動態半徑補償及其應用研究

劉振超，葉 燕

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

0 前言

在數控銑削手工編程中，如果使用刀補功能進行自動的計算處理，就可以直接按加工工件的輪廓尺寸編程，從而使計算及編程均大大簡化。刀具半徑動態補償功能，是在用戶宏程序中，將半徑值設為一個變量值，數控系統通過指令將不斷變化的半徑補償值輸入CNC儲存器中，使用這種半徑變量的方式可實現一般程序編制不出的輪廓和曲面的加工程序，如非圓曲線輪廓、三維斜面、圓弧面、倒角倒圓等，從而使編程變得簡單，具有非常現實的應用價值[1]。

1 刀具半徑補償的方法

刀具半徑補償功能的作用體現的兩個方面：一是在編程時直接按圖樣尺寸編程，可不必考慮刀具的半徑，只要在實際加工時輸入刀具的半徑補償值即可；二是刀具磨損引起的刀具半徑變化值，可以用刀具半徑補償值來修正。

在手工編程加工中半徑補償值輸入CNC儲存器的方法有兩種。第一種方法，用手動的方法將刀具半徑值直接輸入CNC儲存器內，刀具半徑補償值是保持不變的，稱為定刀具半徑補償。第二種方法，在程序中用指令將對應的半徑補償值輸入到CNC儲存器，刀具半徑補償值在加工過程中是按一定規律改變的，稱為動態刀具半徑補償。動態刀具半徑補償需要與變量編程結合才能發揮作用。所謂變量編程，即允許程序中使用變量和給變量賦值，并能進行算術運算、邏輯運算和條件轉移，是數控程序編制的高級形式。

2 不同數控系統的動態半徑補償指令格式及應用

2.1 F A N U C0i系統的動態半徑補償

（1）指令格式：G10 L12 P_R_ ；

說明：

其中G10L12表示修改半徑補償；P_表示刀具補償號；R_表示絕對值指令（G90）方式時的刀具補償值；或增量值指令（G91）方式時的刀具補償值為該值與指定的刀具補償號的值相加的和。

（2）舉例說明

程序段G10L12P1R#2中，1號刀補的值被修改為#2所存儲的數值。其中G10L12表示修改半徑補償，P1表示修改1號刀補值——即D01，R#2表示修改為變量2的數值，也可以跟常數，例如：G10L12P1R5，表示在D01中輸入補償量為5。

（3）編程舉例

N50#5=#1-0.5；

N60 G10 L12 P1 R#5；

可利用G10指令和系統變量按照某種規律改變刀具半徑補償值，在程序同一軌跡的控制下，可實現對具有一定規律的邊緣截面復雜曲面的加工，通用性強。如工件任意輪廓的倒圓、倒角加工，或圓孔/圓柱的邊緣倒圓、倒角加工等[2]。

2.2 華中系統的動態半徑補償

（1）指令格式

#101=…（#101為全局變量，在程序中直接定義半徑補償量。）

G41/G42 G01/G02 X_Y_D101（此處D101是取#101的值作為半徑補償量，D101不是刀補號）

在華中數控系統宏變量中規定，#100-#199為可編程動態化的刀具半徑變量。也稱為刀補號變量，用于改變刀補賦值。

該用法可在程序中通過對變量的賦值，從而實現半徑補償值的不斷變化，可以十分便利地實現粗、精加工的處理、殘料的加工、復雜輪廓的倒角、倒圓加工等[3]。

（2）編程舉例

N50#101=#3-[#6-#1]*TAN[#2]；

N60 G41 G01 X32Y-20 D101；（此時實際刀具半徑補償值為#101的賦值）

2.3 SI E M E N S系統的動態半徑補償

（1）指令格式：$TC_DP6[t，d]=Rn

說明：在西門子（SIEMENS）數控系統中，$TC_DP6是一個系統值，它的使用有著嚴格的規定，它的格式取決于需要的刀具補償器中。t為當前刀具編號；d為刀具補償號（刀沿），n為刀具半徑補償參數值。例如：$TC_DP6[1，1]=R5表示T1D1刀具半徑補償值為5號參數。

（2）編程舉例

N50 R5=R1-0.5；

N60$TC_DP6[2，1]=R5

表示2號刀的1號補償將被寫入5號參數的值。5號參數是變量，所以刀補值也是變量。

3 動態半徑補償編程實例

編程加工如圖1所示零件輪廓倒角，工件材料為YL12，毛坯為40 mm×40 mm×25 mm，且頂面、底面及四周側面已經加工好。在此僅為了便于說明動態刀具半徑補償功能的應用，因此只對倒角的粗加工編程進行詳細的說明。

圖1 輪廓倒角

3.1 （孔口）輪廓倒角的原理

如果將倒角的加工軌跡看成是由n個半徑隨著深度Z的不同而不同的輪廓線疊加，只要找出下刀深度Z及與之對應的圓的半徑之間的關系，就能用宏編程技術編制出孔口倒角的加工程序。隨著半徑補償值不同，刀具中心的軌跡也不同。以零件最大（或最小）半徑輪廓為基本尺寸編程，在不同的加工深度采用不同的刀具補償值，就能加工出倒角。

3.2 動態半徑補償的數學計算

通常使用立銑刀進行倒角的粗加工，加工方向為自上向下的方式逐層切削。為了方便編程和軌跡描述，刀位點選擇在刀心上，刀心與刀尖相差一個刀具半徑。在編制加工程序前，首先要建立幾個數學的關系，立銑刀刀尖與加工斜面的高度位置關系，加工深度的變化與運動軌跡的關系，這幾個關系相互影響，相互作用。如圖2所示。

圖2 用平底立銑刀粗銑倒角

以FANUC系統為例，參數設計及相應計算如下：

#1=h（深度變量），

#2=θ（倒角角度），

#3=R刀（刀具半徑），

#6=H（倒角高）

#4=#1（刀尖到上表面的距離），

#5=#3-[#6-#1]*TAN[#2]（刀具半徑補償值）。

3.3 不同的數控系統編程

根據零件圖，為了簡化圓弧函數方程，可設置程序原點在零件上表面的對稱中心上。粗加工，采取自下而上等高路徑切削。為便于區別比較，下面以表格的形式呈現FANUC系統與SIEMENS系統不同的編程方法。而華中編程與FANUC系統基本一致，在后面對其進行單獨的說明。

表1 粗銑倒角程序

注意程序段N130，不同的數控系統，其刀補值輸入到儲存器的指令格式并不相同。在華中系統中，只要將FANUC系統的N110-N140四個程序段替換為以下三個程序段即可。

#101=#3-[#6-#1]*TAN[#2]；

G1Z-#4 F100；

G41G1X-20D101 F100

4 動態半徑補償編程要注意的問題

動態刀具半徑補償功能的應用需要解決兩個問題：第一是動態半徑補償的變量表達問題，同時要與宏程序結合一起使用。不同的數控系統，其表達變量的方式不同，需要查看不同系統的表達規定，例如華中系統的變值刀補號只能是#101-#199號，用錯了系統會出現報警信息；第二是不同的數控系統如何將刀補參數輸入到儲存器的問題，例如西門子系統的$TC_DP6[t，d]=Rn，需要搞清楚其中每一個符合的含義，否則非常容易出錯。

5 結語

動態刀具補償功能的應用，可實現一般程序編制不出的輪廓和曲面的加工程序，在手工編程中它是解決一些復雜編程不可替代的用法，如輪廓的循環加工、規則曲面的加工等，同時也可實現粗、精加工余量控制。動態刀具補償值能隨著加工程序的進程而變化，不但簡化了程序的編制，而且減少了程序的出錯率，實現了機床連續加工，提高了生產效率，具有非常現實的應用價值。但動態刀具半徑補償功能的應用需要解決兩個問題：第一是通過三角函數計算動態半徑補償的變量，同時要與宏程序結合一起使用；第二是不同的數控系統，將刀補參數輸入到儲存器的指令格式并不相同，使用時一定要符合各系統規定的指令格式。