1 前言
- 刀具半径补偿的基本概念
图1 加工中的刀具半径补偿- 在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径(如铣刀半径或线切割机的钼丝半径等)，刀具中心的运动轨迹与所需加工零件的实际轮廓并不重合。如在图1中，粗实线为所需加工的零件轮廓，点划线为刀具中心轨迹。由图可见在进行内轮廓加工时，刀具中心偏离零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具中心又偏离零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移，称为刀具半径补偿。
- 采用刀具半径补偿的作用和意义
- 数控机床一般都具备刀具半径补偿的功能。在加工中，使用数控系统的刀具半径补偿功能，就能避开数控编程过程中的繁琐计算，而只需计算出刀具中心轨迹的起始点坐标值就可。同时，利用刀具半径补偿功能，还可以实现同一程序的粗、精加工以及同一程序的阴阳模具加工等功能。
- 刀具半径补偿指令的使用方式
- 根据ISO 标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的左边时，称为左刀补，用G41表示；刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的右边时，称为右刀补，用G42表示；注销刀具半径补偿时用G40表示。
2 刀具半径补偿过程
- 刀具半径补偿建立：当输入BS缓冲器的程序段包含有G41/G42命令时，系统认为此时已进入刀补建立状态。当以下条件成立时，加工中心以移动坐标轴的形式开始补偿动作。
- 有G41或G42被指定；
- 在补偿平面内有轴的移动；
- 指定了一个补偿号或已经指定一个补偿号但不能是D00；
- 偏置(补偿)平面被指定或已经被指定；
- G00或G01模式有效。
- 补偿模式：在刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。此时半径补偿在G00、G01、G02、G03情况下均有效。
- 取消补偿：使用G40指令消去程序段偏置值，使刀具撤离工件，回到起始位置，从而使刀具中心与偏程轨迹重合。当以下两种情况之一发生时加工中心补偿模式被取消。①给出G40同时要有补偿平面内坐标轴移动。②刀具补偿号为D00。
3 刀具半径补偿在加工中心中的应用
- 不同平面内的半径补偿
- 刀具半径补偿用G17、G18、G19命令在被选择的工作平面内进行补偿。即当G18命令执行后，刀具半径补偿仅影响X、Z移动，而对Y轴没有作用。
- 铣削如图2所示圆柱面，使用刀具是半径为10mm的球形立铣刀。编程控制点有两个，即刀尖、球心，这里使用球心。O0001
- N1 G9054G18G0060.0Y0S1000M03;
- N2 Z0;
- N3 G91G01 G41X-20.0D01 F100;
- N4 G02X-80.0I40.0;
- N5 G40GG0lX20.0;
- ┇
- ┇
- N22vG90G00Z100.0;
- N23vX0 Y0M05;
- N24 M30;
- 实现同一程序的粗、精加工：刀具半径补偿除方便编程外，还可改变补偿大小的方法以用实现同一程序的粗精加工。
- 粗加工刀具补偿量＝刀具半径+精加工余量，精加工刀具补偿量＝刀具半径+修正量
- 实现同一程序的阴阳模具加工
图3 内、外两种型面的加工- 在加工同一公称尺寸的内、外两种型面时，可分别调用G41、G42指令，利用同一程序(G41G42互换)完成内、外两种型面的加工。如图3。
- 刀具半径补偿用G17、G18、G19命令在被选择的工作平面内进行补偿。即当G18命令执行后，刀具半径补偿仅影响X、Z移动，而对Y轴没有作用。
图2 G18指令的使用
4 使用刀具半径补偿时常见的问题
- 半径补偿时的过切问题
- 无被选择的工作平面内的移动指令：当刀具半径补偿指令发出时，第一段程序先被读入BS，在BS中算得的第一段编程轨迹被送到CS暂存后，又将第二段程序读入 BS，算出第二段的编程轨迹。接着对第一和第二两段的编程轨迹的连接方式进行判别。根据判别结果，再对CS中的第一段编程轨迹作相应的修正。修正结束后，顺序地将修正后的第一段编程轨迹由CS 送AS第二段编程轨迹由BS送入CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送伺服装置予以执行。如接下的两个程序段在被选择的工作平面内无移动指令，机床无法判断刀具半径补偿的方向，此时机床不发出报警信号，补偿继续进行，只是补偿的起始点发生变化，从而导致工件发生过切现象。例，如图4。
图4 半径补偿中的过切现象- O0002
- N1 G90G54G17 G000Y0S2000M03
- N2 Z100.0
- N3 G41 X40.0Y10.0D01
N4 Z2.0 } 连续两句Z 轴移动 N5 G01Z-10.0F100 而没有XY 轴移动 - N6Y100.0
- N7X100.0
- N8Y40.0
- N9X20.0
- N10G00Z100.0
- N11G400Y0M05
- N12M30
- 刀具补偿值大于被加工部分内圆弧半径：当零件上的圆弧半径小于刀具半径补偿值时，向圆弧、圆心方向的半径补偿将会导致过切，这时程序运行到该程序段时，机床将发出报警并停止在将要过切程序段的起始点上，如图5所示。
图5 不停机导致过切
图6 不停机导致过切- 被铣削部分的槽底宽小于刀具直径：当刀具半径补偿使刀具中心向编程路径反方向运动，将会导致过切。此时机床将会报警并停留在该程序段的起始点，如图6 所示。
- O0002
- 无被选择的工作平面内的移动指令：当刀具半径补偿指令发出时，第一段程序先被读入BS，在BS中算得的第一段编程轨迹被送到CS暂存后，又将第二段程序读入 BS，算出第二段的编程轨迹。接着对第一和第二两段的编程轨迹的连接方式进行判别。根据判别结果，再对CS中的第一段编程轨迹作相应的修正。修正结束后，顺序地将修正后的第一段编程轨迹由CS 送AS第二段编程轨迹由BS送入CS。随后，由CPU将AS中的内容送到OS进行插补运算，运算结果送伺服装置予以执行。如接下的两个程序段在被选择的工作平面内无移动指令，机床无法判断刀具半径补偿的方向，此时机床不发出报警信号，补偿继续进行，只是补偿的起始点发生变化，从而导致工件发生过切现象。例，如图4。
- G40 执行前改变补偿号
- 刀具半径补偿号要在刀具补偿取消后才能改变，如果在G40下变换补偿号，当前程序段的目的点的补偿量将按照新的给定值，而当前程序段开始点补偿量则不变，从而可能导致欠切削或过切。
- 在G02、G03模式下取消刀具补偿
- 刀具补偿必须在G00、G01模式下取消在G02、G03模式下取消刀具补偿时，系统将发出报警。
- M96模式与M97模式
- 在圆角过渡模式M96下，用G41或G42进行刀具半径补偿时，如果相邻程序轨迹交角为180°或更大，刀具将以圆弧插补方式绕着交点回转。相反在交角过渡模式M97下，刀具中心将运动至二相邻刀心轨迹的点而不是进行圆弧插补。当加工零件上的阶台高度比刀具半径小时，用M96模式将会引起过切，如用M97模式则可以顺利通过，如图7 所示。
图7
5 结论
