浅谈数控车床加工中的刀具补偿问题

【摘 要】数控车床加工过程中的刀具补偿问题一直困扰着数控加工实践的问题，在数控加工实际生产中如何灵活和合理地运用刀补值，并结合刀补原理正确编制加工程序以保证数控加工的有效性和准确性一直是数控加工生产与数控加工教学工作中必须解决的问题之一。

【关键词】数控车床；刀具补偿；编程

数控车床通常连续实行各种切削加工，刀架在换刀时前一刀具刀尖位置和新换的刀具位置之间 会产生差异，加之刀具安装、刀具磨损和刀尖圆弧半径等存在的误差，若不利用刀具补偿功能予以补偿，加工出的零件就难以符合图样要求。数控车床的刀具补偿可分为三类，刀具位置补偿，刀具半径补偿和刀具位置补偿。

一、刀具位置补偿

在数控切削加工过程中，若使用多把刀具，通常取刀架中心位置作为编程原点，即以刀架中心！为程序的起始点，如图1所示，而刀具实际移动轨迹则由刀具位置补偿值控制。由图1（a）可见，刀具位置补偿包含刀具几何补偿值和磨损补偿值。

由于存在两种形式的偏移量，所以刀具位置补偿必须使用两种方法，一种方法是将几何补偿值和磨损补偿值分别设定存储单元存放补偿值，其格式为：

另一种方法是将几何偏移量和磨损偏移量合起来补偿，如图1（b）所示，其格式为：

总补偿值存储单元编号有两个作用，一个作用是选择刀具号对应的补偿值，并执行刀具位置补偿功能；另一个作用是当存储单元编号00 时可以取消位置补偿，例如T0100，表示消去1号刀具当前的补偿值。图2表示位置补偿的作用，图2中的实线是刀架中心! 点的编程轨迹线，虚线是执行位置补偿时A点的实际轨迹线，实际轨迹的方位和X、Z 轴的补偿值有关，其程序为：

数控车床系统刀具结构如图3所示。图3中P为假想刀尖，S为刀头圆弧圆心，r为刀头半径，A为刀架参考点。

车床的控制点是刀架中心，所以刀具位置补偿始终需要。刀具位置补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架参考点之间的转换，对应图3中A与S之间的转换，但是实际上我们不能直接测得这两个中心点之间的距离矢量，而只能测得假想刀尖P 与刀架参考点A之间的距离。

为了简便起见，不妨假设刀头半径r=0，这时可采用刀具长度测量装置测出假想刀尖点P相对于刀架参考点的坐标XPA和ZPA，并存入刀具参数表中。

XPA=XP-X；ZPA=ZP-Z。

图4(表示圆弧刀尖 有半径补偿和无半径补偿时的轨迹。从图4中可以看出，采用假想刀尖P编程时，刀具圆弧中心轨迹 如图(中双点划线所示，刀具实际加工轨迹和工件要求的轮廓形状存在误图4。

圆弧刀尖有半径补偿和无半径补偿时的轨迹差，误差大小和圆弧半径r有关。若采用刀具圆弧中心编程并使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4中的细实线，加工轨迹和工件要求的轮廓相等。

二、刀具半径补偿：

刀具半径补偿的概念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太多考虑刀具的直径大小了。刀长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，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。

刀具半径补偿的使用刀具半径补偿的使用是通过指令G41、G42来执行的。补偿有两个方向，即沿刀具切削进给方向垂直方向的左面和右面进行补偿，符合左右手定则；G41是左补偿，符合左手定则；G42是右补偿，符合右手定则，刀具半径补偿的起刀位置很重要，如果使用不当刀具所加工的路径容易出错，因此，在使用G41、G42进行半径补偿时应采取以下步骤：第一，设置刀具半径补偿值；第二，让刀具移动来使补偿有效（此时不能切削工件）； 第三，正确地取消半径补偿（此时也不能切削工件）。记住，在切削完成而刀具补偿结束时，一定要用G40使补偿无效。G40的使用同样遇到和使补偿有效相同的问题，一定要等刀具完全切削完毕并安全地推出工件以后才能执行G40命令来取消补偿。

三、刀具长度补偿：

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。先用钻头钻孔深50mm，此时机床已经设定工件零点，当换上丝锥攻丝时，如果两把刀都从设定零点开始加工，丝锥因为比钻头长而攻丝过长，损坏刀具和工件。此时如果设定刀具补偿，把丝锥和钻头的长度进行补偿，此时机床零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，因补偿的存在，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+（或Z）补偿了丝锥的长度，保证了加工零点的正确。

刀具长度补偿的工作使用刀具长度补偿是通过执行含有G43（G44）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。

刀具长度补偿的两种方式。一是，用刀具的实际长度作为刀长的补偿（推荐使用这种方式）。使用刀长作为补偿就是使用对刀仪测量刀具的长度，然后把这个数值输入到刀具长度补偿寄存器中，作为刀长补偿。使用刀具长度作为刀长补偿的理由如下：首先，使用刀具长度作为刀长补偿，可以避免在不同的工件加工中不断地修改刀长偏置。这样一把刀具用在不同的工件上也不用修改刀长偏置。在这种情况下，可以按照一定的刀具编号规则，给每一把刀具作档案，用一个小标牌写上每把刀具的相关参数，包括刀具的长度、半径等资料，事实上许多大型的机械加工型企业对数控加工设备的刀具管理都采用这种办法。这对于那些专门设有刀具管理部门的公司来说，就用不着和操作工面对面地告诉刀具的参数了，同时即使因刀库容量原因把刀具取下来等下次重新装上时，只需根据标牌上的刀长数值作为刀具长度补偿而不需再进行测量。 其次，使用刀具长度作为刀长补偿，可以让机床一边进行加工运行，一边在对刀仪上进行其他刀具的长度测量，而不必因为在机床上对刀而占用机床运行时间，这样可以充分发挥加工中心的效率。这样主轴移动到编程Z坐标点时，就是主轴坐标加上（或减去）刀具长度补偿后的Z坐标数值。

刀具长度补偿的另一种方式是利用刀尖在Z方向上与编程零点的距离值（有正负之分）作为补偿值。这种方法适用于机床只有一个人操作而没有足够的时间来利用对刀仪测量刀具的长度时使用。这样做当用一把刀加工另外的工件时就要重新进行刀长补偿的设置。使用这种方法进行刀长补偿时，补偿值就是主轴从机床Z坐标零点移动到工件编程零点时的刀尖移动距离，因此此补偿值总是负值而且很大。

在数控加工中，由于刀尖有圆弧,工件轮廓是刀具运动包络形成，因此刀位点的运动轨迹与工件的轮廓是不重合的。在全功能数控系统中，刀补值有着非常重要的作用，灵活、合理地运用刀补值并结合刀补原理正确编制程序是保证数控加工有效性、准确性的重要因素，可应用其刀具补偿指令，按工件轮廓尺寸，很方便地进行编程加工。在经济型数控系统中，可以根据工件轮廓尺寸、刀具等计算出刀位点的运动轨迹，按此编程，也可按局部补偿的方法来解决。

参考文献：

[1]严爱珍,主编.机床数控原理与系统[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]王爱玲,主编.现代数控编程技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

[3]周晓宏,主编.数控车床操作与编程 [M].中国劳动社会保障出版社,2003.

作者简介：应玉忠，男，大学本科，讲师，主要研究方向：数控技术应用。