数控车床加工中刀具补偿的应用

刀具半径补偿是数控系统中的重要功能,

正确地使用该功能,

在数刀具半径补偿的矢量分析和应用,

介绍刀具半径补偿在数控车削编程加工中的正确使用方法。关键词：数控车床；加工；刀具补偿

刀尖圆弧半径值

r,用指令补偿因刀尖半径引起的偏差的这种偏置功能，称为刀具半径补偿。具有补偿功能的数控车，编程时，不用计算刀尖半径中心轨迹，只要按工件轮廓编程即可(按照加工图上的尺寸编写程序)具半径补偿时，刀具会自动偏移一个刀具半径值；当刀具磨损，刀尖半径变小；刀具更换，刀尖半径变大时，只需更改输入刀具半径的补数控系统自动计算出刀具半径中心运动轨迹。 一.

刀具半径补偿1.刀具半径补偿的概念正像使用了刀具长度补偿在编程时基本上不用考虑刀具的长度具半径补偿，当用端面铣刀加工工件的端面时则只需刀具长度补偿。工分粗加工和精加工，这样粗加工程序编好后也就是完成了粗加工。更换铣刀也好、进行粗精加工也好，我们只需更改刀具半径补偿值，就可以控制工件外形尺寸的大小了，对程序基本不用作一点修改。2.刀具半径补偿的使用刀具半径补偿的使用是通过指令

G41、G42

来执行的。补偿有两合左右手定则;G41

是左补偿，符合左手定则;G42

是右补偿，符合右手定则，如图

3

所示。图

3

刀具半径补偿使用的左右手定则在使用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

4

4

刀具半径补偿的起刀位置如果使G42

补偿有效的过程为刀具从位置

1

到

2，则铣刀将切出一个斜面如图

4

中所示的

A-B

让半径补偿有效，然后进行正常的切削。如图4

所示，先让铣刀在从位置

1

移动到位置

3

3

切削到位置2

继续以下的切削，则不会出现

A-B

斜面。因此，在使用

G41、G42进行半径补偿时应采取以下步骤：☆设置刀具半径补偿值

;☆让刀具移动来使补偿有效(此时不能切削工件);☆正确地取消半径补偿(此时也不能切削工件)。记住，在切削完成而刀具补偿结束时，一定要用

G40

使补偿无效。G40

的使用同样遇到和使补偿有效相同的问题，一定要等刀具完全切削完毕并安全地推出工件以后才能执行

G40

命令来取消补偿。二．刀具半径补偿的方法把实际的刀具半径存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中 D##；(可编程刀具半径偏置寄存器号。)假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程;CNC系统将该编号(寄存器号)对应的刀具半径偏置寄存器中存放心运动轨迹。2.刀具半径补偿指令a)刀具半径左补偿 b)

刀具半径右补偿刀具半径补偿分为：(1)刀具半径左补偿：用G41

定义，刀具位于工件左侧；(2)刀具半径右补偿：用G42

定义，刀具位于工件右侧；(3)取消刀具半径补偿：G40。(4)刀具半径偏置寄存器号：用非零的D##

代码选择；床而假设的刀尖点(一般是通过对刀仪测量出来的)并不是刀刃圆弧切削加工不足(不到位)或切削过量(过切)加工不足而产生的加工误差。因此，当使用车刀来切削加工锥面时，必须将假设的刀尖点的路径作适当的修正，使之切削加工出来的工件能获得正确的尺寸，这种修正方法称为刀尖半径补偿(ToolNoseRadiusCompensation，简称

TNRC)。(1)车刀形状和位置 车刀形状和位置是多种多样的，车床机中。车刀形状和位置共有九种。车刀的形状和位置分别用参数

T1—W

输入到刀具数据库中。典型的车刀形状、位置与参数的关系。(2)刀尖半径和位置的输入 刀具数据库(TOOL

DATA)数据项目。加工中心

X、Z

为刀具位置补偿值(mm) (车床

r

值不用)；R为刀尖半径(mm)：T

为刀尖位置代码。如果在程序中输入下面指令GOO G42 X100．0 Z3．0 TOl01；那么数控装置按照01

刀具补偿栏内

X、Z、及、了的数值自动修正刀具的安装误差(执行刀位补偿)，车床还自动计算刀尖圆弧半径补偿量，把刀尖移动到正确的位置上。(3)刀具半径的左右补偿1)C,41

刀具左补偿。顺着刀具运动方向看，刀具在工件的左边，称为刀具左补偿，用C,41

代码编程。2)C,42

刀具右补偿。顺着刀具运动方向看，刀具在工件的右边，称为刀具右补偿，用C．42

代码编程。3)C．40

取消刀具左、右补偿。车床如需要取消刀具左、右补偿，可编人

C-40

代码。这时，车刀轨迹按理论刀尖轨迹运动。(4)刀具补偿的编程方法及其作用 加工中心如果根据机床初始状态编程(即无刀尖半径补偿)表面形状误差

6。如程序段中编人

G42

指令，车刀按车刀圆弧中心轨迹移动，无表面形状误差。可看出当编人G42

指令，到达户：点时，车刀多走一个刀尖半径距离。(5)刀具半径补偿的编程规则 加工中心车床刀具补偿必须遵循以下规则：1)G40、G41、G42

只能用

GOO、G01

结合编程。车床不允许与G02、G03

等其他指令结合编程，否则报警。2)在编人

G40、G41、G42

的

GOO

与

G01

前后的两个程序段中，X、Z

值至少有一个值变化。否则产生报警。3)在调用新的刀具前，必须取消刀具补偿，否则产生报警。二、 刀具刀尖圆弧半径补偿

G40、G41、G42

指令数控程序是针对刀具上的某一点即刀位点进行编制的，车刀的刀位点为理想尖锐状态卜的假想刀尖A

点或刀尖圆弧圆心O

点（见图

1

43）但实际加工中的车刀，由于工艺或其他要求，刀尖往尖圆弧上变动（见图1

-44

1

一

44消除。系统执行到含有

T

代码的程序段时，是否对刀共进行刀尖

G

代码中的

G40、G41、G42

决定。G40一致；G41：刀尖半径左补偿，洽进给方向，刀尖位置在编程轨迹左边时G42：刀尖半径右补偿，错进给方向．刀尖位置在编程轨迹右边时。刀尖半径补偿

G41/G42

向即第而轴方向有关。图1

一

45（b）

为

CJK6032

数控机床的刀尖半径补偿方向。由于数控程序是针对刀具上的刀位点即A

点或

O

点（见图

1一

43）进行编制的，因此对刀时使该点与程序中的起点重合。在没有刀具圆弧半径补偿功能时，按哪点编程，则该点按编程轨迹运动，产生过切或少切的大小和方向因刀尖圆弧方向及刀尖位置方向而异。从

0

至

9

有

10

个方向号。当按假想刀尖A

点编程时，刀尖位置方向

8

种刀尖位

1

一

8

O

点编程时，刀尖位置方向则设定为O

或

9

号。该方向的判断也与第三轴有关，图1

一

46（b）所示的方向为CJK6032

数控车床的刀尖安装方向。刀尖半径补偿的加入是执行G41

或

G42

指令时完成的，当前面没有G41

或

G42

指今时，可以不用G40

指令，而且直接写入G41

或

G42

指令即可；发现前面为G41

或

G42

指令时，则先应指定G40

指令取消

G41

或

G42

消是在

G41

或

G42

指令后面，加

G41

指令完成。注：1）当前面有

G41、G42

指令时，如要转换为G42、G41

或结束半径补偿时应先指定

G40。指令取消前面的刀尖半径补偿。2）程序结束时，必须清除刀补。3） G41、G42、G40

指令应在

GOO

或

G01

程厅段中加入。M4）在补偿状态下，没有移动的程序段（

M在连续

2

个以上的程序段中指定，否则会过切或欠切。50

的

G00、G01

等指令。6）在G40

刀尖圆弧半径补偿取消段，必须同时有

X、Z

两个轴方向的位移。刀具补偿量的设定，是由操作者在

CRT/MDI

面板上用“刀补值”功能值：刀尖圆弧半径

R

和刀尖位置号

T%1047N1

G92

X60

Z40N2

T0101N3

G90

G01

G42

X30

Z37

F300

M03N4

Z25N5

G02

X46

Z17

18N6

G01

X50N7

Z0N8

X54N9

G00

G40

X60

Z40

T0100N10

M05N11

M30 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!

1

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：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

T0100+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

间的距离矢量，而只能测得假想刀尖!

与刀架参考点$

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参数表中。

和

，并存入刀具式中： ———

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。对于图

3

中

r≠0

的情况，在进行刀具位置补偿时，不但需要考虑到2.2）。2 刀具半径补偿圆弧的，在切削内孔、外圆及端面时，刀尖圆弧不影响加工尺寸和形

4

表示圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时

P

编程时，刀具圆弧中心轨迹如图

4

r

使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4

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2.1 假想刀尖

P

的方位确定假想车刀刀尖

P

5

P1~8八个数字代码表示，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

刀在

X

轴和

Z

轴补偿值按照图1（b）所示方法确定。既要考虑车刀

X

轴和

Z

轴的位置补偿值可以按照图

6

r

值放入相应码

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（0~9）。操作时，可以将实现自动补偿（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、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

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

垂线上，距离是半径补偿值。 用计算的方法来求解刀具半径补偿量。一．按假想刀尖编程加工锥面如图

8

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 eq

\o\ac(△,z)。式中：r

为刀具圆弧半径；θ

为锥面斜角。因此可直接按假想刀尖轨迹以补偿 eq

\o\ac(△,z)

即可。

x

方向和

z

方向予图

8

车锥面刀补偿示意图二．

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

P

#

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

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，9

（b）时，则在

X

向和

Z

向分别减一个补偿量r。9图

9

车圆弧刀补示意图三．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 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 1 刀具半径补偿的矢量刀具半径补偿计算的主要工作是根据刀具的方向矢量和半径矢量计算各种转接类型转接点的坐标值,即根据相邻编程轮廓段的起止点坐标值判断转接类型,

计算机软件关于刀具补偿转接点的坐标值计算,

对生产实践具有指导作用。为了正确地理解数控车削刀具半径补偿的过程,下面引入矢量的概念(

数控车床的编程为G18

平面,以上手刀为例)

。(

1)

直线方向矢量:

指与运动方向一致的单位矢量,

用L

d

表示。(

2)

圆弧方向矢量:

是指圆弧上某一动点的切线方向上的单位矢量

,用L

d

表示。(

3)

刀尖圆弧半径矢量:

是指垂直于编程轨迹且大小等于刀尖圆弧半径、方向指向刀尖圆弧中心的矢量,

用rd

表示。根据以上的矢量描述,

数控系统能够正确判断各种转接类型并计算各转接点的坐标值。2 刀具半径补偿过程将刀尖作为刀位点,

然而在实际应用中,

为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度,一般将车刀刀尖磨成半径0.

2～2

的圆弧,

这样按零件轮廓编程运行后,

实际起切削作用的是圆弧的各切削点,

这尖圆弧半径自动补偿,

补偿参数包括刀尖半径R

值和刀尖方位T

值。将刀补参数输入数控系统之后,

刀具半径补偿的方向要在执行G41(

或G42)

分为以下3

个步骤:(

1)

起动偏置:

从取消偏置方式变为偏置方式的程序段称为起动偏,

在起动程序段的终点,

刀尖R

中心位于下个程序段起点,

并在与下个程序段垂直的位置上,

的程序段必须是G00

或G01,

如图1

所示。图1 起动偏置(

2)

执行偏置:

在执行了G41(

或G42)

的程序段中,

刀位点发生了变化,

由理论刀尖偏移至刀尖R

中心,

而刀尖R

中心轨迹始终垂直于方向矢量且偏离编程轨迹一个刀尖圆弧半径矢量,

依靠刀尖圆弧外缘来加工零件轮廓。(

3)

取消偏置:

在执行偏置的方式中如果指令了G40,

则这个程序2

所示,

从图2

中可以看出,在取消偏置程序段的前一个程序段,

刀尖不在该程序段的终点,

这个变化是由刀位点造成的,

生产实践中应特别注意,

取消偏置的程序段必须是G00

或G01。3 刀具半径补偿的应用在数控车削加工中,

如果被加工零件的轮廓是正交面(

柱面和端面)组成的,

则建立刀具半径补偿与否,

所加工的零件轮廓都是完全一致的,

在加工非正交面(

弧面和锥面)

轮廓时,

不进行刀具半径补偿就会发生过切和余切现象,

用中要注意以下几个方面的问题:(

1)

加工小于刀尖半径的内圆弧时,

由于偏置的刀尖圆弧中心找不到正确的圆心轨迹将导致过切,

如图3

所示。图2 取消偏置图3 轮廓半径小于刀尖半径时产生过切(

2)

加工小于刀尖半径的台阶时,

由于台阶小于刀具半径,

因此在新旧矢量交替时,

偏置的刀尖圆弧中心将向编程的反方向移动,

产生过切,

如图4

所示。(

3)

在执行刀补的程序段中,

如果有加工端面的轨迹时应特别注意,因为有刀尖方位号,

要特别小心切削方向,

右刀补时,

只能允许偏刀从旋转中心往外切削,

否则会多切掉一个刀尖圆弧直径的量,

如图5

所示。图4 台阶尺寸小于刀尖半径时产生过切图5 加工端面的切削方向(

4)

同样在执行刀补的程序段中,

由于刀位号已经确定,

所以用正偏刀加工倒锥的轮廓时,

系统会产生过切报警。(

5)

在取消偏置的程序段(

G40)

中,

刀具刀尖圆弧中心位于前一个程序段终点垂直的位置上,

可能将造成过切,

此时应指令I、K,

即:G40X(

U)

_

Z(W)

_

I_K_

。其中,

I、K

为增量值,

且I

为半径值。这样指定以后,

刀尖圆弧中心就会从I、K

方向线与前一个程序段轮廓线的角平分线位置运动至