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12数控机床加工中的刀具补偿摘 要数控机床通常连续实行各种切削加工，刀架在换刀时前一刀具刀尖位置和新换的刀具位置之间会产生差异，刀具安装也存在误差、刀具磨损和刀尖圆弧半径等误差，若不利用刀具补偿功能予以补偿，就切削不出符合图样要求形状的零件。此外，合理利用刀具补偿还可以简化编程。数控机床的刀具补偿可分为两类，即刀具位置补偿和刀具半径补偿。 关键词 数控机床; 加工; 刀具补偿【目 录】1 绪论 3 2 刀具补偿的提出 33 全功能数控机床系统中刀具补偿33.1 数控车床刀具补偿33.2 圆弧半径补偿和位置补偿的关系73.3 圆弧半径自动补偿轨迹84 数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算94.1 按假想刀尖编程加工锥面94.2 按假想刀尖编程加工圆弧104.3 刀补参数124.4 刀具半径补偿（G41、G42、G40）124.5 夹角补偿 （G39）124.6 刀具长度偏置（G43、G44、G49）135 经济型数控机床中刀具轨迹的计算135.1 刀具中心（刀位点）轨迹的计算135.2 数控车床假想刀尖点的偏置计算14结论14参考文献141 绪论 由于CNC系统通过控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上切削时是使用刀尖或刀刃边缘完成的，这样就需要在刀架参考点与刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象由刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘。这种变换的过程就称之为刀具补偿。2 刀具补偿的提出 用立铣刀在数控机床上加工工件，可以清楚看出刀具中心运动轨计与工件轮廓不重合，这是因为工件轮廓是立铣刀运动包络形成的。立铣刀的中心称为刀具的刀位点（4、5坐标数控机床称为刀位矢量），刀位点的运动轨计即代表刀具的运动轨迹。在数控加工中，是按工件轮廓尺寸编制程序，还是按刀位点的运动轨迹尺寸编制程序，这要根据具体情况来处理。 在全功能数控机床中，数控系统有刀具补偿功能，可按工件轮廓尺寸进行编制程序，建立、执行刀补后，数控系统自动计算，刀位点自动调整到刀具运动轨迹上。直接利用工件尺寸编制加工程序，刀具磨损，更换加工程序不变，因此使用简单、方便。 经济型数控机床结构简单，售价低，在生产企业中有一定的拥有量。在经济型数控机床系统中，如果没有刀具补偿功能，只能按刀位点的运动轨迹尺寸编制加工程序，这就要求先根据工件轮廓尺寸和刀具直径计算出刀位点的轨迹尺寸。因此计算量大、复杂，且刀具磨损、更换需重新计算刀位点的轨迹尺寸，重新编制加工程序。3 全功能数控机床系统中刀具补偿3.1 数控车床刀具补偿数控车床刀具补偿功能包括刀具位置补偿和刀具圆弧半径补偿两方面。在加工程序中用T功能指定，TXXXX中前两个XX为刀具号，后两个XX为刀具补偿号，如T0202。如果刀具补偿号为00，则表示取消刀补。3.1.1 刀具位置补偿 加工过程中，若使用多把刀具，通常取刀架中心位置作为编程原点，即以刀架中心为程序的起始点，如图1所示，而刀具实际移动轨迹由刀具位置补偿值控制。由图1（a）可见，刀具位置补偿包含刀具几何补偿值和磨损补偿值。图1 刀具位置补偿由于存在两种形式的偏移量，所以刀具位置补偿使用两种方法：一种方法是将几何补偿值和磨损补偿值分别设定存储单元存放补偿值，其格式为：另一种方法是将几何偏移量和磨损偏移量合起来补偿，如图（b）所示，其格式为：总补偿值存储单元编号有两个作用：一个作用是选择刀具号对应的补偿值，并执行刀具位置补偿功能；另一个作用是当存储单元编号00时可以取消位置补偿。3.1.2 刀具圆弧半径补偿编制加工程序时，一般是将刀尖看作是一个点，然而实际上刀尖是有圆弧的，在切削内孔、外圆及端面时，刀尖圆弧不影响加工尺寸和形状，但在切削锥面和圆弧时，则会导致刀具的行走轨迹与编程轨迹不相吻合，而有一差值。图4表示圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹。从图中可以看出，采用假想刀尖P编程时，刀具圆弧中心轨迹如图2中双点划线所示，刀具实际加工轨迹和工件要求的轮廓形状存在误差，误差大小和圆弧半径r有关。若采用刀具圆弧中心编程并使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4中的细实线，加工轨迹和工件要求的轮廓相等。图2 圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹3.2 圆弧半径自动补偿轨迹 刀具半径是否补偿以及采用何种方式补偿，是由G指令中的G40、G41、G42决定的：G40刀具半径补偿取消，即使用该指令后，使G41、G42指令无效。G41刀具半径左补偿，即沿刀具运动方向看，刀具位于工件左侧时的刀具 半径补偿。G42刀具半径右补偿，即沿刀具运动方向看，刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿。图3是使用圆弧半径补偿时刀具补偿过程。图3中刀具补偿的程序格式为：G40_； 消除补偿；G41_； 半径补偿起始程序段；图3 刀具补偿过程从图3可以看出，在起始程序段中，刀具在移动过程中逐渐加上补偿值。当起始程序段结束之后，刀具圆弧中心停留在程序设定坐标点的垂线上，距离是半径补偿值。4 数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算 当数控车床没有刀具半径补偿功能时，用圆头车刀加工工件时，就要用计算的方法来求解刀具半径补偿量。4.1 按假想刀尖编程加工锥面 如图4所示，若假想刀尖沿工件轮廓AB移动，即P1P2与AB重合，并按AB尺寸编程，则必然产生图4（a）中ABCD残留误差。因此按图4（b）所示，使车刀的切削点移至AB，并沿AB移动，从而可避免残留误差，但这时假想刀尖轨迹与轮廓在Z方向相差了z。式中：r为刀具圆弧半径；为锥面斜角。因此可直接按假想刀尖轨迹P3P4的坐标值编程，在x方向和z方向予以补偿z即可。图4 车锥面刀补偿示意图4.2 按假想刀尖编程加工圆弧 当车削圆弧表面时，会出现如图9所示的情况。图5（a）为车削半径为R的凸圆弧，由于P的存在，则刀尖点所走的圆弧轨迹并不是工件所要求的圆弧形状。其圆心为“”，半径为“R+r”，此时编程人员仍按假想刀尖P点进行编程，不考虑刀尖圆弧半径的影响，但要求加工前应在刀补值上给Z向和X向分别加一个补偿量r。同理，在切削凹圆弧，如图5（b）时，则在X向和Z向分别减一个补偿量r。图5 车圆弧刀补示意图4.3 刀补参数 每一个刀具补偿号对应刀具位置补偿（X和Z值）和刀具圆弧半径补偿（R和T值）共4个参数，在加工之前输入到对应的存储器。在自动执行过程中，数控系统按该存储器中的X、Z、R、T的数值，自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿。 4.4 刀具半径补偿（G41、G42、G40） 刀具的半径值预先存入存储器HXX中，XX为存储器号。执行刀具半径补偿后，数控系统自动计算，并使刀具按照计算结果自动补偿。刀具半径左补偿（G41）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的左方，刀具半径右补偿（G42）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的右方。取消刀具半径补偿用G40，取消刀具半径补偿也可用H00。 使用中需注意：建立、取消刀补时，即使用G41、G42、G40指令的程序段必须使用G00或G01指令，不得使用G02或G03,当刀具半径补偿取负值时，G41和G42的功能互换。 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根据本段程序进行刀补计算，不能解决程序段之间的过渡问题，要求将工件轮廓处理成圆角过渡，因此工件尖角处工艺性不好，C功能刀具半径补偿能自动处理两程序段刀具中心轨迹的转接，可完全按照工件轮廓来编程，因此现代CNC数控机床几乎都采用C功能刀具半径补偿。这时要求建立刀具半径补偿程序段的后续两个程序段必须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补偿。4.5 夹角补偿 （G39） 两平面相交为夹角，可能产生超程过切，导致加工误差，可采用夹角补偿（G39）来解决。使用夹角补偿(G39)指令时需注意，本指令为非模态的，只在指令的程序段内有效，只能在G41和G42指令后才能使用。4.6 刀具长度偏置（G43、G44、G49） 利用刀具长度偏置（G43、G44）指令可以不改变程序而随时补偿刀具长度的变化，补偿量存入由H码指令的存储器中。G43表示存储器中补偿量与程序指令的终点坐标值相加，G44表示相减，取消刀具长度偏置可用G49指令或H00指令。程序段N80 G43 Z56 H05与中，假如05存储器中值为16，则表示终点坐标值为72mm。 存储器中补偿量的数值，可用MDI或DPL预先存入存储器，也可用程序段指令G10 P05 R16.0表示在05号存储器中的补偿量为16mm。5 经济型数控机床中刀具轨迹的计算 经济型数控机床系统，如果没有刀具补偿指令，则只能计算出刀位点的运动轨迹尺寸，然后按此编程，或者进行局部补偿加工。5.1 刀具中心（刀位点）轨迹的计算 在需要计算刀具中心轨迹的数控系统中，要算出与零件轮廓的基点和节点对应的刀具中心上基点和节点的坐标。图1所示为用8立铣刀加工工件曲线时的刀具中心运动轨迹。可以看出，刀具运动轨迹是零件轮廓的等距线，由零件轮廓和刀具半径可求出。直线的等距线方程：所求等距线在原直线上边时，取“”号，反之取“-”号。圆的等距线方程：所求等距线为外等距线时，取“”号，反之取“”号。求解等距线上的基点坐标，只需将相关等距线方程联立求解。例求3点的坐标，2点坐标（40，85），3点坐标（70，105）。A=y2-y3=-20B=x3-x2=30 C=x3y2-ybx2=1750求出圆心坐标为 （85，105）。两等距线方程联立：-20x+30y=1750+144.222(x-85)+(y-105)=(15+4)解出 x=66.134y=107.231即3点的坐标为（66.34，107.231），刀具中心轨迹上其他基点或节点的坐标用相同的方法可求出，然后按此编程。5.2 数控车床假想刀尖点的偏置计算 在数控车削加工中，为了对刀方便，常以假想刀尖P点来对刀。如果没有刀尖圆弧半径补偿，在车削锥面或圆弧时，会产生欠切现象。当零件精度要求较高且有锥面或圆弧时，解决办法为：计算刀尖圆弧中心轨迹尺寸，然后按此编积，进行局部补偿计算。 在车削维面时，由于刀尖圆弧半径r引起的刀位补偿量。采用在Z向和X向同时进行刀具位置补偿时，实际刀刃与工件接触点A移动到编程时刀尖设定点P上，r的补偿量可按下式计算：在编制加工工件锥面程序时，其基点坐标为工件轮廓基点坐标（Z和X）加上刀尖圆弧半径r的补偿量（Dz和DX），这样就解决了