西门子系统刀具补偿功能的应用研究

毛云秀

（沈阳工程学院机械学院，沈阳110136）

0 引言

刀具补偿功能是数控机床中非常重要的一项功能，它的出现使复杂的刀具轨迹计算成为历史，使外形复杂、高精度的零件加工成为可能。现代数控系统都具备刀具补偿功能，这使得零件的编程和加工变得更加简单、方便。

在实际生产中，比较常用的刀具补偿功能有刀具半径补偿、刀具长度补偿。本文以SINUMERIK 802D数控系统为例探讨数控铣床的刀具补偿功能。

1 刀具补偿功能

1.1 刀具半径补偿

1）刀具半径补偿的作用。在数控铣床加工中都是按照图纸给出的零件轮廓尺寸进行编程的，即是将刀具视为一个点。如果按此加工零件，实际加工出的零件轮廓尺寸会与图纸标注尺寸相差一个半径值。出现这种情况的原因是轮廓加工时刀具圆柱表面的主切削刃（周刃）在切削，而数控机床的坐标是以刀具径向中心为基准的。刀具半径补偿的作用就是将零件轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹。

2）刀具半径补偿指令代码。在数控铣床中默认的加工平面为X、Y平面（G17），实际生产中，零件的尺寸被称为长度、宽度和深度。在X、Y平面中，X对应长度，Y对应宽度，Z对应深度。

G00/G01 G40 X…Y… ；取消刀具半径补偿

G00/G01 G41 X…Y…D… ；刀具半径左补偿

G00/G01 G42 X…Y…D… ；刀具半径右补偿

从上述指令可以看出，刀具半径补偿功能只能跟在直线运动指令（G00/G01）的后面，而不能跟在圆弧插补指令（G02/G03）的后面。在X、Y平面下，刀具半径补偿只有加在X、Y轴上才有效，而加在Z轴上无效。

3）刀具半径左、右补偿的判定方法。在实际生产中，刀具半径左、右补偿最简单的判定方法就是看刀具中心在加工路线的哪一侧。如果刀具中心在加工路线的左侧即为左补偿G41，如图1（a）所示；右侧则为右补偿G42，如图 1（b）所示。

图1 刀具半径左、右补偿的判定

4）刀具半径补偿值。刀具半径补偿值是由刀具补偿号D决定的。在西门子系统中，一把刀具最多可设定9个不同的补偿数据，即D1～D9。功能键“OFFSET PARAM”下的“刀具表”即为刀具补偿号D的设定界面，“半径”一栏中的数据即为刀具半径补偿值，如图2所示。

图2 刀具补偿号D的设定界面

1.2 刀具长度补偿

1）刀具长度补偿的概念。在数控铣床编程中，我们一般设定毛坯的上表面或下表面作为Z轴的编程零点。由于在加工中刀具会产生磨损，这就会造成刀位点与编程零点不一致，从而导致零件加工深度尺寸与图纸标注不符。利用刀具长度补偿功能，可假想出与原刀具相同长度的刀具，从而不必对零件重新编程，即可对零件深度尺寸进行准确控制。

2）刀具长度补偿值。在西门子系统中，刀具长度补偿值也与刀具补偿号D有关。如图2所示的设定界面中，“长度1”、“长度2”一栏中的数据即为刀具长度补偿值。刀具调用后，刀具长度补偿值立即生效，而无需额外G代码。

2 刀具补偿功能在数控铣床中的应用

1）利用刀具半径补偿功能可完成零件轮廓外余量的分次铣削。数控铣床加工中，如果轮廓外余量较大，可给定不同的刀具半径补偿值来完成分次铣削，而无须额外编制程序。

2）利用刀具半径补偿功能可实现零件轮廓的粗、精加工及精度控制。数控铣床加工中，为了保证加工质量，零件都需进行粗、精加工。假定刀具实际半径值为d，精加工双边余量为Δ，粗加工后实际测量尺寸与标注尺寸的差值为e。粗、精加工补偿值的确定方法如下：

a.粗加工时，刀具半径补偿值为d+Δ；b.精加工时，标注尺寸精度要求不高时，刀具半径补偿值为d；c.精加工时，标注尺寸精度要求较高时，刀具半径补偿值不能为d。粗加工结束后，理论上Δ=e，实际上由于刀具让刀、磨损等因素会造成e≠Δ，此时刀具半径补偿值为d-e+Δ。

3）利用刀具长度补偿功能控制零件深度尺寸的精度。对于深度尺寸精度要求较高的零件，可在粗加工时利用刀具长度补偿功能在深度方向留余量Δ，精加工时根据标注尺寸减去实际测量尺寸的差值k确定新的长度补偿值为k-Δ。

3 刀具补偿功能的实践举例

加工如图3所示零件，材料为45钢。选用φ12 mm立铣刀加工。

图3 零件图

1）零件工艺分析。零件轮廓尺寸为88±0.03 mm，表面粗糙度Ra3.2，深度尺寸为3+0.060mm，表面粗糙度Ra3.2。轮廓尺寸、深度尺寸和表面粗糙度要求较高，加工时采用粗、精加工方式进行。粗加工时双边余量为1 mm，深度尺寸余量0.5 mm。工件坐标系零点选择在毛坯中心，Z向零点为毛坯上表面。

2）零件加工程序。零件的加工程序及释义如下：

N01 G17 G90 G54 T1 M03 S500；技术参数定义

N02 G00 Z20；抬刀到安全高度

N03 G41 X-44 Y-60 D1；左补偿至起刀点

N04 G01 Z-3 F30；轮廓外下刀

N05 Y-12；开始做轮廓

N06 G03 X-44 Y12 CR=12

N07 G01 X-44 Y44 RND=6

N08 X-12

N09 G03 X12 Y44 CR=12

N10 G01 X44 Y44 RND=6

N11 Y12

N12 G03 X44 Y-12 CR=12

N13 G01 X44 Y-44 RND=6

N14 X12

N15 G03 X-12 Y-44 CR=12

N16 G01 X-44 Y-44 RND=6

N17 Y0；轮廓结束

N18 G00 Z20；抬刀

N19 G40 X0 Y0；取消刀补

N20 M30

3）刀具补偿值设定。刀具补偿值在图2所示的设定界面里输入，零件加工中所使用的具体补偿值如表2所示。粗加工后实测零件深度尺寸为2.62 mm，轮廓尺寸为89.14 mm。

表1 零件加工刀具补偿值mm

4 结论

在实际生产中，通过正确、合理地使用刀具补偿功能，可以在不改变原有程序的基础上，实现轮廓外余量的分次铣削、零件的粗、精加工以及尺寸精度的控制，极大地简化了程序编制过程，降低了操作人员的劳动强度，提高了零件的生产效率，具有非常重要的实际意义。

［1］ 吴胜强.如何正确使用刀具半径补偿功能［J］.机械设计与制造，2008（1）：134-135.

［2］ 西门子股份公司.SINUMERIK 802D数控铣床操作编程手册［M］.北京:西门子（中国）有限公司，2002.

［3］ 王叶萍.刀具半径补偿在数控铣床上的应用［J］.机械与电子，2006（7）：78-79.

［4］ 赵德斌.刀具补偿在数控编程中的应用［J］.数控加工技术，2008（9）：59-61.

［5］ 苗志毅，唐志祥，冯金广.数控铣床和加工中心刀具补偿功能的应用［J］.机械研究与应用，2008（8）：36-40.