五轴联动数控加工中的刀具补偿方法
五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald85①作者简介：马引劳（1979，12—），男，汉族，陕西武功人，本科，工程师，研究方向：航空结构件数控加工及变形控制。
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.03.085五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法①马引劳(西安飞机工业（集团）有限责任公司 陕西西安 710089)摘 要：本文针对五轴数控加工3D刀具补偿及后置处理方法进行研究，设计恰当的刀具补偿算法，并利用计算机软件实现后置处理，通过仿真模拟和实例验证，得出有效的数学模型和算法公式，由此解决数控加工中的尺寸偏差问题。
关键词：五轴数控加工 后置处理 3D刀具补偿中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)01(c)-0085-02刀具补偿是数控加工系通过主要功能之一，在零件加工过程中，由于刀具在长时间使用中出现变形和磨损，导致加工零件尺寸精度不满足加工标准。
以往解决方式为更新刀具或重新编写加工程序，加大了刀具成本和程序维护难度。
因此，需要尽快寻找一种高效的补偿方法。
本文提出了五轴数控系统刀具补偿功能，在实际加工中有着较好应用性。
1 刀具补偿基本原理加工实践中的刀轴矢量保持不变，在二维刀具补偿算法中，是对切触点坐标按照表面矢量进行处理，之后针对刀具中心位置编程。
但是进行3D刀具补偿时，刀具矢量是不断变化的，程序编程要求和二维刀具补偿不同，实质是根据切触点表面矢量、刀具尺寸和刀具方向计算求得的。
下面将具体分析五轴数控加工中常用刀具的补偿处理问题。
计算出刀具补偿时和刀位点坐标，为之后的编程提供依据。
如模拟所示，P 为刀具切触点，O p为刀位点，O c是刀心点，O 1是刃口圆心、R 为刀具半径，n为切触点表面矢量，v 为补偿矢量。
上述矢量都是单位矢量。
当使用平底刀为刀具时，刀心点和刀位点重合，刀具补偿向量和切触点表面矢量重合，若刀具半径从R 变成R 1时，则刀位点沿着补偿向量平移，补偿量为R 1-R ，得到新的刀位点坐标：。
数控加工刀具的补偿
数控加工刀具的补偿发布时间：2023-01-17T01:39:52.059Z 来源：《中国科技信息》2022年18期作者：高杨[导读] 使用数控车床进行编程与加工工件时，必须真正地理解和掌握好刀具补偿功能的原理及分类高杨32090219851003****摘要：使用数控车床进行编程与加工工件时，必须真正地理解和掌握好刀具补偿功能的原理及分类。
才能合理地将刀具补偿功能应用于数控车床的编程与加工中。
加工出符合零件技术要求的工件。
关键词：数控机床；刀具补偿；一、刀具补偿概述目前大多数数控机床都具备刀具自动补偿的功能。
编程人员只需将需要补偿的数值输入NC系统中，数控系统便以自动进行刀具补偿?。
编程人员可以将更多的精力分配给如何加工出符合设计轮廓的程序，刀尖圆弧半径、刀具的磨损情况及刀具的坐标变化都无需编程人员的考虑。
大大提高了编程效率与加工精度。
数控加工中主要有四种补偿方式：刀具长度补偿、刀具半径补偿、夹具偏置补偿、夹角补偿（主要用于加工中心和数控铣床）。
二、刀具长度补偿。
使用刀具长度补偿是通过执行含有G43（刀具位置正补偿）、G44（刀具位置负补偿）和H指令来实现的，同时我们给出一个Z坐标值，这样刀具在补偿之后移动到离工件表面距离为Z的地方。
另外一个指令G49（取消刀具位置补偿）是取消G43（G44）指令的，其实我们不必使用这个指令，因为每把刀具都有自己的长度补偿，当换刀时，利用G43（G44）H指令赋予了自己的刀长补偿而自动取消了前一把刀具的长度补偿。
刀具长度的概念刀具长度是一个很重要的概念。
我们在对一个零件编程的时候，首先要指定零件的编程中心，然后才能建立工件编程坐标系，而此坐标系只是一个工件坐标系，零点一般在工件上。
长度补偿只是和Z坐标有关，它不象X、Y平面内的编程零点，因为刀具是由主轴锥孔定位而不改变，对于Z坐标的零点就不一样了。
每一把刀的长度都是不同的，例如，我们要钻一个深为50mm的孔，然后攻丝深为45mm，分别用一把长为250mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。
数控机床刀具补偿功能的应用
刀具长度补偿是通过调整刀具在Z轴上 的位置来实现对工件表面的加工，而刀 具半径补偿则是通过调整刀具在X轴或 Y轴上的位置来实现对工件表面的加工
。
刀具补偿功能可以提高加工精度、减少 加工时间、降低加工成本。
刀具补偿的参数设置
01
刀具补偿参数主要包括刀具类型、刀具直径、刀具长
度、刀具角度等。
面形状和尺寸的高精度控制。
数控铣床应用
在数控铣床上，刀具补偿可应用于 三维空间加工，如曲面加工、五轴 加工等，以实现复杂零件的高效加 工。
加工中心应用
在加工中心上，刀具补偿可应用于 多轴联动加工，实现复杂零件的高 效加工。
02
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刀具补偿的原理与实现
刀具补偿的原理
刀具补偿的基本原理是通过对刀具位置 的调整，以实现工件表面形状和尺寸的 精确控制。补偿分为刀具长度补偿和刀
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提高生产效率
降低成本
通过快速调整刀具补偿参数，可 以减少换刀和调试时间，提高生 产效率。
正确使用刀具补偿功能可以减少 刀具磨损和报废，降低生产成本 。
数控机床刀具补偿功能的发展趋势与前景
智能化
随着人工智能技术的发展，未来刀具补偿功能将更加智能化，能够根据加工条件和刀具磨损情况自动调整补偿参数， 提高加工精度和效率。
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数控机床刀具补偿功能的优化与改进
刀具补偿的误差分析
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刀具几何误差
刀具的几何形状和尺寸对 加工精度产生直接影响。
刀具磨损误差
刀具在切削过程中会逐渐 磨损，导致加工精度下降 。
受热变形误差
切削过程中产生的热量会 导致刀具和工件变形，从 而影响加工精度。
五轴数控刀具半径补偿算法研究与数控仿真
五轴数控刀具半径补偿算法研究与数控仿真陈明君,李凯,李子昂哈尔滨工业大学摘要:针对五轴数控机床中的刀具三维半径补偿,结合刀具二维半径补偿原理和空间坐标变换公式,推导出刀具三维半径补偿算法。
利用UG获取人脸复杂曲面的刀路轨迹文件,根据补偿算法编制出后处理程序,通过转换刀路轨迹文件得到数控加工代码;对其进行加工仿真和精度分析,以验证该刀具半径补偿算法的实用性。
结果表明,该算法简单、正确,能满足复杂曲面精密加工的要求。
关键词:五轴数控刀具;三维半径补偿算法;复杂曲面;数控仿真中图分类号:TG702文献标志码:AResearch of Algorithm of Cutting Tool Radius Compensation inFive-axis CNC and Simulation of Numerical ControlChen Mingjun,Li Kai,Li ZiangAbstract:In respect to cutti ng radius compensation in five-axis CNC,the3D radius compensation is acquired,combining a-l gorith m of cu tting tool radius compensation in2D surface and the space transition theory.After the machining parameters set rea-sonably,the cutter locus files of complex surface for hu man face were gotten from machining module of UG.Pos-t processi ng pro-gram was made to convert the cutter locus files to the numerical control machining codes.The si mulation of numerical con trol and analysis of accuracy were performed to validate the algorithm.s practicability.The results show that this si mple algorith m can satis-fy machining accuracy requirement of the complex surface.Keywords:five-axis CNC tool;3D radius compensation;complex surface;si mulation of numerical control1引言近年来,随着微电子、电力电子、航空航天等尖端科学技术的兴起,对精密、超精密产品、零件产生了强烈的需求,促进了精密、超精密机械加工技术的发展。
数控机床的刀具补偿与补偿方法
数控机床的刀具补偿与补偿方法数控机床是一种通过计算机编程来控制刀具自动运动的高精度机床。
而在数控机床的加工过程中，刀具磨损是不可避免的。
为了确保加工的精度和质量，需要对刀具的磨损进行补偿。
本文将介绍数控机床的刀具补偿及其方法。
刀具补偿是指在数控机床的程序中，通过计算机控制的方式，根据刀具磨损的情况进行刀补操作，使得机床能够保持加工精度。
刀具补偿主要分为几种类型：半径补偿、长度补偿、倾斜补偿、刀尖位置补偿等。
首先，半径补偿是常见的刀具补偿方式之一。
在数控机床中，刀具刃尖的磨损会导致加工半径发生变化，从而影响到加工结果。
为了纠正加工误差，可以通过半径补偿进行校正。
一般来说，半径补偿是通过在程序中输入一个补偿值，将刀具的半径进行相应的增加或减少，以保持加工精度。
其次，长度补偿也是常用的一种刀具补偿方法。
在数控机床中，切削刀具的长度磨损会导致切削深度的变化。
为了保持加工的一致性和精度，可以通过长度补偿来进行校正。
长度补偿的原理是通过在程序中输入一个补偿值，使刀具的位置发生相应的变化，从而达到加工深度的控制。
倾斜补偿是指在加工过程中，刀具出现倾斜现象，导致加工精度下降。
为了解决这个问题，可以通过倾斜补偿来进行校正。
倾斜补偿的原理是通过在程序中调整坐标偏移量，使得刀具在加工过程中能够保持正确的倾斜角度，从而保持加工精度。
最后，刀尖位置补偿是一种通过调整刀具运动轨迹来控制加工精度的方法。
在数控机床的切削过程中，刀尖的位置可能会发生偏移。
通过刀尖位置补偿，可以通过调整刀具的路径来保持刀尖的正确位置，从而实现精确的加工。
综上所述，数控机床的刀具补偿方法主要包括半径补偿、长度补偿、倾斜补偿和刀尖位置补偿等。
这些方法通过在数控机床的程序中输入相应的补偿值或调整坐标偏移量，能够对刀具磨损进行有效的补偿，从而保证加工的精度和质量。
刀具补偿是数控机床加工过程中不可或缺的一部分，它使得机床能够适应刀具磨损的变化，同时提高了加工的效率与精度。
数控技术刀具长度补偿
数控技术刀具长度补偿在数控加工领域中，刀具长度补偿是一项至关重要的技术。
它对于提高加工精度、优化加工效率以及降低生产成本都有着显著的影响。
要理解刀具长度补偿，首先得明白在数控加工过程中，刀具的实际长度与编程设定的长度往往存在差异。
这可能是由于刀具磨损、更换新刀具或者刀具制造误差等原因导致的。
而刀具长度补偿的作用，就是为了消除这种差异，确保加工出的零件符合设计要求。
想象一下，如果没有刀具长度补偿，每次更换刀具或者刀具出现磨损时，都需要重新对程序进行繁琐的修改和调整。
这不仅费时费力，还容易引入人为误差，严重影响加工的准确性和一致性。
那么，刀具长度补偿是如何实现的呢？通常来说，数控系统会提供相应的功能指令来设定和调用刀具长度补偿值。
在编程时，操作人员会根据实际测量的刀具长度与标准长度之间的差值，将补偿值输入到系统中。
当数控系统执行加工程序时，会自动根据补偿值对刀具的移动轨迹进行修正。
比如说，在加工一个零件时，编程设定的刀具长度为 100mm，但实际使用的刀具长度为 98mm。
这时，我们就可以将－2mm 的补偿值输入到数控系统中。
系统在加工过程中，就会自动将刀具的移动距离增加 2mm，从而弥补刀具长度不足的问题，保证加工深度的准确性。
刀具长度补偿分为两种类型，分别是正补偿和负补偿。
正补偿用于补偿刀具实际长度短于编程设定长度的情况，负补偿则用于补偿刀具实际长度长于编程设定长度的情况。
在实际应用中，正确测量刀具长度是实现准确补偿的关键。
一般可以通过对刀仪等专业设备来测量刀具长度。
对刀仪能够精确地测量出刀具的长度，并将数据传输给数控系统。
此外，刀具长度补偿还需要与其他数控加工技术相结合，才能发挥出最大的作用。
比如，与刀具半径补偿配合使用，可以实现更加复杂形状零件的高精度加工。
同时，操作人员在使用刀具长度补偿功能时，也需要注意一些问题。
首先，要确保输入的补偿值准确无误，否则可能会导致加工错误。
其次，在更换刀具后，要及时更新补偿值。
数控机床的刀具补偿方法
数控机床的刀具补偿方法摘要：数控机床是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。
它把机械加工过程中的各种控制信息用代码的数字表示，通过信息载体输入数控装置，它快、精、准。
数控机床较好的解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种典型的机电一体化产品。
在使用中为了提高精度、减小误差，本文将介绍几种刀具补偿的方法。
关键词：数控机床、刀具补偿CNC machine tool compensation methodLuoZhiHong(electronic information and control engineering, liuzhou, guangxi 545006) Abstract: numerical control machine is a kind of digital computer technology applied tomachine control technology. It is the mechanical process, various control information with the digital code, through the carrier of information input device, it quickly, CNC,. CNC machine a good way to solve the complex and sophisticated, small batch and multiple varieties of parts processing, is a kind of typical electromechanical products. In use in order to reduce the error, this paper introduces several tools compensation method.Keywords: CNC machine, cutter compensation一、前言数控机床加工中的刀具补偿一般分为刀具长度补偿和刀具半径补偿，并且不同类型的机床与道具，血药考虑形式不一样的补偿；对于铣刀而言，主要是刀具半径补偿；对于钻头而言，只有刀具长度补偿。
数控加工中的刀具补偿技巧
数控加工中的刀具补偿技巧2008-9-17 10:15:37 国际工程机械网一、刀具补偿的提出用立铣刀在数控机床上加工工件，可以清楚看出刀具中心运动轨计与工件轮廓不重合，这是因为工件轮廓是立铣刀运动包络形成的。
立铣刀的中心称为刀具的刀位点(4、5坐标数控机床称为刀位矢量)，刀位点的运动轨计即代表刀具的运动轨迹。
在数控加工中，是按工件轮廓尺寸编制程序，还是按刀位点的运动轨迹尺寸编制程序，这要根据具体情况来处理。
在全功能数控机床中，数控系统有刀具补偿功能，可按工件轮廓尺寸进行编制程序，建立、执行刀补后，数控系统自动计算，刀位点自动调整到刀具运动轨迹上。
直接利用工件尺寸编制加工程序，刀具磨损，更换加工程序不变，因此使用简单、方便。
经济型数控机床结构简单，售价低，在生产企业中有一定的拥有量。
在经济型数控机床系统中，如果没有刀具补偿功能，只能按刀位点的运动轨迹尺寸编制加工程序，这就要求先根据工件轮廓尺寸和刀具直径计算出刀位点的轨迹尺寸。
因此计算量大、复杂，且刀具磨损、更换需重新计算刀位点的轨迹尺寸，重新编制加工程序。
二、全功能数控机床系统中刀具补偿1.数控车床刀具补偿数控车床刀具补偿功能包括刀具位置补偿和刀具圆弧半径补偿两方面。
在加工程序中用T功能指定，TXXXX中前两个XX为刀具号，后两个XX为刀具补偿号，如T0202。
如果刀具补偿号为00，则表示取消刀补。
(1)刀具位置补偿刀具磨损或重新安装刀具引起的刀具位置变化，建立、执行刀具位置补偿后，其加工程序不需要重新编制。
办法是测出每把刀具的位置并输入到指定的存储器内，程序执行刀具补偿指令后，刀具的实际位置就代替了原来位置。
如果没有刀具补偿，刀具从0点移动到1点，对应程序段是N60G00C45X93T0200，如果刀具补偿是X=+3，Z=+4，并存入对应补偿存储器中，执行刀补后，刀具将从0点移动到2点，而不是1点，对应程序段是N60G00X45Z93T0202。
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五轴联动数控加工中的刀具补偿方法
刀具补偿是现代计算机数控（CNC）系统所具有的重要功能之一，可分为刀具半径补偿和长度补偿两种。
就目前而言，应用于二维轮廓加工的两坐标联动数控系统基本都具备刀具补偿功能，而多坐标（三坐标以上）联动数控系统中对于刀具补偿功能还未能得到较好解决。
特别是五轴联动加工中，由于刀具的旋转运动，使得五轴联动刀具补偿较难实现。
国外几个主要CNC生产商在其高档的五轴联动数控系统中已经带有刀具补偿功能，如SIEMENS的SINUMERIC840D系统具有将三维空间向量转换为实际机械轴角度的计算能力的“3D Tool Radius Compensation”功能，而所带的坐标转换（或位置变换）功能其实质就是五轴刀具长度补偿。
国内有关五轴联动加工刀具补偿方法的研究并不多，因此，本文将对五轴加工中的刀具补偿问题进行深入研究，分别对五轴加工中的刀具半径补偿和长度补偿的实现方法进行详细叙述，以期能建立并完善五轴联动CNC系统的刀具半径和长度补偿功能。
一、五坐标加工数控程序的生成
五坐标加工主要应用于复杂曲面零件如整体叶轮等的加工，因此其数控程序的生成必须借助于一些自动编程软件如UGII、HyperMill等。
在应用这些软件进行五坐标数控编程时得到的刀位文件（CLF）是不依赖于具体机床结构和形式的，而且它提供了五轴曲面加工时刀具底端面中心（以下简称为刀具中心）在工件坐标系下要求位移到的位置坐标以及刀轴的方位矢量等信息，但CLF文件的生成却依据了选用刀具的形式（如平底刀等）和刀具半径等参数。
因此，五轴加工程序的生成与刀具参数设定有密切的关系。
另外，利用编程软件的后置处理模块根据选用五轴数控机床的结构形式等参数将CLF文件转换成加工曲面所需的数控程序。
假定某加工程序段为：G01XxYyZzAaCc其中位置坐标值x、y、z可以是刀具中心坐标也可以是机床主轴端（Spindle none）的坐标a、c分别为绕X轴、Z轴的角度坐标值。
当x、y、z为刀具中心坐标时称为刀具中心编程，当x、y、z为主轴端坐标时称为主轴端编程，如图1所示。
但无论哪种编程方式都需数控系统具有刀具自动补偿功能才能加工出我们所需要的零件。
以下将以图2所示结构形式五轴数控机床和刀具（平底刀）中心编程为例分别叙述五轴联动加工中的刀具半径补偿和长度补偿。
二、现行五轴数控编程在刀具半径补偿方面的不足
上节中叙述的五坐标数控加工编程方式和得到的数控指令格式是根据国际标准化组织（ISO）有关数控编程的标准ISO 6983进行的。
对平面两轴或两轴半的加工而言，在ISO 6983中常使用G41/G42功能来补偿刀具半径。
补偿时根据数控程序中提供的相关信息如G17/G18/G19进行加工平面选择配合G41/G42左右刀具补偿选取，利用一般较低档的控制器即可完成。
但是，对于三轴特别是五轴加工，即刀具半径的补偿要在三维空间完成，ISO 6983中所提供的信息则显得不足，如G17/G18/G19、G41/G42等已经失效，插补程序段中提供的数据信息又仅仅是刀具中心点坐标和刀具轴的方位角，刀具半径补偿实际上不可能进行，因为控制
器不知道该往哪个方向进行补偿，而这个方向对于刀具半径补偿非常重要。
因此，如果要进行三维空间刀具半径补偿功能，则必须在数控加工程序段中提供补偿方向向量等信息，如FANUC15-MA（FANUC,1994）、CINCINNA TI MILACRON ACRA-MATIC 950（CINCINNATI,1990）等，FANUC控制器采用了1JK码来表示，而CINCINNATI则是采用POR码来表示。
另外，在后置处理方面，目前的CAM编程系统通常并不提供刀具补偿向量模式，只有在五轴机床的原厂商对其个别型式的五轴机床专用的后置处理程序，才提供了这种五轴三维刀具补偿向量模式的输出，但其价格却相当昂贵。
本文假定得到的加工程序段中提供了刀具半径补偿向量。
三、五轴刀具半径补偿
在进行刀具中心编程时，由CAD/CAM软件生成的数控程序是根据编程刀具半径计算出来的刀具中心运动轨迹。
实际加工时，必须保证刀具半径与编程时刀具半径相等。
一旦刀具半径发生改变，尤其是刀具在加工的过程由于磨损而造成尺寸变化时，程序的重复使用就受到很大的限制，必须根据所用刀具半径返回CAD/CAM系统重新产生CLF文件经后置处理生成新的NC程序。
这样会造成程序维护不易，生产效率无法提高，若考虑更换新刀具加工，则又存在增加备用刀具成本的缺点。
如果所使用的五轴CNC系统带有刀具半径补偿功能，则原有的程序和刀具仍然可用，只需在加工前测量出刀具实际半径值即可，不必每次加工都保证所使用刀具半径与编程刀具半径相等。
如图3所示的是使用刀具半径补偿功能前后对加工结果的影响。
如图4所示，在加工过程中某数控加工程序段表示的刀具中心位置坐标、刀轴方位角度坐标以及补偿方向单位向量为，刀具与加工表面切触于点，进给方向垂直纸面向里，刀具底沿在纸面的投影为一椭圆。
图4中实线表示编程使用的刀具，半径为Rp，点划线表示实际加工时所用的刀具，半径为R。
显然当R=Rp时刀具底沿与理论加工表面切触于C，无须进行半径补偿而直接进行长度补偿计算主轴端点位置坐标即可。
但是若RRP时，则必须先进行半径补偿，半径补偿的目的是要让实际加工刀具的底沿仍与理论加工表面切触于C。
图5中虚线表示刀具沿补偿方向进行补偿后刀具的位置。
定义：将由编程刀具中心位置即指向刀具半径补偿后实际加工刀具中心的矢量称为刀具半径补偿向量，用Vr表示。
四、五轴刀具长度补偿
ISO 6983标准中规定了刀具旋转的角度，从而也就能确定出刀具的轴向向量，因此刀具长度补偿仍然有效，长度补偿的方向即为刀具的轴向向量。
从编程方面看，无论采用哪种编程得到的数控加工程序，CNC控制器中刀具长度补偿功能对最后的加工结果都非常重要。
如果刀具中心编程得到的数控程序不经过长度补偿得到主轴端点坐标，则数控系统会将刀具
中心点误认为是主轴端点，加工结果可想而知，如图5a所示。
主轴端编程是根据编程中使用的刀具长度计算出来的主轴端点的运动轨迹。
实际加工时，必须保证刀具长度与编程时刀具长度相等。
一旦刀具长度发生改变，则刀具中心点不可能到达编程时的刀具中心，因此也需要对刀具长度变化进行补偿。
如图5b所示为主轴端编程时刀具长度补偿前后对加工结果的影响。
以下将讨论图5a所示刀具中心编程中的刀具长度补偿。
五、结语
基于刀具补偿功能在五轴数控加工中的重要性，本文在分析现行编程标准对于实现刀具半径补偿功能不足的基础上，通过引入刀具半径补偿向量讨论了图2所示结构形式的五轴联动数控机床的刀具长度和半径补偿的实现。
对于其他形式的机床可以通过类似的方法分别实现刀具半径补偿和长度补偿。