两种编程路径的刀具半径补偿辨析
2018-5-23 来源： 河南科技大学机电工程学院 作者： 杨丙乾，吴孜越，雷贤卿
摘要: 介绍了刀具半径补偿的作用; 分析使用 “轮廓编程”和 “非轮廓编程”时，如何判定刀具半径左、右补偿，如何计算刀具半径补偿值; 并通过实例介绍了两种编程路径下，刀具半径补偿的具体应用和程序编写方法，以及子程序编写需要考虑的因素。
关键词: 刀具半径补偿; 编程路径; 轮廓编程; 非轮廓编程
在数控加工编程中，通过使用刀具半径补偿可以简化程序编制。但在实际编程中，由于对刀具半径补偿概念认识不足，经常发生补偿方向判定和补偿值计算的错误。
下面就刀具半径补偿的概念、刀具半径补偿方向判别和补偿值计算等问题进行分析。
1、刀具半径补偿的作用
刀位点是刀具上用来代表刀具运动坐标位置的点，不同的刀具其刀位点不尽相同，圆柱立铣刀的刀位点是铣刀端面中心点。
数控程序控制的是刀位点的运动轨迹，当直接采用工件加工表面轮廓坐标值进行编程时，刀位点就会沿着工件加工表面轮廓运动，由于刀具半径的存在，刀具会多切入工件表面一个刀具半径，从而造成过切。如果要避免刀具过切，刀具的实际走刀路径就需要相对于工件加工表面轮廓向无材料侧偏移一个刀具半径。因此，就需要按照该偏移轮廓进行编程，这又需要计算编程路径上大量的基点坐标，给编程带来诸多不便。在数控系统中，可以采用刀具半径补偿设置，数控系统自动将刀具向工件轮廓无材料侧偏移一个刀具半径，以避免刀具过切，并免去人工计算刀具实际走刀路径上大量基点坐标的繁杂工作。
2 、两种编程路径的刀具半径补偿辨析
(1) “轮廓编程图
如图1所示，数控铣削加工中，大多数情况下，直接按照零件表面轮廓 AB 的尺寸坐标进行编程，AB 称为编程路径，这种编程简称为“轮廓编程”。此时编程路径与工件加工表面轮廓重合。在图1中，“轮廓编程”时，沿进给方向看，刀具位于工件的左侧，为了避免刀具多切入工件一个半径，加工中刀具需要向工件轮廓的无材料侧 ( 左侧)偏移一个刀具半径，此时，就称为左刀补。如图 1 所示,当零件表面需要进行多工步加工时，如: 粗、精两个工步加工，工步 1 和工步 2 的刀具半径补偿值分别为:
图 1 “轮廓编程”的刀补
式中: Ｒ1为工步 1 的刀具半径补偿值;
Ｒ2为工步 2 的刀具半径补偿值;
r 为刀具半径值;
ap2为工步 2 的背吃刀量。
推而广之，当前工步的刀具半径补偿值，可用式 ( 1) 计算:
式中: Ｒi为第 i 工步的刀具半径补偿值;
api 为第i工步的背吃刀量
即: 当前工步的刀具半径补偿值就等于刀具半径值加上之后所有工步的背吃刀量之和。
(2) “非轮廓编程”
图 2 所示，为了简化编程及工艺安排等需要，采用的编程路径 AB 并不是零件的表面轮廓，这种编程简称为 “非轮廓编程”。
图 2 “非轮廓编程”的刀补
在图 2 中，沿进给运动方向看，刀具位于工件材料的左侧。但由于编程路径远离工件轮廓，为保证能够切除工件表面余量，刀具需要相对于编程路径 AB向工件轮廓侧 ( 右侧) 偏移。因此，该刀补应该称为 “右刀补”。实际上，“轮廓编程”时，也可以用这一原则判定刀具的左、右补偿。即刀具的左、右刀补判定依据应是: 刀具相对于编程路径的偏移方向。此时，工步 1 和工步2 的刀具半径补偿值可以根据图 3 计算如下:
Ｒ1= B － r － ap2
Ｒ2= B － r式中: B
为编程路径与零件表面间距离;
Ｒ1为工步 1 的刀具半径补偿值;
Ｒ2为工步 2 的刀具半径补偿值;
r 为刀具半径值;
ap2为工步 2 的背吃刀量。
图 3 “非轮廓编程”刀补值
推而广之，当前工步的刀具半径补偿值，可用式(2) 计算:
式中: Ｒi为第 i 工步的刀具半径补偿值;
api为第 i 工步的背吃刀量。
3 、“轮廓编程” 时刀具半径补偿应用
图 4 所示，一次走刀，以直径 20 mm 的刀具，铣削□70 mm 的凸台轮廓，采用左刀补。由式 (1)可知，此时可在数控系统中设置刀具半径补偿值为10。
图 4 外轮廓加工
采用主程序调用子程序，其程序编写如下:
主程序:
O0001;
M6 T01;
G17 G90 G54;
G00 X90 Y0;
M03 S1000;
G00 G43 Z5 H01;
G01 M08 Z － 20 F100;
G01 G41 X49. 497 Y0 D01 F400;
M98 P0002;
M30;
轮廓加工子程序:
O0002;
G01 X0 Y － 49. 497;
G01 X － 49. 497 Y0;
G01 X0 Y49. 497;
G01 X49. 497 Y0;
G01 G40 X90 Y0;
G01 G49 M09 N05 Z200;
M99;
4 、“非轮廓编程” 时刀具半径补偿应用
图 5 所示，一次走刀，以 15 mm 立铣刀铣削圆环槽。为获得圆环槽内、外侧壁较高的表面加工质量，走刀路径均采用顺铣安排，即内侧壁按顺时针走刀，外侧壁按逆时针走刀
图 5 圆环槽加工。
为简化编程，编程路径采用圆环槽中心线100mm 圆。由式 ( 2) 可知，此时可在数控系统中设置刀具半径补偿值为 2. 5。加工内外侧壁均应采用右刀补。
为防止空刀运动切到工件，外侧壁与内侧壁加工路径转换时，以互为对称的点 A、A' 作为路径变换点。并用点 A 作为加工外侧壁的起刀点，用点 A'作为加工内侧壁的起刀点，以保证刀补运动尽量沿切线方向切入工件。
考虑到实际加工中可能分粗精加工和换刀等，将内外侧轮廓加工分别写成两个子程序，其程序编写如下:
主程序:
O0003;
M6 T02;
G17 G90 G54;
G00 X49. 356 Y － 8;
M03 S800;
G00 G43 Z5 H02;
G01 M08 Z － 20 F100;
G01 G42 X50 Y0 D02 F300;
M98 P0004;
G01 G42 X50 Y0 D02;
M98 P0005;
G00 X100 Y100;
M30;
加工外侧壁子程序为:
O0004;
G03 I － 50;
G01 G40 X49. 356 Y8;
M99;
加工内侧壁子程序为:
O0005;
G02 I － 50;
G01 G40 X49. 356 Y － 8;
G00 G49 Z200 M05 M09;
M99;
5 、结论
在零件轮廓铣削加工中，有 “轮 廓 编 程” 和“非轮廓编程”两种编程路径。在这两种情况下，需要注意刀具半径左、右补偿的辨识，其刀具半径补偿值的计算有所不同。为了满足工件加工工艺和简化编程的要求，子程序编写应考虑到粗、精加工工艺安排，切削用量的改变，刀具的更换等情况。
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