数控机床编程基础知识参考指南

如图1－14所示，毛坯为φ40 mm的棒料，材料为45钢单件小批量生产。完成零件的对刀操作，编制零件的刀尖动作程序进行模拟仿真。

图1－14　阶梯轴

二维码　立体图视频

1.坐标系的确定

（1）机床坐标系是如何确定的？

（2）工件坐标系的确定原则是什么？

（3）什么是刀位点和对刀点？

2.数控程序的编制

（1）简述数控加工程序的格式。

（2）简述数控加工各功能字的含义。

（3）简述绝对坐标和增量坐标编程的使用。

视频1－2－1：数控机床坐标系统

（一）数控机床坐标系

1.坐标系及运动方向的确定原则

1）坐标系命名原则

数控机床的进给运动是相对的，有的是刀具相对于工件运动（如车床），有的是工件相对于刀具运动（如铣床）。为了使编程人员能在不知道是刀具移向工件，还是工件移向刀具的情况下，可以根据图样确定机床的加工过程，规定：永远假定刀具相对于静止的工件移动，并且将刀具与工件距离增大的方向作为坐标轴的正方向。

2）标准坐标系

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称为机床坐标系。

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确定，如图1－15所示。

（1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°，则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。

（2）大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

（3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，右手分别握住X、Y、Z坐标轴，大拇指的指向与X、Y、Z坐标轴的正向重合，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。

3）坐标轴方向的规定

（1）Z坐标。Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。

若机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；若主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；若机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。

（2）X坐标。X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定X轴的方向时，要考虑如下两种情况：

图1－15　右手笛卡儿直角坐标系

①若工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

②若刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，＋X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，＋X运动方向指向右方。

（3）Y坐标。在确定X、Z坐标的正方向后，可以根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。

数控车床刀架前置和刀架后置的坐标系分别如图1－16和图1－17所示。

图1－16　刀架前置

图1－17　刀架后置

4）附加坐标系

如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。若还有第三组运动，则分别指定为P、Q、R。

2.机床原点与参考点

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，在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。

1）数控车床的原点

在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图1－18所示。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。

2）机床参考点

数控装置上电时并不知道机床原点，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），机床起动时进行机动或手动回参考点，以建立机床坐标系。

机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，是一个固定位置点，其坐标值已输入数控系统中。因此，参考点对机床原点的坐标是一个已知数。

通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的，而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点，如图1－19所示。

图1－18　数控车床原点

图1－19　机床参考点

3.工件原点与工件坐标系

工件坐标系（编程坐标系）是编程人员在编程时使用的、用于确定工件几何图形上几何要素（点、直线、圆弧）的位置而建立的坐标系，编程人员选择工件上的某一已知点为原点，称编程原点或工件原点，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。工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。

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，编程原点应选在尺寸标注的基准点；对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上，如图1－20所示。

4.刀位点及对刀点

刀位点：用于确定刀具在机床上位置的刀具上的特定点。车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心；平底立铣刀的刀位点是刀具轴线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心；钻头的刀位点是钻尖。数控车床常用车刀刀位点，如图1－21所示。

图1－20　工件原点和工件坐标系

图1－21　常用车刀刀位点

对刀点：在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点，又称起刀点或程序起点。

换刀点：加工过程中换刀时刀具的相对位置点。换刀点往往设在工件、夹具的外部，以能顺利换刀、不碰撞工件、夹具及其他部件为准。

对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置，对刀点可以设在零件上、夹具上或机床上，对刀时应使对刀点与刀位点重合。

（二）数控机床编程基本知识

1.数控编程的基本概念

在数控机床上加工零件，首先要进行程序编制，将零件的加工顺序、工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度等）及辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成代码，按一定的格式编写成加工程序单，并将程序单的信息输入数控装置，由数控装置控制机床进行自动加工。从零件图样到编制零件加工程序的全部过程称为数控程序编制。

2.数控编程的步骤

（1）分析图样、确定加工工艺过程。在确定加工工艺过程时，编程人员要根据图样对工件的形状、尺寸、技术要求进行分析，然后选择加工方案，确定加工顺序、加工路线、装卡方式、刀具及切削参数，同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能。加工路线要短，要正确选择对刀点、换刀点，减少换刀次数。

视频1－2－2：数控车床编程步骤及方法

（2）数值计算。根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。

在很多情况下，因其图样上的尺寸基准与编程所需要的尺寸基准不一致，故应首先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸，再进行下一步数学处理。

①直接换算。直接换算是直接通过图样上的标注尺寸，即可获得编程尺寸的一种方法。进行直接换算时，可对图样上给定的基本尺寸或极限尺寸取平均值，经过简单的加、减运算后即完成。

例如，如图1－22（b）所示，除尺寸46.55 mm外，其余均属直接按如图1－22（a）所示的标注尺寸经换算后得到的编程尺寸。其中，φ59.94 mm、φ20 mm及140.08 mm这3个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸。在取极限尺寸中值时，如果遇到有第3位小数值（或更多位小数），基准孔按照“四舍五入”的方法处理，基准轴则将第3位进上一位。

②间接换算。间接换算是需要通过平面几何、三角函数等计算方法进行必要解算后，才能得到其编程尺寸的一种方法。用间接换算方法所换算出来的尺寸，是直接编程时所需的基点坐标尺寸，也可以是为计算某些基点坐标值所需要的中间尺寸。

如图1－22（b）所示的尺寸46.55 mm，就是间接换算后得到的编程尺寸。计算方法如下：

在直角三角形ABC中，∠ACB＝30°／2＝15°，AB＝（59.94－35）／2＝12.47。因为tan∠ACB＝AB／BC，所以BC＝AB／tan∠ACB＝12.47／tan15°≈46.55。

图1－22　标注尺寸换算

③尺寸链解算。数控加工中，除了需要准确地得到其编程尺寸外，还需要掌握控制某些重要尺寸的允许变动量，这就需要通过尺寸链解算才能得到。

④基点与节点。一个零件的轮廓曲线可能由许多不同的几何要素组成，如直线、圆弧、二次曲线等。各几何要素之间的连接点称为基点，如两条直线的交点、直线与圆弧的交点或切点、圆弧与二次曲线的交点或切点等。基点坐标是编程中需要的重要数据，可以直接作为其运动轨迹的起点或终点。在只有直线和圆弧插补功能的数控车床上加工椭圆、双曲线、抛物线、阿基米德螺旋线或用一系列坐标点表示列表曲线时，就要用直线或圆弧去逼近被加工曲线。这时，逼近线段与被加工曲线的交点就称为节点。为了编程方便，一般都采用直线段去逼近已知的曲线，这种方法称为直线逼近，或称线性插补。

（3）编写零件加工程序单。加工路线、工艺参数及刀位数据确定以后，编程人员可以根据数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。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、数控刀具明细表、工件安装和零点设定卡片、数控加工程序单等。

（4）程序输入。目前常用的方法是通过操作面板上的键盘直接将程序输入数控机床，或插入存储卡输入，或采用微机存储加工程序，经过串行接口RS232将加工程序传入数控装置或计算机直接数控（DNC）通信接口，可以边传送边加工。

（5）程序校验与首件试切。通过数控机床的图形模拟功能，可进行图形模拟加工，让机床空运转，以检查机床的运动轨迹是否正确。但这些方法只能检验出运动是否正确，不能查出被加工零件的加工精度。因此有必要进行零件的首件试切。当发现有加工误差时，应分析误差产生的原因，找出问题所在，加以修正。

3.数控加工程序的格式及功能字

1）数控程序的结构

一个完整的数控程序由程序名、程序段和程序结束符三部分组成。

下面以图1－23所示零件的加工程序为例简单介绍程序的组成，程序如表1－3所示。

图1－23　加工零件

(https://www.xing528.com)

视频1－2－3：数控车床程序结构及特点

表1－3　数控加工程序的组成

2）程序段格式

一个程序段由若干个“字”组成，字是由英文字母（地址）和其后面的数字构成的（数字的前面还带有＋、－符号），如图1－24所示。字是数控语句中的最小单位。

字的功能含义如下。

（1）顺序号字N。顺序号又称程序段号或程序段序号。顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。顺序号字N是地址符，后续数字一般为1～4位的正整数。数控加工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的，而是按照程序段编写时的排列顺序逐段执行的。

顺序号是对程序进行校对和检索修改以及作为条件转向的目标，即作为转向目的程序段的名称。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。

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。准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。用地址G和两位数字表示，从G00～G99共100种，如表1－4所示。

图1－24　字的构成

表1－4　G功能字含义表

注：带*者表示的是开机时会初始化的代码。

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，又称当段有效代码。例如：

N10 G04 X10；（延时10 s）

N11 G91 G00 X－10 F200；（X负向移动10 mm）

N10程序段中G04是非模态G代码，不影响N11程序段的移动。

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，又称续效代码。例如：

N15 G01 X－10 F200；

N16 Y10；（G91，G01仍然有效）

N17 G03 X20 Y20 R20；（G03有效，G01无效）

（3）尺寸字。尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。其中，X、Y、Z、U、V、W用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组A、B、C用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组I、J、K用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。

（4）进给功能字F。进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种；对于其他数控机床，一般只用每分钟进给。F指令在螺纹切削程序段中常用来指定螺纹的导程。

（5）主轴转速功能字S。主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速，单位为r／min。对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度。

（6）刀具功能字T。刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。对于数控车床，如T0101，其中头两位数01表示刀具号，后两位数字用于指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿。

（7）辅助功能字M。辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，具体代码和功能如表1－5所示。

表1－5　常用的辅助功能的M代码、含义及用途

续表

注：各种机床的M代码规定有差异，编程时必须根据说明书的规定进行。

3）直径编程与半径编程

（1）当用直径值编程时，称为直径编程法。编制与X轴有关的各项尺寸时，一定要用直径值编程（数控程序中X轴的坐标值即为零件图上的直径值）。如图1－25所示，图中A点的坐标值为（X30，Z80），B点的坐标值为（X40，Z60）。

（2）用半径值编程时，称为半径编程法。编制与X轴有关的各项尺寸时，一定要用半径值编程（数控程序中X轴的坐标值为零件图上的半径值）。

若需用半径编程，则要改变系统中相关的参数，使系统处于半径编程状态。

通常采用直径编程方式。采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。当用增量编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附上方向符号（正向可以省略）。

4）主轴正反转

C轴（主轴）的运动方向是从机床尾架向主轴看，逆时针为＋C向，顺时针为－C向。

5）快速点定位（G00）

指令格式：G00 X（U）____Z（W）____；

图1－25　直径编程

指令功能：命令刀具快速从当前点移动到目标点位置。

说明：

（1）X、Z后面的数值为目标点在工件坐标系中的坐标；U、W为目标点相对于起点增量坐标。

（2）G00不用F指定移动速度，由生产厂家或机床系统参数设定；可由面板上的“快速修调”按钮修正。

（3）G00运动是空行程，不能进行切削加工，一般用于加工前快速定位和加工后快速退刀。

（4）G00为模态功能，可由G01、G02、G03等指令注销。

（5）在执行G00指令时，由于各轴以各自速度移动，不能保证各轴同时到达终点，因而联动直线轴的合成轨迹不一定是直线。要注意刀具和工件之间不要发生干涉，忽略这一点，就容易发生碰撞，而在快速状态下的碰撞更加危险。

练一练

【例1－1】　如图1－26所示，刀具从A点（X100，Z100）快速定位至B点，程序段如下。

图1－26　G00编程示例

绝对方式：G00 X20 Z2；

增量方式：G00 U－80 W－98；

6）直线插补（G01）

指令格式：G01 X（U）__Z（W）__F__；

指令功能：命令刀具以一定的进给速度从当前位置沿直线移动到目标点位置。

说明：

（1）X、Z后面的数值为目标点在工件坐标系中的坐标；U、W为目标点相对于起点的增量坐标。

（2）F是切削进给率或进给速度，单位为mm／r或mm／min，取决于该指令前面程序段的设置。

（3）G01为模态功能，可由G00、G02、G03等指令注销。

【例1－2】　如图1－27所示，编写刀具从B点直线切削到达C点的程序指令。

绝对方式：G01 X20 Z－15 F100；

增量方式：G01 U0 W－17 F100；

混合方式：G01 X20 W－17 F100（或G01 U0 Z－15 F100）；

【例1－3】　加工如图1－28所示的零件，已知材料为45钢，已完成粗加工，编写零件的精加工程序。

图1－27　G01编程示例

图1－28　编程示例

零件加工参考程序如表1－6所示。

表1－6　零件加工参考程序（G00、G01指令）

1.对刀

Z向对刀如图1－29（a）所示。先用外径刀将工件端面（基准面）车削出来；车削端面后，刀具可以沿X方向移动远离工件，但不可沿Z方向移动。Z轴对刀输入“Z0测量”。

X向对刀如图1－29（b）所示。车削任一外径后，使刀具沿Z向移动远离工件，待主轴停止转动后，测量刚刚车削出来的外径尺寸。例如，测量值为φ50.78 mm，则X轴对刀输入“X50.78测量”，工件坐标系得以建立。

图1－29　试切对刀

2.编制程序

锥形螺母参考程序如表1－7所示。

表1－7　锥形螺母参考程序

3.零件加工

（1）机床开机、回参考点。

（2）装夹工件及刀具。

（3）对刀及设定工件坐标系。

（4）输入程序。

（5）图形模拟。

工件质量评价表包括程序评分表、安全文明生产评分表和教师与学生评价表，如表1－8所示，教师与学生评价表见附表。

表1－8　评分表