刀具半徑補償功能教學探討

摘 要：結合數控教學系統闡述了刀具半徑補償基本理論：刀具半徑補償概念引入、刀補類別、補償過程和指令格式等，分析闡述了刀補功能應用要點和注意問題，對教學有一定指導意義。

關鍵詞：刀補；數控；過切；偏置；程序 

中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）12-0359-02

1 “刀具半徑補償”概念的引入

數控銑削編程時我們遵循的一個基本原則是“刀具相對與工件運動”，即編程時把工件看作是靜止的，刀具看作是運動的， 同時又把刀看成是沒有大小的，因此輪廓的軌跡就是刀具相對工件的運動軌跡了，也就是編程的軌跡了，但實際上刀具是有大小的，按輪廓編程會引起工件多切(一個半徑值)，為了解決上述問題，數控系統引入了刀具半徑補償功能，通過使用此功能，使刀具自動偏離輪廓一個刀具半徑，從而避免了多切，加工出符合圖樣要求的工件。如用16立銑刀加工一個100凸臺，按輪廓編程時可編為G2 I50 F100，如沒使用刀補功能，加工出來的凸臺直徑為84，有了刀補功能，就可以加工出100了。 

2 刀具半徑補償的實質與分類 

刀具半徑補償實質是根據編程軌跡及刀具半徑（廣義為刀補值），數控系統自動計算出偏離編程軌跡一個刀具半徑（廣義為刀補值）的刀具運動軌跡，從而剛好加工出符合要求的輪廓；而刀具的偏移是有方向的，以輪廓為基準，可以往左偏，也可以往右偏，即刀具可以在輪廓左側，也可以在輪廓右側，因此刀具半徑補償也分為左補償和右補償。如上例加工100mm凸臺，當順時針走刀，此時為左補償，當逆時針走刀，即為右補償，那么怎樣來判定補償類別呢？應抓住三點：首先，判定基準是輪廓，而不是工件，且是相應刀位的點輪廓，其次，人的站位——人站在哪里判定，遵循視線的方向和在加工該點輪廓時刀具的運動方向一致的原則，最后，加工該點輪廓的刀位——刀在什么位置，這樣就可判定了。如上例加工凸臺，當順時針走刀時，為左刀補；如逆時針走刀，為右刀補。同樣可以判定，如加工的是內孔，順時針走刀時，為右刀補，逆時針走刀時為左刀補。值得注意的是，補償類別不僅和走刀方向有關，也和輪廓類別有關；同一輪廓不管取輪廓上哪一點判定，結果是一致的；同一輪廓可以左刀補編程，也可以右刀補編程，通常推薦左刀補編程。

3 刀具半徑補償的過程與指令格式

刀具補償功能是系統所有的，要使用此功能需編程，包括：刀補建立，使用和取消，因此一個完整的程序應包含以上三個方面。

建立和取消刀補有固定格式，在XY平面建立刀補指令格式為：G17 G01/G00 G41/G42 D_X_Y_F_，取消刀補指令格式為：G01/G00 G40 X_Y_F_，其中G17確定補償平面XY，一般數控系統補償功能只限于平面，如在XZ、YZ平面補償，即需用G18、G19指令，G00/G01刀具移動指令，均為直線式，G01移動速度由F確定，G00的速度是由數控系統參數設置好的，不需要編程人員確定，所以指令是不帶F的，需注意的是大部分系統不能在刀具走圓弧時建刀補，即建刀補不能在G02/G03程序段；G41/G42為補償類型，左補償為G41，右補償為G42，G40為取消刀具半徑補償。D_為刀補儲存器號碼，簡稱刀補號，地址D后帶1-3位數，D代碼內存刀具偏置量——刀具補償值，一般通過CRT面板手動輸入，也可通過程序指令輸入。X_Y_為該程序段刀具運動的終點位置，需強調的是該點非刀位點坐標，而是輪廓上點的坐標。

4 使用刀補功能的要點與注意問題

4.1 建立取消刀補，刀具必須在刀補平面內運動

建刀補的過程，實際上是刀具中心從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個偏置量的過程，是刀具發生偏離的過程，要實現偏離，刀具必須運動。如在XY平面建刀補，刀具必須在XY平面運動，才能實現XY平面偏離，要注意的是，Z向運動是沒有用的。如下建刀補程序是失效的：

O123（失效的建刀補程序）

N10 G54 G40 G0 Z100（?16鍵槽銑刀）

N20 X-60 Y-60 M03 S1000

N30 Z2

N40 G01 Z-2 F50

N50 G41 D1 Y-60 F120

……

從N20至N50，刀具在Z向有運動，但在XY平面沒有運動，因此，在N50程序段刀補沒有建立起來；如把N40程序段改為G01 G41 D01 Z-2 F50，同樣也難以建立刀補，因為Z向運動對建XY平面刀補是不起作用的。

取消刀補是程序有刀補的狀態回歸到沒有刀補的狀態，是建立刀補的逆過程，刀具中心從與編程軌跡偏離一個偏置量回歸到與編程軌跡重合，實質上也是個刀具偏移的過程，故刀具必須在刀補平面運動，因此G40后須有補償平面坐標指令，僅僅有G40的程序段或G0 G40 Z100等程序段取消刀補是不合理的，也容易產生過切等問題。

要注意的是，刀具運動指令有直線式的，如G00，G01;也有曲線式的，如G02，G03，建立和取消刀補的程序段，所有數控系統都支持直線式運動指令，但大部分系統不支持曲線式指令，因此不宜編寫G41 D1 G02X_Y_F_之類程序段來建刀補， G40 G02X_Y_F_之類程序段來取消刀補。

4.2 啟用刀補，必須指明刀具運動方向

在XOY平面建立刀具半徑補償指令格式為：GO1/G00 G41/G42 D_X_Y_F_，其實本程序段不包含啟用刀補所需的足夠數據，請看下面例子：

O123（銑床加工、錯誤的啟用刀補程序）

N10 G54 G40 G0 Z100（?16鍵槽銑刀）

N20 X-60 Y-60 M03 S1000

N30 G41 D1 X-40 F120

N40 Z2

N50 G01 Z-2 F50

……

上述程序中，從N20～N30可知，建刀補時，刀具已經運動，但N40、N50沒有指明刀具在刀補平面運動方向，就存在可能在輪廓左側或右側運動兩種可能性，因此刀補啟用是失敗的。

事實上，現在數控系統大多數采用具有預覽功能的C類刀具補償，在建立或執行刀具補償功能時，運用了多段程序段預讀功能，即在程序執行時，數控系統內部同時儲存了三個程序段的信息，如果補償平面存在連續兩段沒有有效移動指令或非補償平面內軸運動指令程序段，數控系統就沒有足夠的刀補信息，無法正確計算、修正刀具運動軌跡，并可能產生過切現象，因此編使用刀補程序時，在補償平面內不應出現連續兩段沒有移動指令的程序段或非補償平面內軸移動的程序段，如G04 X2， G0 Z2 G01 Z-2 F30， M3 S800 M08，在XY平面均屬于沒有運動或無效運動程序段，使用刀補時不應連續出現。

4.3 采用下刀后建刀補，抬刀后取消刀補程序

從工藝安全考慮，下刀一般分快進和工進兩補，且在刀具切入工件前，往往有一些機床輔助性動作，如啟動主軸，打開冷卻液等，這些都不在刀具補償平面產生有效軸運動，所以下刀前建刀補，容易產生4.2所述使用刀補問題；另一方面取消刀補過程實質上也是個刀具偏移的過程，這過程產生了不規則的刀具運動，故抬刀前取消刀補，容易產生多切問題，抬刀后取消刀補，刀具已遠離工件，則避免了多切的現象。

4.4 采用與輪廓相切方向進出刀工藝

數控銑床銑削輪廓時，沿輪廓切向進出刀不僅保證了工件表面質量，也避免使用刀補時產生問題，因此原則上，在條件許可的情況下，盡量采用切向切入和切出工件輪廓表面，下面非切向進退刀易產生問題：如圖1，加工一個內方孔，如能合理進刀，只會在四個角出現少切現象，但沿OA進刀切入，則會產生過切現象。O123

N10 G54 G40 G0 Z100（?16鍵槽銑刀）

N20 X0 Y0 M03 S1000

N30 Z2

N40 G01 Z-2 F50

N50 G41 D1 X40 Y-40 F120

N60 Y40

N70 X-40

……

上例中，從刀補角度分析，法向切入也是可以的，沿OA處法向進刀，不會產生過且，但是法向切出會產生少切現象： 

O123

N10 G54 G40 G0 Z100（?16鍵槽銑刀）

N20 X0 Y0 M03 S1000

N30 Z2

N40 G01 Z-2 F50

N50 G41 D1 Y-40 F120

N55 X40

N60 Y40

N70 X-40

N80 Y-40

N90 X0

N100 Y0

N110 G0 Z100

N120 G40 Y200

N130 M30

上例中，非切向任何方向出刀，都會引起少切現象，如采用切向圓弧切入、切出則不會產生過切、少切等問題。

5 結語

刀具半徑補償是數控系統中一個很重要的功能，本文講述了刀具半徑補償一些基本理論與問題，對從事數控教學與數控相關工作者會有一定指導意義，請注意的是本文主要以華中世紀星數控系統為依據來探討，僅供參考。

參考文獻

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