数控编程基础知识

第6章数控编程的基础知识§6-1数控程序的基础一、数控加工程序所谓数控加工程序，就是一个零件在NC机床上的加工顺序、刀具移动的轨迹以及加工工艺参数和辅助功能等信息，用字母代码和数字以一定的格式编写出来。某零件FANUC系统程序%;O100;N001G50X150.Z200.;N002M04S600;N003G00X76.Z46.;N004G01X74.9F0.2;N005Z38.58;N006G02X90.844Z12.263R23.15;N007X118.44Z12.263R43.399;N008G01X119.34;N009G00X150.Z200.;N010M05;N011M30;% 二、加工程序的结构和程序段格式1.程序段的结构一个完整的程序是由若干程序段组成的。程序段是一个完整的机床控制信息，表示机床的一种操作。2.程序段的格式程序段格式是指程序段中字母、数字和符号的规定排列形式。目前国内外广泛采用字地址程序段格式。字地址格式：特点：每个程序段都由若干个字组成。每个字都由英文字母和随后的数字组成，它代表数控系统的一个具体指令。字地址格式又称为可变程序段格式。除地址格式外还有固定程序段格式，但较为少见。3.字地址的分类按功能分类：（1）加工顺序字：N（2）准备功能字：G（3）坐标位置字：XYZ（4）工艺参数字：F、S、T（5）辅助功能字：M按作用范围分类：（1）续效字：指令在被同组的其它指令取代或被注销以前，共功能一直有效，也称为模态指令。如F、S、G01等。（2）非续效字：仅在出现的程序段中起作用，也称为非模态指令。如G04、M00。

+Y

+B+C+X+Z+A三、NC加工中的坐标系１．坐标轴与运动方向标准坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系。它规定直角坐标X、Y、Z三者关系及其正方向用右手定则判定，绕X、Y、Z轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用右手螺旋法则判定。通常有如下的规定:Z轴:与机床主轴平行或重合。Z轴正方向为远离工件的方向。X轴:主要进给方向。X轴正方向为远离工件的方向。Y轴：由右手法则判定。数控车床数控铣床2.坐标数与多坐标加工坐标数是指数控机床有几个方向采用了数字控制。如一台数控车床，其X和Z方向采用了数字控制，则它是一台两坐标数控车床。如图其X、Y、Z三个方向都采用了数字控制，则它是一台三坐标数控铣床。多坐标加工是指数控系统能同时控制几个坐标联动。四、程序编制的指令代码不论何种数控机床的加工，都是将代表着各种不同功能的指令代码输入至数控装置，经过转换与处理来控制机床的各种操作。因此，编程人员必须熟悉有关指令代码的基本知识。下面介绍的指令是常用的重要的指令，掌握这些指令代码的使用是程序编制的前提。在数控机床上加工零件是自动实现的，它是由程序中的两类功能指令来实现的。这就是：１．准备功能G指令２．辅助功能M指令1.准备功能指令—G指令（1）与刀具运动有关的G代码

G00—快速定位指令格式：G00X__Y__Z__执行这段程序，命令刀具快速移到该位置。速度的大小由系统预先设定。

G01—直线插补指令格式：G01X__Y__Z__F__执行这段程序，命令刀具以指定的进给速度值进行直线插补运动。

G02、G03—圆弧插补指令G02：顺时针方向G03：逆时针方向格式Ⅰ:G02（G03）X__Y__Z__I__J__K__F__格式Ⅱ：G02（G03）X__Y__Z__R__F__说明：I、J、K分别为圆弧的起点到圆心的矢量在X、Y、Z轴上的投影。R为圆弧半径：圆心角≤180°，R值为正号；180°<圆心角<360°，R值为负号。使用圆弧插补指令应注意：（1）G02、G03插补指令只能在坐标平面内进行。（2）顺、逆方向规定：沿与圆弧所在平面相垂直坐标轴的负方向看去，刀具相对于工件的转动方向是顺时针方向为G02，否则为G03。车床加工铣床加工G04—暂停指令命令刀具暂停进给。格式：G04X__或G04F__（不同系统选用不同的字地址）G04X4—刀具停止送进，暂停4秒后继续；G04P4—刀具停止送进，暂停0.004秒后继续；（2）与坐标字有关的G代码G90—绝对尺寸指令（系统缺省时默认为绝对尺寸状态）所有点的坐标均以原点为基准计量的坐标系称为绝对坐标系。绝对坐标值是相对编程零点的坐标值。G90表示程序段的坐标字按绝对坐标编程G91—增量尺寸指令运动轨迹终点坐标以其起点为基准计量的坐标系称为增量坐标系（亦称相对坐标系）。增量坐标值是刀具运动的终点相对于起始点的坐标值增量。G91表示程序段的坐标字是按增量坐标编程。坐标平面指令G17—指定X-Y平面（系统缺省时默认为X-Y平面）G18—指定Z-X平面G19—指定Y-Z平面该指令是在作直线与圆弧插补及刀具补偿时指定的。公英制选择指令（缺省时默认为公制）G21—公制G20—英制对一些系统，10与10.代表不同的含义。10.=10mm10=10个脉冲当量=0.1mm（若脉冲当量为0.01mm/脉冲）

因此，有时须注意采用小数点编程。编程举例——直线插补绝对坐标编程N002G90G00X10Y25N003G01X50Y30F150增量坐标编程N002G91G00X10Y25N003G01X40Y5F150G01G00XY0AB10502530——圆弧插补绝对坐标编程：G90G02X58Y50I18J8F150;增量坐标编程：G91G02X26Y18I18J8F150;绝对坐标编程：G90G02(G03)X45Y24I-17J0F300;增量坐标编程：G91G02(G03)X0Y0I-17J0F300;２．辅助功能指令代码—M代码M00—程序暂停以便手动换刀，测量等工作，重新按下“启动按钮”，程序继续执行。M01—计划中停与M00相似,但需要接通“任选开关”，此命令才有效。M02—程序结束放在最后一个程序段中，以表示加工结束，并使数控系统处于复位状态。M30—程序结束与M02功能相似，但返回程序的开始状态。M03、M04、M05—分别为主轴正转、反转、停转所谓主轴正转：即沿正Z方向看去，主轴顺时针方向旋转。所谓主轴反转：即沿正Z方向看去，主轴逆时针方向旋转。M07、M08、M09—分别命令冷却液雾开、液状开、冷却液关。M06—换刀指令3.工艺参数字F－进给功能字FANUC系统的F表示为：F200（进给量为200mm/min）S－主轴转速功能字无级变速的数控机床，可将要求的转速值直接编入程序中。如S95表示主轴转速为95r/min。对于带有变速齿轮主传动的数控机床，应参照说明书使用。T－刀具功能字用来选择刀具和刀补值。§6-2机床坐标系与工件坐标系一、机床零点与机床坐标系机床零点或称机床原点是制造厂商设置在机床上的一个物理位置，是机床运动坐标计数的起始点。机床坐标系建立在机床原点之上，是机床上固有的坐标系。机床参考点是制造厂商在机床上设置的一个物理位置。“参考点”与“机床原点”可以重合，也可以不重合。通常在这个位置进行换刀。二、工件零点与工件坐标系工件坐标系（或叫编程坐标系）是编程人员在编程时建立的一个新坐标系。在这个坐标系内编程可以简化坐标计算，便于数学处理。编程原点的选择原则：尽量与设计基准重合，而且便于测量其在机床坐标系上的坐标值。在数控机床的程序编制中，为了方便编程，一律假定工件不动，全部用刀具运动的坐标编制程序，即用X、Y、Z、A、B、C在图纸上编程。编程坐标系，也称为加工坐标系。它与前面介绍的机床坐标系（即笛卡尔确定的坐标系）其方向是一致的。三、工件坐标系设定指令（用以确定工件零点的位置）G92—确定刀具当前点在工件坐标系下的坐标值。格式：G92X__Y__Z__例1：N001G92X30Y30Z25；例2：N001G92X300Z400；G54～G59—零偏指令含义：用以确定工件零点与机床原点之间的距离。零偏指令需通过操作面板或纸带输入。例1.已知程序开始时，刀具处于机床原点“O”（如图），要求对FANUC—6M系统编程：(O为机床原点A为编程零点)ZYXA10英寸5英寸Ｏ①写出程序段表示，先以A点为参考点建立加工坐标系，然后快移至A点。②写出程序段表示，先快移至A点，再以A点为参考点建立加工坐标系。③若使用固定偏置01，其中存数X、Y、Z应何值。第一种方法：用G92编程：NxxG20G90；（建立英制，绝对坐标）NxxG92X10Y5Z0；NxxG00X0Y0Z0；第二种方法：NxxG20G90；NxxG00X-10Y-5Z0；NxxG92X0Y0Z0；第三种方法：用G54编程：NxxG20G90；NxxG54G00X0Y0Z0；这时固定偏置01内存值为：x=-10，Y=-5，Z=0。§6-3刀具半径补偿与长度补偿刀具补偿是使数控系统的控制对象由指令点变换到刀尖或刀刃边缘。为方便编程和不改变已制备好的程序，只需将刀具尺寸值或变化值输入数控系统，系统就可自动地对刀具尺寸变化进行补偿，自动生成指令点的运动轨迹。刀具补偿可分为半径补偿和长度补偿。不同刀具补偿示意图一、刀具半径补偿加工内轮廓加工外轮廓刀具半径补偿1.与刀具补偿有关的G指令刀具半径补偿指令—G41、G42、G40刀具左偏G41—刀具左偏指令沿着刀具运动方向看去，刀具中心向零件轮廓的左侧偏移。G42—刀具右偏指令沿着刀具运动方向看去，刀具中心向零件轮廓的右侧偏移。G40—刀具半径补偿注销指令（使G41或G42无效）刀具右偏刀具半径补偿的执行过程可分为建立刀补、执行刀补和撤销刀补三个步骤。（1）建立刀补G00（G01）G41（G42）D--X--Y--（F--）；刀补启动程序段不能用G02或G03，也不能用在非运动功能程序段中。其中“D--”表示刀具半径补偿值存贮地址，一般为00～99。

当启动后是圆弧插补时，则用坐标点处圆弧的切线来确定刀位点的位置。要正确设计启刀路线，避免干涉。刀补启动时刀具运动轨迹示意图

（2）执行刀补刀具中心按照要求偏离编程轨迹一个刀具半径，即沿编程轨迹的等距线做切削运动。在编程中注意不要使用非插补运动功能程序段。若某一程序段中无轨迹运动功能，有些数控系统就会引起运行错误。（3）撤销刀补G00（G01）G40X--Y--（F--）；设计退刀轨迹时，也要避免干涉。

撤销刀补时刀具中心轨迹示意图

2.刀具半径补偿功能的应用（1）当刀具半径改变时，可通过修改补偿值来避免修改程序。（2）用同一程序，同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。3.拐角处理拐角可以分为直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧四种形式。当指定G62时，在拐角处自动执行进给倍率功能。根据交点处工件两侧轮廓线段的夹角α可分为下列三种类型：（1）缩短型当360°＞α＞180°时，刀具中心轨迹比编程轨迹短，并且在尖角处有切不到的地方。（2）伸长型当180°＞α＞90°时，刀具中心轨迹比编程轨迹长。（3）插入型当90°＞α＞0°时，刀具中心轨迹不但比编程轨迹长，而且又附加了一段直线。二、刀具长度补偿当刀具的实际长度尺寸与编程设定长度尺寸不一致时，刀具沿轴向的位移量就应增加或减少一定量。刀具长度补偿指令—G43、G44、G49G43—轴向正补偿指令刀具在+Z方向进行补偿，即输入的补偿量与程序的给定值相加。G44—轴向负补偿指令刀具在-Z方向进行补偿，即输入的补偿量与程序的给定值相减。G49—刀具长度补偿注销指令

（使G43或G44无效）刀具长度补偿执行过程也分为建立刀补、执行刀补和撤销刀补三个步骤。（1）建立长度补偿G00（G01）G43（G44）H--Z--（F--）；（2）执行长度补偿Z坐标值即为刀位点坐标值。（3）撤销长度补偿G00（G01）G49Z--（F--）；例2.已知机床为FANUC6M系统，加工位置如图。加工步骤如下：（1）机床主轴端面在A点，主轴内没有刀具；（2）由A上升到B换刀（刀号11，刀具长200，寄存器H11）；（3）刀尖快速下降到A点。（4）主轴启动，正转，转速300转/min；（5）刀尖快速下降至R平面。（6）钻孔到孔深（送进量120mm/min），孔底暂停2秒；（7）刀尖快退到A点，主轴停转。（8）主轴端面上升到B点，换刀取下刀具；（9）主轴端面返回到A点，停机。试编写NC程序。N10G92X0Y0Z0;N15G90G00Z250T11M06;N20G43Z0H11;N25M03S300;N30Z-97;N35G01Z-153F120;N40G04X2;N45G00Z0M05;N50G49Z250T00M06;N55Z0;N60M02;N10G92X0Y0Z0;N15G91G00Z250T11M06;N20G43Z-250H11;N25M03S300;N30Z-97;N35G01Z-56F120;N40G04X2.0;N45G00Z153M05;N50G49Z250T00M06;N55Z-250;N60M02;§6-4固定循环和子程序在数控加工中，有些操作的工艺顺序是不变的，变化的只是一些加工参数。将这些操作编写成固定循环和子程序的形式，能简化编程工作，缩短程序，节省存储器，又能提高编程质量。一、孔加工固定循环1.孔加工一般包括下列五个动作：（1）X轴和Y轴的定位（G00）；（2）快速移动到R点（G00）；（3）孔加工（G01）；（4）孔底动作（G04）；（5）返回到R点或初始点（G00或G01到R）。2.命令格式说明G90（G91）G98（G99）GxxX--Y--Z--R--Q--P--F--K--；其中X--Y--为孔位数据；在绝对坐标编程（G90）情况下，Z--R--为Z点与R点的绝对坐标值在相对坐标编程（G91）情况下，Z--R--为Z点对R点的相对坐标值、R点对初始点的相对坐标值Q--间歇进给时每次加工深度（增量值）。K--孔加工重复次数。G98为循环中动作5快速回到初始点G99为循环中动作5快速回R点P--孔底停止进给时间，单位为0.001秒。F--切削进给（动作3）速度。G98回到初始点G99回到R点孔的固定循环加工指令很多，如Ｇ81～G89等，使用G80或G指令（G00，G01……）可以取消固定循环。当在固定循环中指定刀具长度补偿（G43，G44或G49）时，在定位到R点的同时加偏置。固定循环举例：%O003N01G92X0Y0Z30.0;N02S300M03;N03G91G00X10.0Y10.0;N04G99G81Z-18.0R-27.0F60;N05X40.0;N06X-40.0Y20.0;N07X20.0K2N08G00X-50Y-30Z27.0M05;N09M30;二、子程序及其应用1.子程序的概念若一组程序段在一个程序段中出现多次；或在几个程序中都要使用它，为了缩短程序，可以把这段程序段抽出来，按一定的格式写成一个新的程序单独存储，以供另外的程序调用。这个供另外的程序调用的程序，就是子程序。2.子程序的构成与调用调用指令格式：M98P--L--；P--子程序号，L--调用次数，缺省为1；子程序要以M99结尾，回调用处。子程序可以嵌套，可以嵌套的级数由系统决定。子程序结构示意图

固定循环及子程序功能综合举例：%O0004N1G92G90X-175.0Y120.0Z300.0;N5G00X0.0Y50.0S1000M03;N10G43Z128.0H01M08;N15G81Z98.0R126.0F225;N20P0005M98;N25G80;...§6-5编程中的工艺处理一、NC程序编制的内容和阶段1.什么是NC加工程序编制简单地说，从分析零件图纸到获得NC机床所需的控制介质的全过程，叫做程序编制。具体地说，就是对零件进行工艺分析，制订零件机械加工工艺规程，编制零件NC加工程序单，再将程序单上的全部内容记录在控制介质上，然后输送给NC装置，从而指挥机床进行加工。2.程序编制的内容和阶段概括起来，程序编制应包括以下几方面内容。工艺处理阶段：a.分析被加工零件图b.零件NC加工工艺过程设计c.NC加工工序设计数学处理阶段：d.计算CNC装置所需的输入数据程序制定阶段：e.编写零件加工程序单f.制备控制介质g.校对、检查控制介质h.首件试加工二、数控工艺特点1.工艺详细数控机床加工工艺制订的步骤和内容与普通机床加工工艺大致相同，但工艺内容十分具体、完整。2.工序集中在零件一次装夹中完成多种加工方法和由粗到精的过程，甚至可加工几个相同或相似的工件。3.加工方法的特点用多坐标联动自动控制刀具运动轨迹，其加工质量与生产效率是传统方法无法相比的。三、工序划分与机床选用1.工序集中的原则根据零件加工表面形状与所用数控机床的功能，在一次装夹中尽可能集中完成多种加工内容，以减少工序。对于大型零件更应尽可能在一次装夹中完成全部或主要表面的加工，以减少工序间的储存与运输。2.零件数控加工与普通加工工序的划分下列情况应考虑插入普通机床加工工序：（1）铸、锻件毛坯的预加工。（2）粗定位基准的预加工。（3）数控加工难以完成的个别或次要部位。（4）大型、复杂零件中的简单表面。3.数控加工的工序划分下列情况可考虑将数控加工划分为几个工序：（1）现有数控机床的功能不能满足一个零件的全部加工要求。（2）当粗加工会影响零件加工精度时，必须将粗、精加工分开。（3）如加工程序过长，应按刀具或加工表面划分工序。4.机床的选用根据零件的表面加工方法、精度与粗糙度、工件形状与尺寸、需要机床的坐标轴数等要求，并考虑现有数控机床条件与负荷、加工成本等因素正确选用机床。5.曲面加工与坐标轴数的选用（1）两坐标联动的三坐标行切法加工

曲面行切法2.5坐标（二轴半）加工（2）三坐标联动加工（三轴加工）三坐标（三轴）加工（3）四坐标加工四坐标加工（4）五坐标加工五坐标加工四、工序设计数控加工的工序设计是指一个工件在一次装夹中连续自动加工直至加工结束那部分的工艺内容。它包括工件的装夹方法与夹具选用、刀具选择与工步划分、工件原点选择及走刀路线的确定、切削用量选择等内容。1.工件的装夹与夹具（1）工件在夹具上的定位基准应与零件的设计基准或工序基准一致。（2）夹具结构应具有足够的刚性，避免振动与夹压变形，还应能方便排屑。（3）确保刀具的运动空间，避免刀具组件与夹具碰撞。（4）尽可能采用组合夹具与可调夹具，以满足准备周期短、成本低的要求。（5）对批量较大的中、小零件，也可在夹具上装夹几个相同的工件或相似的工件加工。2.刀具的选用在数控加工过程中，通常采用大的切削用量，对刀具要求主要有以下几方面：（1）足够的强度与刚度；（2）高的刀具耐用度；（3）高的可靠性；（4）较高的精度；（5）可靠的断屑。刀位点P（或称指令点）由刀具结构和对刀方法决定，是径向基准和轴向基准的相交点，加工过程中指令的坐标值就是指刀位点的坐标值。各种刀具刀位点示意图3.确定程序零点、对刀点和换刀点（1）程序零点程序零点即是工件坐标系的原点，由它确定工作坐标在机床坐标系中的位置。程序中所给出的坐标值是指刀位点在工件坐标系中的数值。程序零点尽量与设计基准重合，便于数值计算。（2）对刀点对刀的目的是确定程序零点在机床坐标系上的位置。对刀时，让刀位点与对刀点重合。对刀点可以选在零件上，也可以选择在夹具上