于4位数指令而言，当参数5002号0位LD1设定为0时，用T代码末两位指定刀具磨损偏置号。

刀具偏置号有两种意义，既可用来开始偏置功能，又可用来指定与该号对应的偏置距离。

当刀具偏置号后一位(2位数指令)为0时或者最后两位(4位数指令)为00时，则表明取消刀具偏置值。

一般情况下，常用4位数指令指定刀具偏置。

在西门子840D系统中T代码指令后面接刀补号D__即T1D1,刀具地址表可直接更改或添加刀具磨损值.
四.结束语:
数控机床具有刀具补偿功能,极大的方便计算和编程，提高了工件加工的效率,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。

参考文献:
玉刚,宋现春数空技术机械工业
詹华西数控机床操作与编程职业技术学院(本院自编教材)
胡涛尊洪数控铣床编程与操作基础华中数控系统
董建国数控编程与加工技术中南大学
西门子股份公司SINUMERIK 840D编程手册。