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1、武汉工业职业技术学院机械工程系毕 业 论 文 专业 数控技术 班级 0501班 姓名 李马 学号 200511311117 课题 数控加工中刀具补偿的应用 前 言在20世纪6070年代的数控加工中还没有刀具补偿（简称刀补）的概念，编程人员不得不根据刀具的理论路线和实际路线的相对关系进行编程，既容易产生错误，又使得编程效率很低。当刀具补偿概念出现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制。在建立、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
2、。在加工过程中，刀具的磨损、实际刀具尺寸与编程时规定的刀具尺寸不一致以及更换刀具等原因，都会直接影响最终加工尺寸，造成误差。为了最大限度的减少因刀具尺寸变化等原因造成的加工误差，数控系统通常都具备有刀具误差补偿功能。通过刀具补偿功能指令，CNC系统可以根据输入补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床自动加工出符合程序要求的零件。论文题目：数控加工中刀具补偿的应用目 录一 数控车床加工中刀具补偿的应用51 刀具位置补偿52 刀具半径补偿72.1假想刀尖P的方位确定82.2圆弧半径补偿和位置补偿的关系82.3圆弧半径自动补偿轨迹93 数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算103.1按假想刀尖编程加
3、工锥面103.2 按假想刀尖编程加工圆弧113.3按刀尖圆弧中心轨迹编程11二 数控铣床加工中刀具补偿的应用121 刀具半径补偿量的指定122 刀具半径补偿的建立与撤消132.1 刀具半径补偿的建立132.2 刀具半径补偿的取消142.3 注意事项143 刀具半径补偿量的变化144 刀具半径补偿量的正负与刀具的刀心轨迹155 刀具半径补偿的开始与Z 轴的切入操作156 刀具半径补偿功能的应用18三 结论18四 参考文献19一数控车床加工中刀具补偿的应用数控车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，
4、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。数控车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。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
5、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，例如T0100，表示消去1号刀具当前的补偿值。图2表示位置补偿的作用，图2中的实线是刀架中心A 点的编程轨迹线，虚线是执行位置补偿时A 点的实际轨迹线，实际轨迹的方位和X、Z轴的补偿值有关，其程序为：N010 G00 X10 Z-10 T0202；N020 G01 Z-30；N030 X20 Z-40 T0200；图2 刀具位置补偿作用数控车床系统刀具结构如图3所示，图3中P为假想刀尖，S为刀头圆弧圆心，r为刀头半径，A为刀架参考点。图3 车刀结构车床的控制
6、点是刀架中心，所以刀具位置补偿始终需要。刀具位置补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架参考点之间的转换，对应图3中A与S之间的转换，但是实际上我们不能直接测得这两个中心点之间的距离矢量，而只能测得假想刀尖P与刀架参考点A之间的距离。为了简便起见，不妨假设刀头半径r=0，这时可采用刀具长度测量装置测出假想刀尖点P相对于刀架参考点的坐标和，并存入刀具参数表中。式中： 假想刀尖P点坐标；（X，Z） 刀架参考点A的坐标。至此很容易写出刀具位置补偿的计算公式为式中假想刀尖P的坐标实际上即为加工零件轨迹点坐标，可从数控加工程序中获得。此时，零件轮廓轨迹经式（2）补偿后，即能通过控制刀架参考点A来实现。 对于
7、图3中r0的情况，在进行刀具位置补偿时，不但需要考虑到刀头圆弧半径的补偿，而且还要考虑到刀具的安装方式（具体见2.2）。2刀具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4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
8、细实线，加工轨迹和工件要求的轮廓相等。图4 圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹因为车刀的安装和几何形状较复杂，下面通过几个方面作进一步阐述。2.1假想刀尖P的方位确定假想车刀刀尖P相对圆弧中心的方位与刀具移动方向有关，它直接影响圆弧车刀补偿计算结果。图5是圆弧车刀假想刀尖方位及代码。从图中可以看出，刀尖P的方位有八种，分别用18八个数字代码表示，同时规定，刀尖取圆弧中心位置时，代码为0或9，可以理解为没有圆弧补偿。图5 圆弧车刀假想刀尖方位及代码2.2圆弧半径补偿和位置补偿的关系如果按照刀架中心A点作为编程起始点，不考虑圆弧半径补偿，则车刀在X轴和Z轴补偿值按照图1（b）所示方法确定。既要
9、考虑车刀位置补偿，又要考虑圆弧半径补偿，此时车刀在X轴和Z轴的位置补偿值可以按照图6所示方法确定，而将刀具的圆弧半径r值放入相应的存储单元中，在加工时数控装置自动进行圆弧半径补偿。在刀具代码T中的补偿号对应的存储单元中，存放一组数据：X轴Z轴的长度补偿值，圆弧半径补偿值和假想刀尖方位（09）。操作时，可以将每一把刀具的四个数据分别输入刀具补偿号对应的存储单元中，即可实现自动补偿（表1）。图6 圆弧车刀位置补偿表1 刀具补偿值2.3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
10、。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7是使用圆弧半径补偿时刀具补偿过程。图7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7 刀具补偿过程从图7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。3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。3.1按假想刀
11、尖编程加工锥面如图8所示，若假想刀尖沿工件轮廓AB移动，即与AB重合，并按AB尺寸编程，则必然产生图8（a）中ABCD残留误差。因此按图8（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的坐标值编程，在x方向和z方向予以补偿z即可。图8 车锥面刀补偿示意图3.2 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9（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
12、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9（b）时，则在X向和Z向分别减一个补偿量r。图9 车圆弧刀补示意图3.3按刀尖圆弧中心轨迹编程图10所示零件是由三段凸圆弧和凹圆弧构成的，这时可用虚线所示的三段等距线进行编程，即圆半径为圆半径为圆半径为，三段圆弧的终点坐标由等距的切点关系求得。这种方法编程比较直观，常被采用。图10 按刀尖圆弧中心编程二数控铣床加工中刀具补偿的应用在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓(即编程轨迹)不重合。如果数控系统不具备刀具半径自
13、动补偿功能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹，如图11 所示的点划线轨迹进行编程。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又不易保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控程序只需按工件轮廓编写，加工时数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个半径值，即进行刀具半径补偿。 1 刀具半径补偿量的指定a)外轮廓加工 b)内轮廓加工 图11 刀具半径补偿数控系统的刀具半径补偿就是将计算刀具中心轨迹的过程交由数控系统执行，编程员假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程。因此，这种编程方法
14、也称为对零件的编程，而实际的刀具半径则存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中。在加工过程中，数控系统根据零件程序和刀具半径自动计算刀具中心轨迹，完成对零件的加工。当刀具半径发生变化时，不需要修改零件程序，只需修改放在刀具半径偏置寄存器中的刀具半径值或者选用存放在另一个刀具半径偏置寄存器中的刀具半径所对应的刀具即可。 现代数控系统一般都设置有若干个可编程刀具半径偏置寄存器，并对其进行编号，专供刀具补偿之用，可将刀具补偿参数(刀具长度、刀具半径等)存入这些寄存器中。在进行数控编程时，只需调用所需刀具半径补偿参数所对应的寄存器编号即可。实际加工时，数控系统将该编号对应的刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半
15、径取出，对刀具中心轨迹进行补偿计算，生成实际的刀具中心运动轨迹。 在进行数控加工前，必须预先设置好刀具半径补偿量。刀具半径经补偿量的指定，通常由有关代码指定刀具补偿号，并在代码补偿号中输入刀具半径补偿量，刀具补偿号必须与刀具编号相对应。在加工中，如果没有更换刀具，则该刀具号的补偿量一直有效。 对于刀具半径补偿量的确定，如果是标准刀具第一次使用，可以采用刀具厂家提供的有关参数来确定，如果是已使用过或重磨过的刀具，则应根据实测数据来确定。a)刀具半径右补偿b)刀具半径左补偿图12 刀具半径补偿2 刀具半径补偿的建立与撤消数控铣削加工刀具半径补偿分为刀具半径左补偿和刀具半径右补偿，分别用G41 和G
16、42定义。根据ISO 标准，沿刀具前进方向当刀具中心轨迹位于零件轮廓右边时，称为刀具半径右补偿，如图12a 所示。反之称为刀具半径左补偿，如图12b 所示。当不需要进行刀具半径补偿时，则用G40 取消刀具半径补偿。 2.1 刀具半径补偿的建立 刀具半径补偿的建立就是在刀具从起刀点(起刀点位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓切入点较近)以进给速度接近工件时，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个刀具半径值的过程。刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定，如图13 所示。图13 建立刀具半径补偿在图13 中，建立刀具半径左补偿的有关指令如下： N10 G90 G92
17、 X-10. Y-10. Z0；定义程序原点，起刀点坐标为(-10，-10，0)。 N20 S900 M03；启动主轴。 N30 G17 G01 G41 X0 Y0 D01；建立刀具半径左补偿，刀具半径偏置寄存号D01。 N40 Y50. ；定义首段零件轮廓。 其中，D01 为调用D01 号刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径值。 建立刀具半径右补偿的有关指令如下： N30 G17 G01 G42 X0 Y0 D01；建立刀具半径右补偿。 2.2 刀具半径补偿的取消 与建立刀具半径补偿过程类似，在零件最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后，刀具撤离工件，回到退刀点，在这个过程中应取消刀具半径补偿，其
18、指令用G40。退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近，可以与起刀点相同，也可以不相同。在图13中假如退刀点与起刀点相同的话，其刀具半径补偿取消过程的命令如下： N100 G01X0Y0；加工到工件原点。 N110 G01G40X-10Y-10；取消刀具半径补偿，退回到退刀点。 2.3 注意事项 G41、G42 为模态指令； G41(或G42)必须与G40 成对使用； 编入G41(或G42)、G40 程序段，用G01(G40 程序段亦可用G00，但一般用G01)功能及对应坐标参数； G41(或G42)与G40 之间的程序段不得出现任何转移加工，如镜像、子程序加工等。3 刀具半径补
19、偿量的变化在刀具半径补偿代码中输入的刀具半径补偿量是一个标量数值，而数控系统内部认定的补偿量是一个补偿矢量，补偿矢量由数控系统自行计算。补偿矢量的大小与刀具补偿代码指定的补偿量相等，其方向在每个程序段中随刀具的移动不断变化。 图14 刀具补偿量的计算a) 工件外侧加工b) 工件内侧加工图15 刀具半径补偿量与刀心轨迹刀具半径补偿量的变化一般在换刀时出现。对连续的程序段，当刀具半径补偿量变化时，某一程序段终点的矢量(同时也是下一程序段起点的矢量)要用该程序段指定的刀具补偿量进行计算，如图14 所示。 4 刀具半径补偿量的正负与刀具的刀心轨迹在数控程序的编制中，一般我们把刀具的半径补偿量在补偿代码
20、中输入为正值(+)，如果把刀具半径补偿量设为负值()时，在走刀轨迹方向不变的情况下，则相当于把数控程序中的补偿位置指令，G41、G42 互换，即加工工件外侧的刀具变为在内侧加工，如图15a、图15b 所示。在加工表面不变的情况下，刀具走刀轨迹方向将发生相应的变化。 5 刀具半径补偿的开始与Z 轴的切入操作开始切削加工前，在离开工件的位置预先加上工刀具半径补偿(通常在XOY 平面或与XOY 平面平行的平面上)，之后进行Z 轴方向的切入。为保证程序运行后得到正确的工件轮廓而不产生过切，编程时必须注意加工程序的结构。 如图16 所示，在XOY 平面内(或平行于XOY 平面的平面内)使用刀具半径补偿功
21、能(有Z轴移动)进行轮廓切削，设起点在(0，0，100)处，当刀具半径补偿从起点开始时，由于接近工件及切削工件时要有Z 轴移动，按以下程序加工时就会出现过切现象，并且系统不会报警停止。a)正确补偿轨迹b)存在过切现象的补偿轨迹图16 刀具半径补偿轨迹O 0001 N10 G90 G54 S1000 M03 ； N20 G00 Z100 ； N30 X0 Y0 ； N40 G01 G41 X20 Y10 D01 F100 ； N50 Z2 ； N60 Z-10 ； N70 Y50 ； N80 X50 ； N90 Y20 ； N100 X10 ； N110 G00 Z100 ； N120 G40
22、X0 Y0 ； N130 M05 ； N140 M30 ； 图 17刀具直径改变化，加工程序不变根据刀具半径补偿功能编程规则，在XOY 平面内(或平行于XOY 平面的平面内)建立刀具半径补偿后，不能连续出现两段Z 轴的移动指令，否则会出现补偿位置不正确。当半径补偿从N4 程序段开始建立的时候，数控系统只能预读其后的两个程序段，而N5、N6 两段程序段都是Z 轴移动指令，没有XOY 平面内的坐标移动，系统无法判断下一步补偿的矢量方向，这时系统并不报警，补偿照样进行，但是N4 程序段执行后刀心轨迹目标点发生了变化，不再是图中的P 点，而是如图16b 所示的P1 点，这样就产生了过切(图中阴影部分)
23、。为避免这种过切，可以在建立半径补偿之前，选择一个不会发生干涉的安全位置，使Z 轴以快速运动接近工件后，再以进给速度进给到切削深度。将上述程序改为：P1粗加工刀心轨迹 P2精加工刀心轨迹图18利用刀具半径补偿进行粗精加工N10 G90 G54 S1000 M03； N20 G00 Z100； N30 X0 Y0； N40 Z5； N50 G01 Z-10 F100； N60 G41 X20 Y10 D01； N70 Y50； N80 X50； N90 Y20； N100 X10； N110 Z100； N120 G40 X0 Y0 M05； N130 M30。 采用这个程序段进行加工，就可以避
24、免过切的产生。 6 刀具半径补偿功能的应用1.刀具因磨损、重磨、换新而引起刀具直径改变后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后刀具直径。如图17 所示，1 为未磨损刀具，2 为磨损后刀具，两者直径不同，只需将刀具参数表中的刀具半径r1 改为r2，即可适用同一程序。 2.用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。如图18 所示，刀具半径为r，精加工余量为D。粗加工时，输入刀具直径D=2(r+D)，则加工出虚线轮廓。精加工时，用同一程序、同一刀具，但输入刀具直径D=2r，则加工出实线轮廓。 3. 在现代数控系统中，有的已具备三维刀具半径补偿功能。对于四、五坐标联动数控
25、加工，还不具备刀具补偿功能，必须在刀位计算时考虑刀具半径。三 结论：刀具半径补偿在CNC加工中的应用有非常明显的优点。灵活运用刀具半径补偿，可以大大提高生产效率和产品合格率。在确认加工零件的三维建模无误和切削工艺参数均合理后，若加工出的轮廓尺寸与设计尺寸稍有偏差，只需在数控机床上修改刀具的半径补偿值即可，不必重新生成加工程序或更换刀具，从而起到事半功倍的效果。四参考文献1 林其骏主编 机床数控系统 北京：中国科学技术出版社 2 刘跃南主编 机床计算机数控及其应用 北京：机械工业出版社 3 杨有君主编 数字控制技术与数控机床北京：机械工业出版社4 霍苏萍 解金榜主编 数控车床加工中刀尖半径补偿的应用 机械工程与自动化，20055 方沂主编 数控机床编程 北京：国防工业出版社，20036 郑红主编 数控加工编程与操作 北京：北京大学出版社，20057 董小金主编 数控编程时巧用刀具半径补偿指令 机械制造与自动化， 2005
