数控机床刀具补偿分析

数控机床刀具补偿分析
【摘要】
数控加工中刀具补偿得到了广泛应用。

在实际加工的过程中，由于不同刀具的半径都各不相同，在加工中会产生很大的加工误差。

因此，在实际加工时必须通过刀具补偿的指令，使数控车床根据实际使用的刀具尺寸，自动调整其坐标轴的移动量，如果能够合理建立和灵活的运用刀具补偿功能，就会对简化编程和提高数控加工的质量会带来极大的帮助。

本文就加工中如何的应用刀具补偿作一些探讨。

针对刀具补偿功能在数控中的应用，研究它在加工中存在的问题对此进行解决，尽量避免刀补问题的发生。

【关键词】：刀具半径补偿；功能；应用；程序；指令
目录
引言 (1)
一、刀具半径补偿 (2)
二、刀具长度补偿 (2)
三、数车中刀具补偿的应用 (3)
（一）数车刀尖圆弧半径补偿误差分析 (3)
（二）数车刀尖圆弧半径补偿方法 (4)
（三）刀尖圆弧半径补偿注意事项 (5)
四、加工中心刀具补偿应用 (5)
（一）刀具长度补偿引起误差分析 (6)
（二）刀具长度补偿方法 (6)
五、加工举例 (6)
（一）加工中心刀具长度补偿实例 (6)
（二）数车刀尖圆弧半径补偿实例 (8)
总结 (10)
参考文献 (11)
谢辞 (12)
引言
数控刀具补偿是数控加工系统的一个基础功能，在手工编程的铣削加工中广泛使用，如何的深人掌握和应用该功能，在机床加工中有非常重要的意义，在进行轮廓加工中，由于刀具有一定的半径，刀具中心的轨迹与加工工件的轨迹常不重合。

通过刀具补偿功能指令，数控系统可以根据输入的补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床加工出符合规格的零件。

20世纪60到70年代的数控加工中还没有刀具补偿的概念，编程人员必须根据刀具的理论路线和实际路线的相对关系从而进行数控编程，既容易产生错误，又使得编程的效率很低。

当数控刀具补偿的概念出现时并应用到数控系统中后，编程人员就可以直接按照工件的轮廓尺寸进行程序编辑。

从而建立并执行刀补后，由数控系统自动计算、自动调整刀位点到刀具的运动轨迹。

当刀具磨损或更换后，加工程序不变，只须要更改程序中刀具补偿的数值。

刀具补偿的使用简单方便，能很大的提高编程的工作效率。

一、刀具半径补偿
因为有了刀具半径补偿，我们在编程时候就可以不要考虑太多刀具的直径大小。

就以铣刀铣削外轮廓为例，在没有使用半径补偿时，我们必须依次算出其刀具中心各点的坐标，然后进行编程。

当刀具直径发生变化时候，各点的坐标必然也会发生相应的变化，程序中的坐标点就需要重新进行计算，这样使得每一次刀具变化都要我们重新计算和重新编程，大大增加了我们数控编程的工作量。

同样的情况我们使用了刀具半径补偿功能，我们就不需要计算刀具的实际中心轨迹，只要根据工件计算出图纸上各点的相应坐标编出程序，然后把刀具半径作为补偿量放在补偿寄存器。

数控系统就能自动计算出刀具中心的轨迹，最后不论刀具半径如何的变化，我们只需更改相应刀具半径的补偿值，就可以控制工件外形尺寸，对程序基本不用修改。

刀具半径补偿是通过指令G41、G42来执行的，基本格式为G41/G42 G00/G01 X_ Y_ H_；其中H为补偿量代码。

刀具补偿有两个方向：当沿着刀具切削方向看时，刀具在工件轮廓的左侧就是左补偿这时用G41，反之则是半径右补偿此时用G42。

取消补偿用G40；刀具半径补偿的应用。

在应用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线就容易出错，将会影响加工的零件的形状。

正确的走刀方式应该是在刀具没有切削工件之前就让半径补偿有效，然后再进行正常的切削。

同样的在取消刀具半径补偿时，也应该是在切削加工完毕离开工件之后。

二、刀具长度补偿
加工中心上刀具长度补偿只是和Z坐标方向有关，对于X平面、Y平面内的编程零点，因为刀具是由主轴锥孔定位决定，所以X、Y平面内的编程零点位置是固定不变的。

对于Z坐标的编程零点就不一样了。

在加工中心应用的每一把刀具其长度都是不同的，例如，我们要钻一个深度为30mm的孔，然后将其进行攻丝，攻丝深度设为20mm，加工刀具假设为一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。

首先用钻头钻削出30mm 深的孔，机床以其为基准设定了相应的工件零点，当采用丝锥攻丝时，如果按照设定的工件零点开始加工，则由于两把刀具长度不同，从而使得攻丝过长，损坏了刀具和工件。

此时如果采用刀具长度补偿，那么当工件零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+（或Z-）补偿了丝锥与钻头的长度差，保证了加工零点的正确，这样就不会损坏刀具和工件了。

刀具长度补偿一般通过含有G43和H指令来实现的，格式为指令格式为G43 G01
Z_H_。

G43表示刀具长度正补偿，即把编程的Z值加上H代码指定的偏值寄存器中预设的数值后作为CNC实际执行的Z坐标移动值，也就是说实际执行的Z坐标值为
Z'=Z_+(H_)；加工结束后要取消刀具长度补偿，用指令G49实现；刀具长度补偿的应用：(1)用刀具的实际长度作为刀具长度的补偿（推荐使用这种方式）。

使用刀具的实际长度作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度，然后把测量出来的数值输入到刀具长度补偿寄存器中，作为刀具长度补偿。

以避免加工不同的工件时不断地修改刀具长度偏置值，
减少由此产生的操作失误。

（2）以其中一把较长的刀作为标准刀具，，这个标准刀具的长度补偿值为0，其余刀具实际长度与标准刀具长度的差值作为这些刀具的长度补偿数值，输入到其所采用的H代码地址内。

（3）利用每把刀具到工件坐标系原点的距离作为各把刀的刀长补偿，该值一般为负；此时用于设定工件坐标系偏置的G54的Z值为0。

三、数车中刀具补偿的应用
编制数控车床加工程序时，理论上是将车刀的刀尖看成一个点，所以实际切削时起作用的是切削刃圆弧与被加工表面所形成的两个切点，它们是实际切削加工时形成工件表面的点。

很显然，假想刀尖点与实际切削点是不同的点，所以如果在数控加工或数控编程时不对刀尖圆角半径进行补偿，仅按照工件轮廓进行编制的程序来加工，势必会产生加工误差。

现代机床基本都具有刀具补偿功能，对于具有刀尖圆弧半径补偿功能(G41左补偿和G42右补偿功能) 的数控车床，对应每一个刀具补偿号，都有一组偏置量X 、Z ，刀尖半径补偿量R 和刀尖方位号T 。

编程人员可直接根据零件轮廓形状进行编程，在数控加工前必须在数控机床上的相应刀具补偿号输入刀具圆弧半径值，加工过程中，数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自动计算假想刀尖轨迹，进行刀具圆角半径补偿，完成零件的加工。

刀具半径变化时，不需修改加工程序，只需修改相应刀具补偿号的圆弧半径值即可。

（一）数车刀尖圆弧半径补偿误差分析
在编制程序时，理论上将车刀刀尖看成一点，理论刀尖位置如图3－1所示。

实际加工中为了提高车刀的使用寿命和降低加工工件的表面粗糙度，通常将刀尖磨成半径不大的圆弧(一般圆弧半径R取0．4～1．6mm之间)，理想刀尖是编程时确定加工轨迹的点，数控系统按程序控制该点的运动轨迹。

然而实际加工时起作用的切削刃是圆弧上的各切点如图3-1所示，它们是实际加工时形成工件面的点。

很显然理想刀尖位置与实际切削点位置不同，因此数控编程只按照工件形状进行编制程序，而不考虑刀具半径补偿，必然会产生被加工表面的形状误差。

以下是加工中如容易产生误差的三种情况如图3-2所示。

图3-1理想刀尖示意图
图3-2 加工误差示意图
1.车圆弧的误差：加工如图3-2圆弧，程序控制假想刀尖沿图中AB粗实线，而实际切削轨图中细实线，此时会在工件表面造成欠切。

2.车锥面的误差：如图3-2所示，程序控制假想刀尖沿BC粗实线，由于刀尖圆弧的存在，实际加工后的锥度却是BC段细实线，在轴向产生了误差，造成欠切；若加工倒锥则会产生过切。

3.对台阶工件加工的影响：如图3-2所示，车削长度时，程序控制车刀假想刀尖运行到D点，但实际只车削不到D点。

这样就会在台阶工件的根部留下一段过渡圆弧，但不会使工件产生形状误差。

（二）数车刀尖圆弧半径补偿方法
数控系统一般都会有刀具半径补偿器，拥有刀具半径的补偿功能，对于数控车床来说，编程人员可直接通过零件轮廓形状进行编程，编程的时候可假设刀尖半径大小零。

在数控加工前必须在数控机床上的对应刀具补偿号输入刀尖半径值，加工的过程中，数控系统会根据其加工程序和刀尖半径自动计算出理想的刀具的运动的轨迹，进行刀尖半径补偿，从而完成零件的加工。

机床会根据刀尖圆弧半径的实际尺寸，从而通过G40、G41或G42指令自动改变刀具刀位点的位置。

使实际加工的轮廓和编程的轨迹完全相同，刀尖圆弧的圆心与工件轮廓偏置一个半径值。

这种偏置称为刀具的半径补偿功能。

刀尖半径采用何种方式进行补偿， G40、G41和G42的功能如下：
G40——刀具半径补偿取消，即使用该指令后，G41和G42就会无效。

G41——刀具半径左补偿，沿着刀具运动方向看，刀具位于工件的左侧时的刀具半径补偿，如图3-3a所示。

G42——刀具半径右补偿，沿着刀具运动方向看，刀具位于工件的右侧时的刀具半径补偿，如图3-3b所示。

图3-3 刀具半径补偿
（三）刀尖圆弧半径补偿注意事项
(1)G41、G42或G40指令,必须跟在直线段上(G00或G01指令),不能跟在G02、G03等其它的指令后,否则系统就会报警。

(2)当车床加工工件有锥度、圆弧时,就必须在精车锥度和圆弧前一段程序中建立刀具半径补偿,一般在切入工件时的程序段前就建立半径补偿。

(3)指令刀尖半径补偿G41或G42的过渡直线段长度必须大于刀尖圆弧半径；在X 轴的切削移动量必须大于2倍刀尖半径值。

(4)刀具半径补偿的应用。

在刀具磨损或刀具重磨后,刀具半径变小,这时只需改变刀具半径补偿值,不需改变程序。

四、加工中心刀具补偿应用
为了零件的数控加工编程简化，使数控程序与刀具的形状和刀具的尺寸无关。

现代数控系统除了拥有刀具半径补偿功能外，还具有刀具长度补偿（toollength compensation）功能。

刀具长度补偿使刀具垂直于进给平面偏移的一个刀具长度修正值，所以在数控编程的过程中，一般无需考虑刀具的长度。

刀具长度补偿要依情况而定。

一般而言，刀具长度补偿对于二坐标和三坐标联动数控的加工是有效的。

有的数控系统补偿的是刀具的实际的长度与标准刀具的差（如图4-1a），有的补偿的是刀具的对于相关点的长度（如图4-1b、4-1c）。

a b c
图4-1刀具长度补偿
一个工件在加工的过程中如果需要多把刀，即中间需要换刀的话，那么前一把刀的抬刀高度对后一把刀有影响。

如果抬刀的高度不够的话，还会破坏工件的形状，从而达
不到图纸的要求。

（一）刀具长度补偿引起误差分析
加工中心是一种综合加工能力较强的设备，加工中心设置有刀库和自动换刀装置，在加工中由程序自动选刀和换刀由于加工中心常用来加工形状复杂工序多、精度要求高、需要多种类型的普通机床和众多刀具、夹具且经过多次装夹和调整才能完成的零件，因而加工一个零件需要十几把刀具甚至更多，由于每把刀具的长度都不同，在被加工零件设置工件坐标系零点后，如果更换刀具比编程时的标准刀具稍长则将使零件产生过切现象，反之使零件产生欠切现象。

（二）刀具长度补偿方法
利用数控系统的刀具长度补偿功能，可以解决上述问题，刀具长度补偿指令一般用于刀具轴向的补偿，它使刀具在Z方向上的实际位移量比程序给定值增加或减少一个偏量值，这样在编制零件加工程序时，不必考虑刀具的实际长度以及各把刀具不同的长度尺寸。

另外，当刀具磨损，更换新刀或刀具安装有误差时，也可使用刀具长度补偿指令，以补偿刀具在长度方向上的尺寸变化，而不需要重新编。

五、加工举例
（一）加工中心刀具长度补偿实例
如图5-1所示的内外轮廓。

外轮廓加工中采用刀具半径左补偿即G41，沿P1—P2点切入，沿P3—P4点切出，内轮廓加工中采用右补偿即G42，切入段为P5—P7点，切出段为P6—P5点。

外轮廓加工完毕即取消刀具半径左补偿，刀具至P4点，抬刀后至P5，再建立刀具半径右补偿指令。

内外轮廓均采用半径为10m m的平底铣刀加工，内轮廓在加工前先钻孔，钻头为T01，铣刀为T02。

下面是所编制的数控加工程序。

图5-1刀具长度补偿加工实例
O0010
N10 G54 G00 X0 Y0
Z100 M03 S1000 T01
N20 G00 X63 Y50
N30 G01 G43 Z10 F2000
N40 Z-15 F200 N50 G00 G49 Z10
N60 G91 G30 X0 Y0 Z0 T02
N70 M06；
N80 M03 S1000
N90 G00 X11 Y-10
N100 G01 G43 Z10 H01 F2000
N110 Z-5 F1000
N120 G41 G01 Y20 D01
N130 G01 Y65 F300
N140 X16 Y70
N150 X25
N160 G03 X35 Y80 R10
N170 G01 Y84
N180 G02 X45 Y94 R10
N190 G01 X79
N200 G02 X94 Y79 R15
N210 G01 Y21
N220 G02 X79 Y6 R15
N230 G01 X45
N240 G02 X35 Y16 R10
N250 G01 Y20
N260 G03 X25 Y30 R10
N270 G01 X16 Y30
N280 X-4 Y50
N290 G40 G01 X-20
N300 G00 Z100
N310 G00 X63 Y50
N320 G01 G43 Z10 F2000
N330 Z-15 F300
N340 G42 X71 Y15 D01
N350 X55
N360 G02 X43 Y27 R12
N370 G01 Y73
N380 G02 X55 Y85 R12
N390 G01 X71
N400 G02 X83 Y73 R12
N410 G01 Y27
N420 G02 X71 Y15 R12
N430 G01 X63
N440 G40 G01 Y50
N450 G00 G49 Z100
N460 G00 X0 Y0
N470 M30
铣削加工前应先建立加工坐标系，从而进行刀具半径补偿值和刀具长度补偿值的设定。

例如精加工余量为1mm，粗铣时设置刀具半径补偿值为11mm，精加工时刀具半径补偿值设为10mm。

本实例中在粗铣时，A 、O 两处还有残余加工余量，为减少编程工作量，也可采取增加刀具补偿值的办法去除。

刀具长度补偿值根据刀具长度而设定，例如刀具的有效切削长度不到15mm，可采取分层切削方式，若果第一层刀具长度补偿值设为7.5mm，则第二层设为15mm。

在使用刀具半径补偿时需要注意：在建立刀具补偿时，一定要有一段不为零的直线运动，而且一般运动的长度要大于刀具的半径值。

（二）数车刀尖圆弧半径补偿实例
图5-2刀尖圆弧半径补偿实例
%1122
N10 T0101
N20 M03 S400
N30 G00 X40 Z5
N40 G00 X0
N50 G01 G42 Z0 F60
N60 G03 U24 W-24 R15
N70 G02 X26 Z-31 R5
N80 G01 Z-40
N90 G00 X30
N100 G40 X40 Z5
N110 M30
如图5-2所示，在N50加入刀具圆弧半径补偿，工进接触工件，由于刀具磨损或刀具重磨后,刀具半径变小,引起的误差将会减小。

因刀具问题也不需要修改程序，这时我们只需改变刀具半径补偿值,就可以解决因刀具磨损或刀具重磨而引起的误差，从而达到工件的要求。

当然最后也不能忘记取消刀补，否则工件将出现误差。

总结
刀具补偿是数控加工系统的一个基本功能，在手工编程轮廓铣削加工中广泛使用，如何深人掌握和应用此功能，在数控加工中有非常重要的意义，本文分析了数控车床编程中刀具补偿的原理和应用，以及刀具补偿功能的正确选用，可以有效地减轻数控加工编程的计算难度和编程难度，从而大大地提高编程的效率和加工的精度。

刀具补偿功能的作用主要在于它简化程序，即按零件的轮廓尺寸进行编程。

在加工之前，操作者测量实际的刀具长度、半径和确定刀具补偿正负号，作为刀具补偿参数输入到数控系统，使得因为换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数的变化时，按照用原程序，却仍能加工出合乎尺寸要求的零件。

此外，刀具补偿功能还可以满足编程和加工工艺的一些特殊要求。

合理的使用刀具补偿功能能够使编程大大的简化，不仅给编程人员带来极大的方便，更重要的在于它能够提高加工的效率，降低加工成本，起到事半功倍的效果。

参考文献
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谢辞
从开始写到本论文最终的定稿，总共花费了我一个月以来几乎所有的业余时间。

虽说在这繁忙的学习之余要完成这样的一篇论文的确不是一件轻松的事情，在论文的写作过程遇到很多困难和障碍但都在同学和指导老师的帮助下度过了，在这里非常感谢指导老师和同学的帮助。

通过论文的撰写，使我能更系统，更全面的学习了数控加工方面新型的，先进的前沿理论知识，并得以借鉴众多数控加工的宝贵经验，这对于我以后的学习和工作，无疑是不可多得的宝贵财富，由于本人理论能力有限，论文中的有些观点难免有疏漏和不足的地方，望老师给予指导。

在以后的学习中我会加倍的弥补自己的不足，让自己对数控知识有更深入的了解。