数控加工刀具半径补偿原理研究

余秀艳

摘要：刀具半径补偿作为数控加工工艺中的一种特殊技术，在实际生产应用中具有重要的意义。在数控加工过程中，根据工件轮廓轨迹以及刀具的半径值能够合理地计算出刀具的运动轨迹路线，大大简便了数控程序的编写。文章介绍了刀具半径补偿的概念、方法和过程等内容。引入刀具半径补偿后，就可以忽略掉不同刀具加工的实际半径差异，用相同的程序加工工件，既简化了程序，又节省了生产时间，提高了加工效率。

关键词：数控加工；刀具半径补偿；方法；过程

数控铣床上加工工件时所用到的刀具都是具有一定半径值的，理论的编程轨迹就是零件图中的轮廓轨迹，而实际加工过程中往往依赖于刀具中心的运动轨迹为基准，这样理论的加工轮廓和实际的加工轮廓不重合，相差的值刚好是刀具的半径值。为了简化程序的编写，同时又使理论的加工轨迹同实际的加工轨迹相重合，引入刀具半径自动补偿后，机床可以自动将刀具的半径值给予补偿，以便加工出符合零件图纸设计要求的工件形状。可见，刀具半径补偿的应用，方便了数控加工过程，为其提供了极大的便利，在数控加工中具有重要的意义。

1.刀具半径补偿原理

1.1刀具半径补偿的概念

按照零件轮廓编制的程序及预先设定的参数设置，实现刀具中心自动补偿半径的功能即为刀具半径补偿功能。

1.2刀具半径补偿采用的方法

采用的方法主要有2种。

（1）B刀具补偿。指的是刀具中心轨迹的段之间的连接依靠圆弧连接过渡实现。

该种刀补方法算法操作简单，而且较容易实现。但是，也有其弊端，当加工外轮廓尖角时，由于设置程序时轨迹是通过圆弧连接的，加工时刀具始终在一点处进行切削，外轮廓尖角被加工成小圆角现状，这样加工出的零件尖角的工艺较差。而当加工内轮廓尖角时，编程人员必须做一项辅助性的工作，即增加一个辅助的过渡圆弧，而且还要求刀具半径必须小于过渡圆弧的半径。人为增加过渡圆弧将加大编程难度；而当刀具半径大于过渡圆弧半径时，将会因刀具干涉而产生过切形象，最终造成加工零件不达标。

（2）C刀具补偿。指的是刀具中心轨迹段间的连接采用直线连接过渡。直接实时自动计算刀具中心轨迹的转接交点。这种刀补方式尖角工艺性好，在加工内轮廓时，可实现过切自动预告。

在处理方法上，2种刀补的区别体现在：

B刀具补偿采用的处理方法为：读一段，算一段，走一段。该方法无法预计刀具半径造成的下一段轨迹对本段轨迹的影响。

C刀具补偿采用的方法是一次性完成对2段的处理。即先处理本段，再依据下一段来确定刀具中心轨迹的段间过渡状态，进而完成本段刀补运算处理。

1.3过渡方式

转接角a，如图1所示，代表2段编程轨迹在交点处非加工侧的夹角。

依据转接角及刀补方向，可将从一编程段到另一编程段的过渡方式分为3种，即：

缩短型：a≥11800

伸长型：900≤a<1800

插入型：00≤a≤900

转接过渡的原则是，必须保证零件轮廓接近编程轮廓，确保转接处的工艺性，刀具贴近工件轮廓。

1.4刀具半径补偿的过程

由于理论的加工轨迹和实际加工轨迹不重合，在加工过程中，需要将这个相差的半径值消除掉。如果不考虑刀具半径补偿，那么在加工时直接按照工件轮廓编程，则加工出来的工件的尺寸必然不符合零件图的要求，如果是外轮廓加工则实际加工出来的尺寸一定比原尺寸小，相反，如果是内轮廓加工则实际加工的尺寸比要求尺寸大，所以必须偏移一个刀具的半径值。如图2所示，刀具偏移的量R与刀具半径的值r是相等的，在数控加工时，计算机数控系统依据零件程序及刀具偏量设置单元中的刀具直径值，可对刀具中心轨迹自动进行计算，以完成零件的加工。而当刀具半径值发生改变时，不必更改零件程序，只需改变存放在刀具半径设置寄存器中的刀具直径值，数控系统就可用同样的程序完成不同刀具的加工。

2.刀具半径补偿的转接过渡过程

数控机床加工的轨迹只有直线及圆弧2种，因此，其转接形式也就有4种，分别为：直线接直线、直线接圆弧、圆弧接直线、圆弧接圆弧。

刀具半径补偿的过程包括3个步骤：刀具半径补偿的建立、刀具半径补偿的进行、刀具半径补偿的撤销。具体如图3所示。

2.1刀具半径补偿的建立

刀补的建立过程必须在工件加工之前，即从起刀点到零件加工的切削起始点之间建立刀补，在编写程序的过程中体现为引入了G41或G42指令。

2.2刀具半径补偿的执行

一旦在程序中引入刀具半径补偿指令，则数控系统就会对刀补指令进行调用，并结合所设置的刀具直径值执行刀补，一直到刀具半径补偿结束，出现G40指令。在执行刀补的过程中，刀具中心轨迹的偏离值用D01来定义。

2.3刀具半径补偿的撤销

当工件所需要加工的部位加工完成之后，应该取消刀补，这个过程，一般在返回零点过程中。在程序执行过程中，利用G40指令来指定。

3.结语

刀具半径补偿指令作为数控系统的核心技术之一，在数控加工中意义重大。在零件加工过程中，若采用刀具半径补偿，编程人员只需要对零件被加工轮廓编程即可。现场操作人员也只需要通过控制面包修改下刀补地址的数值即可。这样可以大大减少了编写程序的工作量，提高程序的利用率和加工效率。