西門子系統刀具補償功能的應用研究

毛云秀

（沈陽工程學院機械學院，沈陽110136）

0 引言

刀具補償功能是數控機床中非常重要的一項功能，它的出現使復雜的刀具軌跡計算成為歷史，使外形復雜、高精度的零件加工成為可能。現代數控系統都具備刀具補償功能，這使得零件的編程和加工變得更加簡單、方便。

在實際生產中，比較常用的刀具補償功能有刀具半徑補償、刀具長度補償。本文以SINUMERIK 802D數控系統為例探討數控銑床的刀具補償功能。

1 刀具補償功能

1.1 刀具半徑補償

1）刀具半徑補償的作用。在數控銑床加工中都是按照圖紙給出的零件輪廓尺寸進行編程的，即是將刀具視為一個點。如果按此加工零件，實際加工出的零件輪廓尺寸會與圖紙標注尺寸相差一個半徑值。出現這種情況的原因是輪廓加工時刀具圓柱表面的主切削刃（周刃）在切削，而數控機床的坐標是以刀具徑向中心為基準的。刀具半徑補償的作用就是將零件輪廓軌跡轉換為刀具中心軌跡。

2）刀具半徑補償指令代碼。在數控銑床中默認的加工平面為X、Y平面（G17），實際生產中，零件的尺寸被稱為長度、寬度和深度。在X、Y平面中，X對應長度，Y對應寬度，Z對應深度。

G00/G01 G40 X…Y… ；取消刀具半徑補償

G00/G01 G41 X…Y…D… ；刀具半徑左補償

G00/G01 G42 X…Y…D… ；刀具半徑右補償

從上述指令可以看出，刀具半徑補償功能只能跟在直線運動指令（G00/G01）的后面，而不能跟在圓弧插補指令（G02/G03）的后面。在X、Y平面下，刀具半徑補償只有加在X、Y軸上才有效，而加在Z軸上無效。

3）刀具半徑左、右補償的判定方法。在實際生產中，刀具半徑左、右補償最簡單的判定方法就是看刀具中心在加工路線的哪一側。如果刀具中心在加工路線的左側即為左補償G41，如圖1（a）所示；右側則為右補償G42，如圖 1（b）所示。

圖1 刀具半徑左、右補償的判定

4）刀具半徑補償值。刀具半徑補償值是由刀具補償號D決定的。在西門子系統中，一把刀具最多可設定9個不同的補償數據，即D1～D9。功能鍵“OFFSET PARAM”下的“刀具表”即為刀具補償號D的設定界面，“半徑”一欄中的數據即為刀具半徑補償值，如圖2所示。

圖2 刀具補償號D的設定界面

1.2 刀具長度補償

1）刀具長度補償的概念。在數控銑床編程中，我們一般設定毛坯的上表面或下表面作為Z軸的編程零點。由于在加工中刀具會產生磨損，這就會造成刀位點與編程零點不一致，從而導致零件加工深度尺寸與圖紙標注不符。利用刀具長度補償功能，可假想出與原刀具相同長度的刀具，從而不必對零件重新編程，即可對零件深度尺寸進行準確控制。

2）刀具長度補償值。在西門子系統中，刀具長度補償值也與刀具補償號D有關。如圖2所示的設定界面中，“長度1”、“長度2”一欄中的數據即為刀具長度補償值。刀具調用后，刀具長度補償值立即生效，而無需額外G代碼。

2 刀具補償功能在數控銑床中的應用

1）利用刀具半徑補償功能可完成零件輪廓外余量的分次銑削。數控銑床加工中，如果輪廓外余量較大，可給定不同的刀具半徑補償值來完成分次銑削，而無須額外編制程序。

2）利用刀具半徑補償功能可實現零件輪廓的粗、精加工及精度控制。數控銑床加工中，為了保證加工質量，零件都需進行粗、精加工。假定刀具實際半徑值為d，精加工雙邊余量為Δ，粗加工后實際測量尺寸與標注尺寸的差值為e。粗、精加工補償值的確定方法如下：

a.粗加工時，刀具半徑補償值為d+Δ；b.精加工時，標注尺寸精度要求不高時，刀具半徑補償值為d；c.精加工時，標注尺寸精度要求較高時，刀具半徑補償值不能為d。粗加工結束后，理論上Δ=e，實際上由于刀具讓刀、磨損等因素會造成e≠Δ，此時刀具半徑補償值為d-e+Δ。

3）利用刀具長度補償功能控制零件深度尺寸的精度。對于深度尺寸精度要求較高的零件，可在粗加工時利用刀具長度補償功能在深度方向留余量Δ，精加工時根據標注尺寸減去實際測量尺寸的差值k確定新的長度補償值為k-Δ。

3 刀具補償功能的實踐舉例

加工如圖3所示零件，材料為45鋼。選用φ12 mm立銑刀加工。

圖3 零件圖

1）零件工藝分析。零件輪廓尺寸為88±0.03 mm，表面粗糙度Ra3.2，深度尺寸為3+0.060mm，表面粗糙度Ra3.2。輪廓尺寸、深度尺寸和表面粗糙度要求較高，加工時采用粗、精加工方式進行。粗加工時雙邊余量為1 mm，深度尺寸余量0.5 mm。工件坐標系零點選擇在毛坯中心，Z向零點為毛坯上表面。

2）零件加工程序。零件的加工程序及釋義如下：

N01 G17 G90 G54 T1 M03 S500；技術參數定義

N02 G00 Z20；抬刀到安全高度

N03 G41 X-44 Y-60 D1；左補償至起刀點

N04 G01 Z-3 F30；輪廓外下刀

N05 Y-12；開始做輪廓

N06 G03 X-44 Y12 CR=12

N07 G01 X-44 Y44 RND=6

N08 X-12

N09 G03 X12 Y44 CR=12

N10 G01 X44 Y44 RND=6

N11 Y12

N12 G03 X44 Y-12 CR=12

N13 G01 X44 Y-44 RND=6

N14 X12

N15 G03 X-12 Y-44 CR=12

N16 G01 X-44 Y-44 RND=6

N17 Y0；輪廓結束

N18 G00 Z20；抬刀

N19 G40 X0 Y0；取消刀補

N20 M30

3）刀具補償值設定。刀具補償值在圖2所示的設定界面里輸入，零件加工中所使用的具體補償值如表2所示。粗加工后實測零件深度尺寸為2.62 mm，輪廓尺寸為89.14 mm。

表1 零件加工刀具補償值mm

4 結論

在實際生產中，通過正確、合理地使用刀具補償功能，可以在不改變原有程序的基礎上，實現輪廓外余量的分次銑削、零件的粗、精加工以及尺寸精度的控制，極大地簡化了程序編制過程，降低了操作人員的勞動強度，提高了零件的生產效率，具有非常重要的實際意義。

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［2］ 西門子股份公司.SINUMERIK 802D數控銑床操作編程手冊［M］.北京:西門子（中國）有限公司，2002.

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［5］ 苗志毅，唐志祥，馮金廣.數控銑床和加工中心刀具補償功能的應用［J］.機械研究與應用，2008（8）：36-40.