摘要   數控機床的刀具補償功能差異很大，我經過三年的一線車間教學實訓經驗，通過對不同數控機床的刀具補償功能較全面的分析和計算，熟悉其各自特點，掌握其刀具補償應用技能，從而在理論教學和實踐操作中能順利解決各種具體實際問題。

關鍵詞   數控機床  刀具補償  刀具軌跡計算  刀位點

    一、刀具補償功能簡介

    使用數控機床的人都知道，用立銑刀在數控銑床或數控加工中心上加工工件時，可以清楚看出刀具中心的運動軌跡與工件已加工輪廓不重合，這是因為工件輪廓是立銑刀以運動包絡的方式形成的。立銑刀的中心（底端面與軸線相交點）稱為刀具的刀位點，刀位點的運動軌跡即代表刀具的運動軌跡。在數控加工中，是按工件輪廓尺寸編制程序，還是按刀位點的運動軌跡編制程序，顯然是完全不一樣的，需要根據具體情況來處理。

    如圖1所示，在數控銑床或數控加工中心中，由于數控系統有刀具補償功能，可按工件輪廓尺寸進行程序編制。建立、執行刀補后，數控系統會自動計算，刀位點自動調整到刀具運動軌跡上。直接利用工件尺寸編制加工程序，刀具磨損時可重磨刀片（此時需根據實際情況適當調整刀具補償值）或更換刀具，而加工程序不變，因此使用簡單、方便。 

    目前，經濟型數控機床（部分機床無刀具補償功能）性能簡化、結構簡單、價格低廉，在企業和學校中有一定的擁有量。在經濟型數控機床系統中，如果沒有刀具補償功能，只能按刀位點的運動軌跡尺寸編制加工程序，這就要求先根據工件輪廓尺寸和刀具直徑及幾何尺寸計算出刀位點的運動軌跡。因此計算量大、過程復雜，且刀具磨損、更換需重新計算刀位點的軌跡尺寸，全部調整或重新編制加工程序，費時費力費錢。

    二、數控機床系統中的刀具補償 

    （一）數控車床刀具補償。數控車床刀具補償功能包括刀具位置補償和刀尖圓弧半徑補償兩方面。在加工程序中用T功能指定，TXXXX中前兩個XX為刀具號，后兩個XX為刀具補償號，如T0202。如果刀具補償號為00，則表示取消刀補。

    1、刀具位置補償。對于刀具磨損或重新安裝刀具引起的刀具位置變化，建立、執行刀具位置補償后，其加工程序不需要重新編制。辦法是測出每把刀具的刀位點相對于某一理想位置的刀位偏差（X向與Z向）并輸入到指定的存儲器內，程序執行刀具補償指令后，當前刀具的實際位置就到達理想位置。

如圖2所示的加工情況，如果沒有刀具補償，刀具從0點移動到1點，對應程序段是N60 G00 X45 Z93 T0200，如果刀具補償是X=+3，Z=+4，并存入對應補償存儲器中，執行刀補后，刀具將從0點移動到2點，而不是1點，對應程序段是N60 G00 X45 Z93 T0202。

    2、刀尖圓弧半徑補償。編制數控車床加工程序時，車刀刀尖被看作是一個點（假想刀尖P點），但實際上為了提高刀具的使用壽命和降低工件表面粗糙度，車刀刀尖被磨成半徑不大的圓弧（刀尖AB圓弧），如圖3所示，這必將產生加工工件的形狀誤差。另一方面，由于刀尖圓弧所處的特殊位置，車刀的形狀對工件加工也將產生影響，而這些可采用刀尖圓弧半徑補償來解決。車刀的形狀和位置參數稱為刀尖方位代碼（T值），如圖4所示。

    3、刀補參數。每一個刀具補償號對應刀具位置補償（X和Z值）和刀尖圓弧半徑補償（R和T值）共4個參數，在加工之前輸入到對應的存儲器。在自動執行過程中，數控系統按該存儲器中的X、Z、R、T的數值，自動修正刀具的位置誤差和自動進行刀尖圓弧半徑補償。 

    （二）加工中心、數控銑床刀具補償。加工中心、數控銑床的數控系統，刀具補償功能包括刀具半徑補償、夾角補償和長度補償等刀具補償功能。 

    1、刀具半徑補償（G41、G42、G40）　 刀具的半徑值預先存入存儲器Dxx中，xx為存儲器號。執行刀具半徑補償后，數控系統自動計算，并使刀具按照計算結果自動補償。刀具半徑左補償（G41）指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的左方（如圖5所示），刀具半徑右補償（G42）指刀具偏向編程加工軌跡運動方向的右方。取消刀具半徑補償用G40，也可用D00取消刀具半徑補償。

    使用中需注意：建立、取消刀補時，G41、G42、G40指令必須與G00或G01指令共段，即使用G41、G42、G40指令的程序段中必須同時使用G00或G01指令，而不得同時使用G02或G03。當刀具半徑補償取負值時，G41和G42的功能互換。 

    刀具半徑補償有B功能和C功能兩種補償形式。由于B功能刀具半徑補償只根據本段程序進行刀補計算，不能解決程序段之間的過渡問題，要求將工件輪廓處理成圓角過渡，因此工件尖角處工藝性不好；C功能刀具半徑補償能自動處理兩程序段刀具中心軌跡的轉接，可完全按照工件輪廓來編程，因此現代CNC數控機床幾乎都采用C功能刀具半徑補償。這時要求建立刀具半徑補償程序段的后續兩個程序段必須有指定補償平面的位移指令（G00、G01，G02、G03等），否則無法建立正確的刀具補償。 

    2、夾角補償 （G39）。對于只具有刀具半徑補償B功能的CNC系統，若編程軌跡的相鄰兩直線（或圓弧）不相切，則必須在零件的外拐角處人為編制出附加圓弧插補程序段，才能實現尖角過渡，否則可能產生超程過切，導致加工誤差。我們可采用夾角補償（G39)來解決。使用夾角補償G39指令時需注意，本指令為非模態的，只在指令的程序段內有效，同時還只能在G41和G42指令后才能使用。轉貼于 中國論文下載中心 studa.net

3、刀具長度補償（G43、G44、G49）。利用刀具長度補償（G43、G44）指令可以不改變程序而隨時補償刀具長度的變化，補償量存入由H碼指令的存儲器中。G43表示存儲器中補償量與程序指令的終點坐標值相加，G44表示相減，取消刀具長度偏置可用G49指令或H00指令。程序段N80 G43 Z56 H05與中，假如05存儲器中值為16，則表示終點坐標值為72mm。

    存儲器中補償量的數值，可用MDI或DPL方式預先存入存儲器，也可用G10指令來設置，程序段G10 H05 R16.0就表示在05號存儲器中補償量設為16mm。

    三、經濟型數控機床中刀具軌跡的計算

    在經濟型數控機床系統中，如果沒有刀具補償功能，則只能計算出刀位點的運動軌跡，然后按此編程，或者進行局部補償加工。

    1、刀具中心軌跡（刀位點）的計算。在需要計算刀具中心軌跡的數控系統中，需要算出與零件輪廓的基點和節點對應的刀具中心軌跡上基點和節點的坐標。根據經驗我們可知：刀具中心運動軌跡是零件已加工輪廓的等距線，由零件輪廓和刀具半徑可求出等距線的距離（這里采用平面解析幾何法）。

    直線的等距線方程：

所求等距線在原直線上邊時，取“＋”號，反之取“-”號。

    圓的等距線方程：

所求等距線為外等距線時，取“＋”號，反之取“－”號。

    求解等距線上的基點坐標，只需將相關等距線方程聯立求解。如圖6，例：求D點的坐標，已知A點坐標（35，50），B點坐標（65，50）。

    解： 

    由直線AB：  y=50

    求出直線DE：  y=50+8/2=54

    由圓弧AF：(x-35)2+(y-35)2=(15)2

    求出圓弧CD： (x-35)2+(y-35)2=(15+8/2)2=361

    聯立直線DE和圓弧CD成方程組：

         y=54

      (x-35)2+(y-35)2=361

    解出 x=35　y=54

    即D點的坐標為（35，54），刀具中心軌跡上其他基點或節點的坐標用相同的方法可求出，然后按此編程。

    2、數控車床假想刀尖點的偏置分析與計算。在數控車削加工中，為了對刀方便，常以假想刀尖P點來對刀。如果沒有刀尖圓弧半徑補償，在車削圓弧或錐面時，會產生過切或切削不足現象。當零件精度要求較高且有圓弧或錐面時，可解決為：計算刀尖圓弧中心軌跡尺寸，然后按此編輯，進行局部補償計算。

    圖7所示為在車削1/4凸凹圓弧時， CD為工件輪廓線，O點為圓心，半徑為R，刀具與圓弧輪廓起點、終點的切削點分別為C和D，對應假想刀尖為C1和D1。對圖7a所示凸圓弧加工情況，圓弧C1D1為假想刀尖軌跡，O1點為圓心，半徑為（R+r）；對圖7b所示凹圓弧加工情況，圓弧C2D2為假想刀尖軌跡，其圓心是O2點，半徑為（R-r）。如果按假想刀尖軌跡編程，則要以圖中所示的圓弧C1D1或C2D2（虛線）有關參數進行程序編制。由于刀尖圓弧半徑r引起的刀位補償量在采用Z向和X向同時進行刀具位置補償時，實際刀刃與工件接觸點就會移動到編程時刀尖設定點上。這樣，在編制加工工件圓弧程序時，其基點坐標就換算成工件輪廓基點坐標（Z和X）加上刀尖圓弧半徑r的補償量（Dz和Dx），這樣就解決了沒有刀尖圓弧半徑補償的問題。

    四、結述語

    綜上所述，在數控加工中由于刀尖有圓弧或工件輪廓是由刀具運動包絡形成等原因，刀具刀位點的實際運動軌跡與工件的輪廓是不重合的。在全功能型數控系統中，可應用其刀具補償指令，按工件輪廓尺寸，很方便地進行編程加工。在經濟型數控系統中，可以根據工件輪廓尺寸、刀具等計算出刀位點的運動軌跡，按此編程，也可按局部補償的方法來解決。