数控加工技术大作业

数控机床的刀具半径补偿功能及应用

摘要：在数控加工中，刀具半径补偿功能是应用很广的一项功能，应用此功能可以减少大量频繁复杂的尺寸计算，而且可以省掉零件粗、精加工时反复编写相似程序的麻烦，灵活应用刀具半径补偿可以起到事半功倍的效果。

关键词：数控机床、刀具补偿、执行过程、功能、应用

数控机床的产生

1946年世界上第一台电子计算机问世，揭开了人类进入信息时代的序幕。1948年美国帕森斯公司提出了采用和麻省理工学院伺服机构研究室的响应，终于在1952年研制成功世界第一台三坐标数控铣床。这便是用数字化信息控制机床的运动，是复杂零件加工的数控技术的开始。人们把这种电子计算机以数字方式控制机床工作的技术称为数控技术，简称数控（缩写为NC）。由于数控是与机床控制密切相关发展起来的，因此，通常讲的“数控”就是“机床数控”，用这种控制技术控制的机床称为“数控机床”，人们习惯称为“NC机床”，甚至就直接称为“NC”。

数控机床的控制单元

数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，他是数控机床的大脑，与普通机床相比，数控机床有如下特点：加工精度高，具有稳定的加工质量，可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件数控，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节约生产准备时间，机床自动化程度高，可以减轻劳动强度，批量生产时，产品质量容易控制，对操作人员的素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。数控机床一般由下列几个部分组成：主机，他是数控机床的主体，包括机床身、立柱，主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT 显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机和进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气系统实现主轴和进给驱动，当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

刀具半径补偿的概念

在数控加工过程中，编程人员是按零件轮廓进行编程的。由于刀具总有一定的半径，刀具中心运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，而是偏移轮廓一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值，加工内轮廓时，使刀具中心偏移零件内轮廓表面一个刀具半径值，这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。

正像使用了刀具长度补偿在编程时基本上不用考虑刀具的长度一样，因为有了刀具半径补偿，我们在编程时可以不要考虑太多刀具的直径大小了。刀具半径补偿对所有的刀具都适用，而刀具半径补偿则一般只用于铣刀类刀具。当铣刀加工工件的外或内轮廓时，就用得上刀具半径补偿，当用端面铣刀加工工件的端面时则只需刀具长度补偿。因为刀具半径补偿是一个比较难以理解和使用的一个指令，所以在编程中很多人不愿使用它。但是我们一旦理解和掌握了它，使用起来对我们的编程和加工将带来很大的方便。当编程者准备编一个用铣刀加工一个工件的外形的程序时，首先要根据工件的外形尺寸和刀具的半径进行细致的计算坐标值来明确刀具中心所走的路线。此时所用的刀具半径只是这把铣刀的半径值，当辛辛苦苦编完

程序后发现这把铣刀不太适合要换用其他直径的刀具，编程员就要不辞辛劳地重新计算刀具中心所走的路线的坐标值。这对于一个简单的工件问题不太大，对于外形复杂的模具来说重新计算简直是太困难了。一个工件的外形加工分粗加工和精加工，这样粗加工程序编好后也就是完成了粗加工。因为经过粗加工，工件外形尺寸发生了变化，接下来又要计算精加工的刀具中心坐标值，工作量就更大了。此时，如果用了刀具半径补偿，这些麻烦都迎刃而解了。我们可以忽略刀具半径，而根据工件尺寸进行编程，然后把刀具半径作为半径补偿放在半径补偿寄存器里。临时更换铣刀也好、进行粗精加工也好，我们只需更改刀具半径补偿值，就可以控制工件外形尺寸的大小了，对程序基本不用作一点修改。

刀具半径补偿的功能

走刀轨迹是刀具中心轨迹，刀具中心轨迹跟工件轮廓是不重合的而是偏距一个刀具半径出来的。如果不用刀具半径补偿功能，编程时就要先计算出刀具中心轨迹的各节点坐标再按刀具中心轨迹的坐标来编程，大大加大编程的难度及工作量。如果使用刀具半径补偿功能，编程时按图纸尺寸编程即可，我们只需事先在数控系统里设置刀具半径值，运行程序时系统会自动执行偏置工件轮廓一个刀具半径的刀具轨迹。

刀具补偿功能的作用主要在于简化程序，即按零件的轮廓尺寸编程。在加工前，操作者测量实际的刀具长度、半径和确定刀具补偿的正负号，作为刀具补偿参数输入数控系统，使得由于换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数变化时，虽照常使用原程序，却仍能加工出合乎尺寸要求的零件。此外，刀具补偿功能还可以满足编程和加工工艺的一些特殊要求。

刀具半径补偿的方法

数控刀具半径补偿就是将刀具中心轨迹过程交由数控系统执行，编程时假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程，而实际的刀具半径则存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中，在加工工程中，数控系统根据零件程序和刀具半径自动计算出刀具中心轨迹，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，只需修改存放在刀具半径偏置寄存器中的半径值或选用另一个刀具半径偏置寄存器中的刀具半径所对应的刀具即可。

刀具半径补偿的执行过程

数控机床具有了刀具半径补偿功能，既可以保证机床的高精度，又可以极大地简化编程工作量。无论哪一类的刀具半径补偿技术，在使用中都需要加工刀具半径补偿建立、刀具半径补偿执行和刀具半径补偿撤销三个步骤。

（1）建立刀具半径补偿。刀具由起刀接近工件，刀具半径补偿偏置方向由左补偿或右补偿确定，在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短一个刀具半径值。

（2）进行刀具半径补偿。一旦建立了刀具半径补偿，则一直维持该状态，直到取消刀具半径补偿为止。在刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离零件轮廓一个刀具半径值的距离。

（3）撤消刀具半径补偿。刀具撤离工件，回到退刀点，取消刀具半径补偿。与建立刀具半径补偿过程类似，退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近且偏置于零件轮廓延长线上，可与起刀相同，也可以不同。

这样，当数控系统自动刀具补偿时，无论刀具半径大小如何变换，无论刀位点定在何处，只需要直接按零件图纸上的轮廓轨迹进行编程，在整个程序少量地加上几个刀具半径补偿开始及刀具半径补偿解除的代码指令，控制系统将根据程序中的刀具半径补偿指令自动进行相应的刀具偏置，确保刀具刃口切削出符合要求的轮廓。

刀具半径补偿的应用

在零件加工过程中采用刀具半径补偿功能，可大大简化编程的工作量，具体体现在以下几个方面：

（1）直接按零件轮廓尺寸进行编程，避免计算刀具心轨迹坐标，简化数控程序的编制。刀具因磨损、重磨、换新刀而引直径变化后，不必修改程序，只需在刀具半径补偿参数设置中输入变化后的刀具半径。

（2）由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，因此利用机床自动刀具半径补偿的方法，通过设置不同大小的刀具半径补偿值，能达到粗、精加工的目的。如果人为地使刀具中心与工件轮廓偏置值不是一个刀具半径，而是某一给定值，则可以用来处理粗、精加工问题。在粗加工时，可将刀具实际半径再加上精加工余量作为刀具半径补偿值输入，而在精加工时只输入刀具实际半径值，这样可使粗、精加工采用同一个程序。先设定较大的刀具半径值，进行轮廓的粗加工，再逐步减小刀具半径值，重复进行程序，实现从粗加工到精加工的过程。刀具长度补偿的概念。数控铣床上刀具长度补偿只是和Z坐标有关，对于X、Y 平面内的编程零点，由于刀具是由主轴锥孔定位决定，因此X、Y平面内的编程零点位置是固定不变的。对于Z坐标的编程零点就不一样了。在铣床上应用的每一把刀具长度都是不同的，例如，我们要钻一个深度为40mm的孔，然后将其进行攻丝，攻丝深度设为30mm，加工刀具假设为一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。首先用钻头钻削出40mm深的孔，机床以其为基准设定了相应的工件零点，当采用丝锥攻丝时，如果按照设定的工件零点开始加工，则由于两把刀具长度不同，从而使得攻丝过长，损坏了刀具和工件。此时如果采用刀具长度补偿，那么当工件零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+（或Z-）补偿了丝锥与钻头的长度差，保证了加工零点的正确，这样就不会损坏刀具和工件了。

结语

在数控机床进行轮廓加工中，由于刀具有一定的半径，刀具中心轨迹与工作轨迹常不重合。通过刀具补偿功能指令，CNC系统可以根据输入补偿量或者实际的刀具尺寸，使机床自动加工出符合程序要求的零件。刀具半径补偿功能已广泛应用于数控加工中，对数控技术的发展有很大的指导意义。

从国内为研究现状来看，刀具半径补偿功能已广泛应用于数控加工中。目前，在我国，刀具半径补偿得到了很好的发展。但是在加工中，还是存在一定的问题。如：刀具的合理选择、加工中正确的走刀轨迹正确使用刀具半径补偿的指令等。在国外，刀具半径补偿有了非常成熟的发展。主要体现在：加工零件的精度，加工质量及生产率。鉴于国外刀具半径补偿的成熟应用，我国仍需有待提高，这对制造将会产生积极的影响。

参考文献

1、王永国.金属加工刀具及其应用.北京：机械欧诺个也出版社，2011.

2、华楚生.机械制造技术基础.重庆：重庆大学出版社，2011.

3、任同.数控加工工艺学.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

4、吴祖育，秦鹏飞.数控机床.上海：上海科学技术出版社，2003.

5、雷宏.机械工程基础.哈尔滨：黑龙江出版社，2002.

6、许翔泰，刘艳芳. 数控加工编程实用技术.北京：机械工业出版社，2000.

7、吴明友.数控机床加工技术. 江苏：东南大学出版社，2000.

8、王宝成.现代数控机床.天津：天津科学技术出版社，2000.

9、王中发.实用机械设计.北京：北京理工大学出版社，1998.