刀具半径补偿常见错误及问题分析

南海信息技术学校   机械科组   沈宠棣
摘要: 本文由数控编程教学过程中学生应用刀具半径补偿编程时出现的错误问题出发，探讨了刀具半径补偿功能应用中的错误分析,力求通过错误分析找出问题所在,让学生能够准确应用刀具半径补偿功能,保证了零件加工的尺寸精度（加工精度）。
关键词: 数控编程 数控加工  刀具半径补偿
数控加工具有加工精度高、效率高、质量稳定等特点，而合理掌握刀具补偿方法，灵活应用刀具补偿功能，合理设置刀具半径补偿值，是保证精度和质量稳定的重要因素，在数控编程加工编程的教学过程中，学生经常的出现一些刀具半径补偿功能应用上的错误，因此，有必要对数控加工的刀具半径补偿方法进行探讨。
一、         刀具半径补偿原理
数控机床在加工过程中，它所控制的是刀具中心的轨迹。在数控编程时，可以根据刀具中心的轨迹进行编程，这种编程方法称为刀具中心编程。粗加工中由于留有余量对零件的尺寸精度影响不大，对简单图形可采用刀具中心轨迹编程。而当零件加工部分形状较为复杂时，如果选用刀具中心编程会给计算关键点带来很大工作量，而且往往造成由于关键点计算误差影响机床的插补运算，进而产生报警，使加工无法正常进行，那么我们可以利用理论轮廓编程，即按图形的实际轮廓进行编程。
采用理论轮廓编程，在系统中预先设定偏置参数，数控系统就会自动计算刀具中心轨迹，使刀具偏离工作轮廓一个刀具值，从而使得刀具加工到实际轮廓，这种功能即为刀具半径补偿功能。
二、刀具补偿的过程
数控系统的刀具补偿是将计算刀具中心轨迹的过程交由CNC系统执行，编程时不考虑刀具半径，直接根据零件的轮廓形状进行编程，而实际的刀具半径则放在一个可编程刀具半径的偏置寄存器中，在加工过程中，CNC系统根据零件程序和刀具偏置寄存器中的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，只需修改刀具半径寄存器中的刀具直径值。
现代CNC系统一般都设置有16，32，64或更多个可编程刀具偏置寄存器，并对刀具进行编号，专供刀具补偿之用。进行数控编程时，只需调用刀具补偿参数所对应的寄存器编号即可加工，在加工时，CNC系统将该编号对应的刀具半径值从寄存器中取出，对刀具中心轨迹进行补偿计算，生成实际的刀具中心轨迹。刀补执行时，采用交点运算方式，即每段开始前先行读入两段，计算其交点，自动按启动阶段的矢量作出每个前进方向的左侧或右侧加上刀补矢量路径。
二、刀具半径补偿在应用中的错误分析
1、刀具半径建立指令的正确使用方法
建立刀具补偿指令用G41或G42，取消刀具补偿指令用G40
格式为：G01 G41（G42）G17（G18，G19）X    Y     D     ，
G01 G40 X      Y
其中G41为左刀补，在加工外轮廓时为顺时针加工，加工内轮廓时为逆时针加工；G42为右刀补，在加工外轮廓时为逆时针加工，加工内轮廓时为顺时针加工。
首先应指明补偿平面，数控系统一般默认为G17，可省略，若要在yoz，xoz平面进行补偿时需指明，不可省略，而且刀具半径补偿平面的切换必须在补偿取消方式下进行。刀具半径补偿的建立与取消只能用G00或G01,而不能用G02或G03。如图1所示的切削外轮廓，如采用下面程序则会报警。
图1 错误刀补
%1234
N10 G54 G90 G00 X20 Y0 T01 S800 M03
N20 G41 G03 X20 Y20 R10 D01 F200
N30 G02 X20 Y60 R20
N40 G01 X50 Y60
N50 G02 X50 Y20 R20
N60 G03 X50 Y0 R10
N70 G40 G00 X0 Y0 M05
N80 M30
N20程序段中半径补偿指令中用G03希望使零件表面不产生进刀痕迹，但此程序将报警终止运行。
2、刀具补偿撤消时同样存在不能用G02或G03取消刀具补偿，如程序%1234中N70 段改为N70 G40 G00 X0 Y0 M05 时,程序执行到此条时仍然报警。
3、空运行到达刀具补偿位置时注意进刀位置
从加工直线边切入工件，刀具补偿指令中终点坐标应和被加工段位于同一直线上，以避免过切现象而报警，所谓过切是指刀具空行程运行中，系统认为切削内轮廓产生刀具干涉现象，如图2所示，程序%6789
图2 不合理刀补位置
%6789
N10 G54 G90 G00 X0 Y0 T01 S800 M03
N20 G41 G00 X30 Y10 D01
N30 G01 X20 Y20 F200
N40 Y60
N50 X60
N60 Y20
N70 X20
N80 G40 G00 X0 Y0 M05
N90 M30
此程序中OE和EA构成小于90度角，刀具产生干涉而报警，若将N20和N30改为一条程序段G41 G00 X20 Y20 F200D01，或将N20改为G41 G00 X20 Y10 ，N30和N40改为G01 X20 Y60 F200，则程序正确。
4、加工内轮廓时，内轮廓两直线夹角小于90度时，采用半径补偿指令手工编程，会产生过切，如图3所示。
图3 直线加工的过切
5、加工内圆弧轮廓时，设定刀具半径不应大于工作轮廓中的半径，否则系统将提示“过切或有碰撞危险，刀具干涉”等。
三、实例分析
毛坯为120mmX60mmX10mm板材，5mm深的外轮廓已粗加工过，周边留2mm余量，要求加工出如图4所示的外轮廓及Ф20mm的孔，工件为铝（在此只以加工外轮廓为例）
图4 加工实例
%5566（零点在O点）
N10 G54 G90 G00 X0 Y-20 Z-5
N20 G01 G41 Y-10 D01 F200
N30 Y30
N40 X10 Y40
N50 X21.8
N60 G02 X52.3 Y35 R20
N70 G03 X69.6 Y25 R20
N80 G01 X80 Y25
N90 Y0
N100 X-10
N110 G40 G00 X0 Y0 Z50 M05
N120 M30
四、结论
1、采用刀具半径补偿便于控制零件尺寸精度，当发现零件尺寸产生过切或不足时，只需修改刀具寄存器地址中刀具半径数值，方便控制尺寸精度。
2、采用刀具半径补偿便于简化编程，直接采用理论轮廓，特别是对于复杂内外轮廓编程会大大简化计算。
3、利用刀补指令使粗、精加工程序简化，刀补数值的大小取决于刀补寄存器地址数值，利用刀补指令编程后，可采用同一程序，同一把刀具，完成不同的切削余量加工，也就是说采用同一把刀具完成粗精加工时，不修改程序，不编写新程序，就可以完成全部加工。
五、结束语
刀具半径补偿指令是数控编程中应用最广最重要的指令，正确应用刀具半径补偿对复杂零件简化编程计算和提高零件精度具有举足轻重的作用。本文根据教学过程式中学生出现的问题及应用的技巧，对刀具半径补偿用法作出总结，供广大数控加工编程人员参考，从而更好地应用刀具补偿编程，优化程序，提高编程效率和零件加工精度。
参考文献
[1]    王平  数控机床与编程实用教程  化学工业出版社  2004
[2]    张超英 谢富春  数控编程技术   化学工业出版社  2004