《数控加工实训教程》课件第3章

单元3数控编程基础3.1数控编程概述3.2数控编程的坐标系统3.3数控编程的内容及步骤3.4程序结构及代码3.5数控编程常用指令及其格式3.6能力训练3.1数控编程概述

在普通机床上加工零件时，通常由工艺人员按照零件图事先制定好加工工艺规程。工艺规程包含了零件的加工工序、切削用量、机床规格及刀具、夹具等内容。机床操作人员按工艺规程规定的步骤及方法操作机床，加工出图纸给定的零件。在该过程中，零件的加工过程，如开车、停车、改变主轴转速、改变进给速度和方向、冷却液的打开关闭等，都由工人手动操作完成。

在数控机床上加工零件时，先把加工零件的工艺过程、工艺参数以及运动要求用数控语言记录在数控装置中；数控装置根据程序指令直接控制机床的运动；当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。所谓数控编程，就是指把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、移动量、切削参数(主轴转速、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、主轴反转、冷却液的开关)等，按照数控系统规定的指令代码及程序格式编写成数控加工程序的过程。图3-1所示为数控编程的工作框图，从框图可以看出，在数控机床上加工零件所涉及的知识范围比较广，因此，一个合格的编程员首先应该是一个熟练的工艺员，他们必须十分了解零件的工艺设计、切削用量的选择，以及正确地选用刀具和夹具等，同时还必须了解数控机床的性能和使用方法。

图3-1数控编程工作框图

3.2数控编程的坐标系统

3.2.1机床坐标轴为了编程时确切地描述机床的运动轨迹，简化程序的编制方法，保证记录数据的通用性，我国机械部于1982年颁布了JB3051－82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》标准，对数控机床的坐标轴和方向命名制定了统一的标准，规定直线进给坐标轴用X、Y、Z表示，称为基本坐标轴。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手螺旋定则决定，如图3-2(a)所示。图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，称为附加坐标轴。根据右手螺旋定则，如图3-2(b)所示，以大拇指分别指向+X、+Y、+Z方向，则其余四指环绕的方向就是圆周进给运动的+A、+B、+C方向。

图3-2机床坐标轴

数控机床的进给运动有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。上述坐标轴正方向是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动的方向。如果是工件移动则用加“＇”的字母表示，按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，同样，两者运动的负方向也彼此相反。机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成部分的布局，对铣床而言，Z轴与主轴轴线重合，刀具远离工件的方向为正方向(+Z)，X轴垂直于Z轴并平行于工件的装夹面，如果为单立柱，面对刀具向立柱方向看，其向右运动的方向为X轴的正方向(+X)，Y轴与X轴和Z轴一起构成遵循右手定则的坐标系统。

3.2.2机床坐标系、机床零点和机床参考点在数控机床上加工零件，机床的运动是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向和移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系称为机床坐标系，也叫标准坐标系。

机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点，是由机床制造商设置在机床上的一个物理位置，机床出厂后，这个原点便被确定下来，它是固定的点。数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点(测量起点)，机床启动时，通常要进行机动或手动而使机床回到参考点以建立机床坐标系。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，可通过参数指定机床参考点到机床零点的距离。

图3-3机床坐标系的建立3.2.3工件坐标系、程序原点和对刀点工件坐标系是编程人员在编程时设定的坐标系，也称为编程坐标系。通常编程人员选择工件上的某一已知点为原点，建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。该坐标系的原点称为程序原点或编程原点。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。工件坐标系的原点选择要尽量满足编程简单，尺寸换算少，引起的加工误差小等条件。一般情况下，以坐标式尺寸标注的零件，程序原点应选在便于尺寸标注的地方；对称零件或以同心圆为主的零件，程序原点应选在对称中心线或圆心上；程序原点在Z方向的位置通常选在工件的上表面。

对刀点是零件程序加工的起始点，对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置，对刀点可与程序原点重合，也可在任何便于对刀之处，但该点与程序原点之间必须有确定的坐标联系。工件坐标系的建立虽然与工件有关，但其位置仍然是用机床坐标系描述的，也就是说，工件坐标系的原点位置是以机床坐标系作为参考的，如图3-4所示。

图3-4工件坐标系的原点设定

3.3数控编程的内容及步骤

3.3.1数控编程的内容对于手工编程而言，数控编程的主要内容有：零件图纸分析，工艺方案的制定，刀具轨迹的数学处理，编写零件加工程序，程序的录入或传输，程序校验及首件试切等。用CAD/CAM系统自动编程时，数控编程的主要内容有：零件图纸分析，工艺方案的制定，创建零件的加工造型，生成刀具轨迹，刀具轨迹编辑仿真，生成NC代码程序的传输，程序校验及首件试切。

3.3.2数控编程的步骤

图3-5手工编程步骤

图3-6自动编程步骤

3.4程序结构及代码

1．程序的结构一个完整的程序由程序号、程序内容和程序结束语句三部分组成。程序结构示例如下：

1)程序号程序号即程序的代号。为了区别存储器中的程序，每个程序都要有程序编号，在编号前有一个程序编号地址码，不同的系统有所区别，如FANUC系统一般采用英文字母“O”作为程序编号地址，华中世纪星系统采用“%”作为程序编号地址，SIEMENS系统对于程序编号地址没有特殊要求，只是将之与程序名加以区分即可，但程序名前两位必须是英文字母。另外，其他一些系统有的也用“P”、“L”等形式。

2)程序内容程序内容部分是整个程序的主要部分，它由多个程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，描述了数控机床要完成的全部动作。

3)程序结束符程序中一般用程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号。

2．程序段的格式

程序段的格式是指一个程序段中的字、字符和数据的书写规则。目前常用的是字地址可变程序段格式。它由程序段号、功能字、坐标字和程序段结束符组成，每个字的字首是一个英文字母，称为字地址码。一般字地址可变程序段格式如图3-7所示。

图3-7程序段格式

因字地址可变程序段格式简短、直观，所以不易出错，同时它还具有数据位数可多可少、不需要的字或与上一程序段相同的字可以省略等特点，因此得到广泛的应用。

1)程序段号程序段号是表示程序段的顺序号，通常由地址符N和数字组成，如N100、N150等。现代CNC系统程序段号可有可无，它不影响程序执行的先后次序，只是为阅读程序和编辑修改程序提供方便。

2)准备功能字(简称G代码)准备功能字由表示准备功能的地址符G和数字组成，如G01、G02等。

3)坐标字坐标字由坐标地址符X、Y、Z等和带正负号的数字组成，如X20.0、Y－30.0等，其中数字表示目标点的坐标值(或坐标增量)，+号可不写。在同一程序段，各坐标地址符的排列顺序如下：

X(U)、Y(V)、Z(W)、I、J、K...

4)进给功能字进给功能字表示刀具进给时的运动速度，由进给地址符F和数字组成，如F100，其中数字表示进给速度。

5)主轴转速功能字主轴转速功能字表示主轴旋转的速度，由主轴地址符和数字组成，如S1000。

6)刀具功能字刀具功能字由刀具地址符T和数字组成，数字表示刀具号，如T01。

7)辅助功能字辅助功能字由辅助功能地址符M和数字组成，如M03、M07等。

8)程序段结束符程序段结束符是程序段结尾处的符号，表示程序段的结束。它会因系统而异。

3．程序代码程序代码因数控系统的不同而存在一定的差异，下面仅就比较通用的代码作一介绍，实际编程时应参照所使用的数控系统编程说明书编程。

1)准备功能G代码准备功能指令由地址符G及其后一位或二位数字组成，它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系坐标平面选择、刀具补偿坐标偏置等多种加工操作。

G功能有非模态G功能和模态G功能之分。

(1)非模态G功能：只在所规定的程序段中有效，程序段结束时被注销。

(2)模态G功能：一组可相互注销的G功能，这些功能一旦被执行则一直有效，直到被同一组的G功能注销为止。模态G功能组中包含一个缺省G功能。表3-1所示为G代码功能，其中代码前加注“※”符号的即为缺省G功能，系统通电时将被初始化为该功能。

表3-1准备功能G代码

没有共同参数的不同组G代码可以放在同一程序段中，而且执行先后与指令排列顺序无关。例如

G90G17G01X30Y50Z10F100其中，G90G17与G01放在同一程序段。

2)辅助功能M代码辅助功能由地址字M和其后的一位或两位数字组成，主要用于控制零件程序的走向以及机床各种辅助功能的开关动作。

M功能有非模态M功能和模态M功能两种形式。

(1)非模态M功能(当段有效代码)：只在书写了该代码的程序段中有效。

(2)模态M功能(续效代码)：一组可相互注销的M功能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。模态M功能组中包含一个缺省功能，系统上电时将被初始化为该功能。

另外，M功能还可分为前作用M功能和后作用M功能两类。(1)前作用M功能：在程序段编制的坐标轴运动之前执行。(2)后作用M功能：在程序段编制的坐标轴运动之后执行。

表3-2辅助功能M代码

3.5数控编程常用指令及其格式

3.5.1准备功能指令

1．绝对/增量尺寸编程指令G90/G91绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于工件坐标系原点给出，如图3-8示。增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置坐标尺寸值的差值，如图3-9示。

图3-8绝对尺寸

图3-9增量尺寸

1)指令格式G90；指定尺寸值为绝对尺寸G91；指定尺寸值为增量尺寸这种表达方式的特点是同一条程序段中只能用一种方式，不能将绝对尺寸与增量尺寸混用。

2)编程举例绝对值方式：G90G01X30Y37F100增量方式：G91G01X20Y25F100

2．坐标平面选择指令G17/G18/G19坐标平面选择指令是用来选择圆弧插补的平面和刀具补偿平面的。

G17表示选择XY平面，G18表示选择ZX平面，G19表示选择YZ平面。各坐标平面如图3-10所示。一般情况，数控车床默认在ZX平面内加工，数控铣床默认在XY平面内加工。

图3-10坐标平面选择

3．坐标快速定位指令G00快速点定位指令G00可控制刀具以点位控制的方式快速移动到目标位置，其移动速度由机床参数来设定。指令执行开始后，刀具沿着各个坐标方向同时按参数设定的速度移动，最后减速到达终点，如图3-11(a)所示。注意：在各坐标方向上有可能不是同时到达终点。刀具移动轨迹是几条线段的组合，不是一条直线。例如，在FANUC系统中，运动总是先沿45°角的直线移动，最后再沿某一轴单向移动至目标点位置，如图3-11(b)所示。编程人员应了解所使用的数控系统的刀具移动轨迹情况，以避免加工中可能出现的碰撞。

图3-11快速点定位(a)直线到终点；(b)折线到终点

1)指令格式G00X_Y_Z_其中，X、Y、Z的值是快速点定位的终点坐标值。2)编程举例从A点到B点快速移动的程序段为G90G00X20Y30

4．直线插补指令G01直线插补指令G01的功能是控制刀具在两坐标或三坐标之间以插补联动方式按指定的进给速度F作任意斜率的直线运动。G01指令是模态(续效)指令。

1)指令格式

G01X_Y_Z_F_其中，X、Y、Z的值是直线终点坐标值，F为进给速度。

2)编程举例如图3-12所示，要求车削加工AB段锥面。

图3-12直线插补示例

绝对方式编程：A→B

G90G01X45.0Z-20.0F100增量方式编程：A→B

G91G01X20.0Z-20.0F1005．圆弧插补指令G02/G031)指令格式

其中，X、Y、Z的值是圆弧终点坐标值或圆弧终点相对于圆弧起点的坐标值；I、J、K为圆心相对于圆弧起点的增量坐标值(与G90、G91无关)；R为圆弧半径，当圆弧的圆心角小于等于180°时，R值为正，当圆弧的圆心角大于180°时，R值为负；F为进给速度。

2)编程举例如图3-13所示，在XY平面内加工圆弧轮廓。

G02X321.65Y280I40J140F50或G02X321.65Y280R-145.6F50说明：(1)用半径R指定圆心位置时，不能描述整圆，即如果圆弧是一个封闭整圆，只能使用I、J、K分矢量编程。

(2)圆弧插补顺逆的判定如图3-14所示。

图3-13圆弧插补示例

图

3-14圆弧插补顺逆判定

6．刀具长度补偿指令G43、G44、G49

G43为刀具长度正向补偿，即将Z坐标尺寸字与H代码中长度补偿的量相加，按其结果进行Z轴运动。G44为刀具长度负向补偿，即将Z坐标尺寸字与H中长度补偿的量相减，按其结果进行Z轴运动。G49为取消刀具长度补偿。这是一组模态指令，缺省为G49。

1)指令格式

G00/G01G43/G44X_Y_Z_H_；建立补偿程序段 ；切削加工程序段

G49G00X_Y_Z_ ；补偿撤消程序段

…2)编程举例图3-15中左图所对应的程序段为

图3-15刀具长度补偿

图3-15中右图所对应的程序段为

G01G44ZSH_其中，S为Z向程序指令终点坐标值；H为刀具长度补偿代号地址字，后面一般用两位数字表示代号，代号所对应寄存器存放长度补偿量，调用时代号与长度补偿量一一对应。说明：刀具长度补偿程序段中Z坐标值不能为0。

1)指令格式

2)编程举例

G90G17G42G01X10Y20D01F200X70F80G03X70Y60R20G01X20Y10G40G00X0Y0……

图3-16刀具半径补偿编程

8．程序原点选择指令G54～G59

G54～G59指令是在已存储程序原点偏置量的六个工件坐标系中选择一个，以后的各轴坐标位置都是相对于所选择的工件坐标系，程序原点偏置量通过对刀获得，是相对于机床坐标系的坐标值。这是一组模态指令，没有缺省方式。

9.暂停指令G04

G04指令可使程序执行到出现该指令的程序段时暂停。如盲孔加工时，为使孔底圆整光滑，可采用该指令。指令格式：

G04P_其中，P_为暂停时间指定字，单位为s(秒)。

10.设定工件坐标系指令G92 G92指令可通过刀具当前位置与工件原点位置的偏差，设置当前刀具位置坐标，从而建立工件坐标系。 指令格式：

G92X_Y_Z_说明：(1)X、Y、Z为设定的刀具当前所在点到工件坐标系原点的有向距离。

(2)执行该指令时机床不产生任何运动。

3.5.2辅助功能指令

1．程序停止——M00当系统执行到M00指令时，暂停执行当前程序，以便于操作者进行刀具和工件的尺寸测量、工件掉头、手动变速等操作。暂停时，机床的主轴、进给及冷却液都停止，而全部现存的模态信息保持不变。要继续执行后续程序，只需再次按下循环启动键即可。M00为非模态指令。

2．计划程序停止——M01

M01指令作用与M00相似，不同的是必须在操作面板上预先按下“任选停止”按钮，当执行完M01指令后程序停止。如不按下“任选停止”按钮，则M01指令无效。

3．程序结束——M02/M30

M02表示程序结束，完成加工，但并不返回到程序头，此时机床的主轴、进给、冷却液全部停止，加工结束。欲重新加工，就得再次调用原程序。

M30表示程序结束并返回到程序头，要重新加工，只需按下“循环启动”按钮