任务1.2 数控加工编程基础

【学习目标】

1.知识目标

·了解数控编程的步骤和方法。

·了解常用的G、M指令。

·理解进给功能F、主轴转速功能S、刀具功能T。

·理解模态与非模态指令。

·掌握机床原点、参考点和工件原点的作用。

·掌握数控加工程序的结构。

2.技能目标

·会确定数控机床坐标系。

·会设置数控车床、铣床的工件原点。

3.素养目标

·培养认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。

【知识学习】

1.数控编程的步骤及方法

（1）数控编程内容与步骤 现代数控机床都是按照事先编制好的零件数控加工程序自动地对工件进行加工的。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格零件，同时应能使数控机床的功能得到合理的利用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠且高效地工作。数控程序的编制流程如图1-11所示，主要包括如下几个步骤：

1）分析零件图样。要分析零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适合在数控机床上加工，或适合在哪类数控机床上加工。有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面。

2）确定工艺过程。确定零件的加工方法（如采用的工装夹具、装夹定位方法等）和加工路线（如对刀点、走刀路线），并确定加工用量等工艺参数（如切削进给速度、主轴转速、切削宽度和深度等）。

3）数值计算。要进行数学处理，计算运动轨迹的坐标，如：直线起点、终点计算；圆弧的圆心计算；非圆曲线用直线段或圆弧段逼近计算坐标值。根据零件图样和确定的加工路线，算出数控机床所需输入的数据，如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点坐标值，用直线或圆弧逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点和切点等的坐标值。

4）编写程序单。根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用量，结合数控系统的程序段格式编写零件加工程序单。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、工件安装及零点设定卡片等。

5）程序调试和检验。早年前，一般用笔作为刀具，坐标纸作为工件，空运转画图来调试。现在可通过模拟软件来模拟实际加工过程，或将程序送到机床数控装置后进行空运行，或通过首件加工等多种方式来检验所编制出的程序，发现错误则及时修正，一直到程序能正确执行为止。

（2）数控编程方法 数控编程可以手工完成，即手工编程（Manual Programming），也可以由计算机辅助完成，即计算机辅助数控编程（Computer Aided NC Programming）。

采用计算机辅助数控编程需要一套专用的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的APT语言和以CAD软件为基础的交互式CAD/CAM—NC编程集成系统。

1）手工编程。指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、工艺处理、确定加工路线和工艺参数、几何计算、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成，如图1-12所示。

对于点位加工和几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。但对于轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂的零件，特别是空间曲面复杂的零件，以及几何元素虽不复杂，但程序量很大的零件，计算及编写程序则相当烦琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。因此，为了缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效地解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工编程已不能满足要求，而必须采用自动编程方法。

2）自动编程。自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。编程人员只需借助数控编程系统提供的各种功能对加工零件的几何参数、工艺参数及加工过程进行较简单的描述后，即可由计算机自动完成程序编制的全部过程。目前，市场上较为著名的或流行的自动编程CAD/CAM软件有Mastercam、UG NX、Creo、Cimatron、CAXA等。

自动编程可以大大减轻编程人员的劳动强度，将编程效率提高几十倍甚至上百倍。同时解决了手工编程无法解决的复杂零件的编程难题。因此，除了少数情况下采用手工编程外，原则上都采用自动编程。但是手工编程是自动编程的基础，对于数控编程的初学者来说，仍应从学习手工编程入手。

不同的CAD/CAM系统其功能指令、用户界面各不相同，编程的具体过程也不尽相同。但从总体上来讲，编程的基本原理及步骤大体上是一致的。归纳起来可分为图1-13所示的几个基本步骤。

①几何造型。利用CAD模块的图形构造、编辑修改、曲面和实体特征造型等功能，通过人机交互方式建立被加工零件的三维几何模型，也可以通过三坐标测量机或扫描仪测量被加工零件形体表面，经计算机整理后送CAD造型系统进行三维曲面造型。三维几何模型建立后，以相应的图形数据文件进行存储，供后继的CAM模块调用。

②加工工艺分析。编程前，必须分析零件的加工部位，确定工件的定位基准与装夹位置，指定建立工件坐标系，选定刀具类型及其规格参数，输入切削加工工艺参数等。目前，该项工作仍主要通过人机交互方式由编程人员通过用户界面输入系统。

③刀具轨迹生成的计算。刀具轨迹生成是面向屏幕上的图形交互进行的，用户可根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标确定待加工的零件表面及限制边界；用光标或命令输入切削加工的对刀点交互选择切入、切出和走刀方式；软件系统将自动从图形文件中提取所需的零件几何信息，进行分析判断，计算节点数据，自动生成走刀路线，并将其转换为刀具位置数据，存入指定的刀位文件。

④刀具验证及刀具轨迹的编辑。刀位文件生成后，可以在计算机屏幕上进行加工过程仿真，以检查验证走刀路线是否正确合理，有无碰撞干涉或过切等现象，并据此对已生成的刀具轨迹进行编辑、修改、优化处理。

⑤后置处理。后置处理的目的是形成数控加工程序文件。由于各机床使用的数控系统不同，能够识别的程序代码及格式也不尽相同，所以需要通过后置处理将刀位文件转换成某具体数控机床可用的数控加工程序。

⑥数控程序的输出。通过后置处理生成的数控加工程序可使用打印机打印出数控加工程序单作为硬拷贝保存，直接供具有相应驱动器的机床控制系统使用。对于有标准通信接口的机床数控系统，可以直接由计算机将加工程序传送给机床控制系统进行数控加工。

2.数控机床的坐标系

（1）坐标系及运动方向的规定 数控机床的标准坐标系及运动方向在国际标准中有统一规定。为了确定机床的运动方向和移动距离，需要在机床上建立一个坐标系，这就是机床坐标系。

1）右手笛卡儿直角坐标系。标准机床坐标系中 X 、 Y 、 Z 坐标轴的相互关系用右手笛卡儿直角坐标系决定，如图1-14所示。右手的大拇指、食指和中指互相垂直时，拇指代表 X 轴，食指代表 Y 轴，中指代表 Z 轴。大拇指指向为 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。分别平行于移动轴 X 、 Y 、 Z 的第一组附加轴为 U 、 V 、 W ，第二组为 P 、 Q 、 R 。

以 X 、 Y 、 Z 轴为中心旋转的运动称为回转运动 A 、 B 、 C ， A 、 B 、 C 的正方向按右手螺旋定律确定，如图1-14所示，即当右手紧握螺旋，拇指指向 X 、 Y 、 Z 轴的正向时，其余四指所指的方向分别为+ A 、+ B 、+ C 轴的旋转方向。

2）刀具运动坐标与工件运动坐标。数控机床的坐标系是机床运动部件进给运动的坐标系。由于进给运动可以是刀具相对工件的运动（如数控车床），也可以是工件相对刀具的运动（如数控铣床），因而统一规定为：工件固定、刀具运动的刀具运动坐标，即刀具相对工件运动的刀具运动坐标；用字母前带“′”的坐标表示工件相对“静止”刀具而运动的工件运动坐标。

3）运动的方向。国标规定使刀具与工件距离增大的方向为运动的正方向，即刀具远离工件的方向；反之，则为负方向。

（2）机床坐标轴的确定

1）先确定 Z 轴。 Z 轴为传递切削力的主轴轴线，即平行于主轴轴线的坐标轴，刀具远离工件的方向为正方向。如车床、磨床等转动工件的轴为主轴，如图1-15所示；铣床、镗床和攻螺纹机床等转动刀具的轴为主轴，如图1-16所示。当机床有几个主轴时，选一个与工件装夹面垂直的主轴为 Z 轴；当机床无主轴时，选与工件装夹面垂直的方向为 Z 轴方向。

2）再确定 X 轴。 X 轴为水平方向且平行于工件的装夹面。工件旋转类机床，如车床、磨床等，刀具远离工件的方向为正方向。刀具旋转类机床，如铣床等，若 Z 轴水平，观察者沿刀具主轴后端向工件看，向右方向为正方向，如图1-16b所示；若 Z 轴垂直，观察者面对刀具主轴向床身立柱看，向右方向为正方向，如图1-16a所示。

3）最后确定 Y 轴。在确定了 X 、 Z 轴的正方向后，即可按右手螺旋法则定出 Y 轴的正方向。

（3）机床原点、参考点和工件原点

1）机床原点（Machine Origin）。机床原点就是机床坐标系的原点，是机床的一个基准位置。它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中心，即卡盘端面与主轴中心线的交点处。数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处，但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。

2）机床参考点（Reference Point）。机床参考点是用于对机床工作台（或滑板）与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点，一般设定在各坐标轴正向行程极限点的位置上。该位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好的，它相对于机床原点的坐标是一个固定值。每次开机起动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴回参考点，进行一次位置校准，以消除上次运动所带来的位置误差。图1-17描述了数控车床原点、参考点和工件原点的关系。

3）工件原点（Program Origin）。在对零件图形进行编程计算时，为了编程方便，需要在零件图样上的适当位置建立编程坐标系，其坐标原点即为程序原点。而要把程序应用到机床上，则程序原点应该对应工件毛坯的特定位置，该特定位置在机床坐标系中的坐标必须让机床的数控系统知道，这一操作是通过对刀来实现的。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。对刀操作的目的是建立工件坐标系与机床坐标系的关系。

工件原点一般按如下原则选取：

①工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。这样可以直接用图样标注的尺寸作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。

②能方便地装夹、测量和检验工件。

③尽量选在尺寸精度较高、表面粗糙度数值较小的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

④对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。

车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面上。铣床的工件原点一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，进刀深度方向上的零点大多取在工件表面上。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点；对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点并独立编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别设定各自的工件坐标系。

对于编程和操作加工采取分开管理机制的生产单位，编程人员只需要将其编程坐标系和程序原点填写在相应的工艺卡片上即可。而操作加工人员则应根据工件装夹情况适当调整程序上建立工件坐标系的程序指令，或采用原点预置的方法调整修改原点预置值，以保证程序原点与工件原点的一致性。

3.程序结构与程序段

（1）数控程序的结构 一个完整的程序由程序名、程序主体和程序结束指令三部分组成。

下面是一个完整的数控加工程序，该程序的程序名为O1010，以程序结束指令M30结束。

程序名：每个独立的程序都有一个自己的程序名。FANUC系统的程序名由字母“O”和1～4位数字表示；SIEMENS系统的程序名用“%”和字母或数字混合组成。

程序主体：由若干程序段组成，每个程序段由若干个代码组成，每个代码则由字母（地址符）和数字（有些数字还带有符号）组成。主体的最后程序段一般用M05使主轴停止运动。

程序结束指令：程序结束指令编在程序最后一行，一般用M02、M30表示。

程序段末尾的“；”为程序段结束符号。一个程序段代表一个完整的加工工步或动作。

（2）程序段格式 程序段是可作为一个单位来处理的连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。一个数控加工程序是由若干个程序段组成的。

程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。现代数控机床广泛采用字地址可变程序段格式，就是程序段的长短是可变的，其格式如下所示：

例如：

（3）字与字的功能

1）字符与代码。字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数字运算符等。数控系统只能接受二进制信息，用“0”和“1”组合的代码来表达。国际上广泛采用两种标准代码：ISO国际标准化组织标准代码、EIA美国电子工业协会标准代码。这两种标准代码的编码方法不同，但在大多数现代数控机床上都可以使用，只需用系统控制面板上的开关来选择，或用G功能指令来选择。

2）程序字。数控程序中字符的集合称为程序字，简称字。字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成的，这个英文字母称为地址符。如：“X30”是一个字，“X”为地址符，数字“30”为地址中的内容。

3）程序字的功能。组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义，本书主要是以FANUC数控系统的规范为主来介绍的，在实际工作中，请遵照数控机床数控系统说明书来使用各个程序字的功能。

数控程序中所用的程序字，主要有准备功能字G指令、辅助功能字M指令、进给功能字F指令、主轴转速功能字S指令、刀具功能字T指令等。在数控编程中，用各种G指令和M指令来描述工艺过程的各种操作和运动特征。

①顺序号字。顺序号又称程序段号或程序段序号，位于程序段之首，由地址符N和1～4位正整数后续数字组成。数控程序中的顺序号实际上是程序段的名称，与程序执行的先后次序无关。数控系统不是按顺序号的次序来执行程序，而是按程序段编写时的排列顺序逐段执行。

顺序号的作用主要是对程序进行校对和检索修改。有顺序号的程序段可以进行复归操作，这是指加工可以从程序的中间开始或回到程序中断处开始。

一般使用方法：编程时将第一程序段冠以N10，以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样在调试程序时，如果需要在N10和N20之间插入程序段时，就可以使用N11、N12等。

②准备功能字G指令。准备功能字的地址符是G，所以又称G指令，它用来规定刀具和工件相对运动的插补方式、刀具补偿、坐标偏移等。G指令由字母“G”和其后两位数字组成，从G00到G99有100种，见表1-2。G指令是程序的主要内容，一般位于程序段中坐标数字的指令前。

在表1-2中，序号含有a、c～k、i的均为模态指令，字母相同的为一组，同组的指令不能同时出现在一个程序段中。模态指令又称续效指令，在一个程序段出现后，其功能可保持到被相应的指令取消或被同组指令所代替。编写程序时，与上段相同的模态指令可省略不写。不同组模态指令编在同一程序段内，不影响其续效。例如：

例中第一段出现两个模态指令，即G91、G01，因它们不同组而均续效，其中G91的功能延续到第三段出现G90时失效；G01的功能在第二段中继续有效，至第三段出现G00时才失效。

表1-2中模态栏标有“—”的指令为非模态指令，又称非续效指令，其功能仅在出现的程序段中有效，如G04。

③刀具功能字T指令。

格式：T____；

T指令为刀具指令，在加工中心机床中，该指令用于自动换刀时选择所需的刀具。

在车床中，常为T后跟4位数，前两位为刀具号，后两位为刀具补偿号，如T0101表示调用01号刀具，刀具的偏置量存放在01号寄存器中。

在铣床、镗床中，T后常跟两位数，用于表示刀具号，刀具补偿号则用D代码表示。如T15D17表示调用15号刀具，刀具的偏置量存放在17号寄存器中。T、D控制字可写在同一行，也可分开写。

④进给功能字F指令。

格式：F____；

F指令为刀具编程点的进给速度指令，由地址符F和4位以内的数字组成，表示刀具向工件进给的相对速度。F指令为续效指令，一经设定后如未被重新指定，则先前所设定的进给速度继续有效。进给速度单位一般有两种表示方法：一种单位为mm/min；当进给速度与主轴转速有关（如车螺纹）时，单位为mm/r。

如F100表示进给速度是100mm/min。这种方法较为直观，目前大多数数控机床都采用此方法。

⑤主轴转速功能字S指令。

格式：S____；

S指令为主轴转速指令，用来指定主轴的转速，S后跟一串数字。该指令有恒线速（单位为m/min）和恒转速（单位为r/min）两种指令方式。具体方式由G功能字指定。

G96指定S的单位为m/min。如：“G96 S200；”表示恒切削速度为200m/min。

G97表示取消恒线速控制。

⑥辅助功能字M指令。辅助功能指令是用于控制机床开关功能的指令，如指定主轴的起停、正反转、切削液的开关、工件或刀具的夹紧与松开、刀具的更换等。辅助功能由指令地址符M和后面的两位数字组成，从M00～M99共100种。M指令也有续效指令与非续效指令，如表1-3所示。

常用的M指令如下：

1）M00——程序停止指令。M00使程序停止在本段状态，不执行下段。执行完含有M00的程序段后，机床的主轴、进给、冷却都自动停止，但全部现存的模态信息保持不变，重按控制面板上的“循环启动”键，便可继续执行后续程序。该指令可用于自动加工过程中停车进行测量工件尺寸、工件调头、手动变速等操作。

2）M01——程序计划停止指令。该指令与M00相似，不同的是必须预先在控制面板上按下“任选停止”键，当执行到M01时程序才停止；否则，机床仍不停地继续执行后续的程序段。该指令常用于工件尺寸的停机抽样检查等，当检查完成后，可按“启动”键继续执行以后的程序。

3）M02——程序结束指令。此指令使主轴、进给、冷却全部停止，并使机床复位，但不返回到程序开头的位置。M02必须出现在程序的最后一个程序段中，表示加工程序全部结束。

4）M30——程序结束并返回至开头。完成M02相应的内容后，自动返回到程序开头的位置，准备下一个零件的加工。

5）M03、M04、M05——主轴的顺时针方向旋转、逆时针方向旋转、停止。

6）M06——换刀指令。用于具有刀库的数控机床（如加工中心）的换刀功能。

7）M07——1号切削液开（雾状）。

8）M08——2号切削液开（液状）。

9）M09——切削液关。

10）M10、M11——运动部件的夹紧、松开。

11）M19——主轴定向停止，使主轴停在预定的位置上。

一般M03、M04、M06、M08为段前执行指令，即在一个程序段中，同时有G指令和M指令时，先执行M指令，后执行G指令。M05、M09为后执行指令，即在一个程序段中先执行G指令，后执行M指令。M00、M01、M02、M30一般要求独立编写一个程序段。

常用地址符的含义见表1-4。

【思考与练习】

1.数控编程的内容及步骤是什么？

2.什么是手工编程？什么是自动编程？它们各有何特点？

3.常用的数控功能指令有哪些类型？（写出4个以上，并简述其功能）。

4.什么叫机床坐标系？如何确定数控车床与数控铣床的机床坐标系？

5.在数控编程中，如何选择一个合理的编程原点？

6.试述机床原点、机床参考点和程序原点的区别与联系。

7.什么是工件坐标系？如何确定工件坐标系？

8.举例说明程序的基本格式。

9.简述程序指令的分类。

10.什么是模态、非模态指令？举例说明。

【拓展阅读】

制造强国战略

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