数控车床编程技巧分享

要使NC 机床动作，首先要编程，然后用程序来控制NC 机床的运转。对某一实际零件的加工分两个阶段，即编程阶段和操作阶段。本部分主要讲解编程方法和指令系统，在实际编程以前，要根据机床特点和工艺分析来确定加工方案，以保证车床能正确运转。

数控切削工艺指令主要分成两大类：一类是准备性工艺指令（又称G 指令或G 代码），这类指令是用来命令机床进行加工运动和插补运算而做好准备的工艺指令；另一类是辅助性工艺指令（又称M 代码或M 指令），这类指令是用来命令机床做一些辅助动作的代码，与插补运算无关。本书主要参照FANUC 0i-TC 数控系统机床来介绍编程指令与方法。

1.数控加工程序

（1）数控加工编程的概念

数控机床是用数字信息来控制机床进行自动加工的。将能控制机床进行加工的数字信息归纳、综合成便于加工的指令代码，按工件图纸及工艺要求将这些指令代码有序排列，即组成数控加工编程。

（2）数控加工程序包含的内容

1）程序的编号。

2）工件原点的设置。

3）所选刀具号、换刀指令、主轴旋转方向及相应的切削速度（或转速）、进给量（或进给速度）等。

4）刀具引进和退出路径。

5）加工方法和刀具运动轨迹。

6）其他说明，如冷却液的开关等。

7）程序结束语。

（3）程序的组成

一个完整的程序，一般由程序号、程序内容和程序结束语三部分组成。

每个语句的开头表示NC 动作顺序的顺序号，末尾用“；”表示语句结束符号，程序段的内容如下。

2.参考点和坐标系

对于NC 机床坐标系统，我国目前依据GB/T 19660—2005 《工业自动化系统与集成机床数字控制坐标系和运动命名》 的标准，它与ISO841 标准相同。标准坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系，对NC 机床的坐标和运动方向予以规定，如图12-1 所示。

图12-1　右手直角笛卡儿坐标系

图12-1 中大拇指所指的方向为X 轴的正方向，食指所指的方向为Y 轴的正方向，中指所指的方向为Z 轴的正方向。

车床主轴中心线为Z 轴，垂直于Z 轴的为X 轴，车刀远离工件的方向为两轴的正方向。

机床原点（机床零点）一般定在主轴中心线（即Z 轴）和主轴安装夹盘面的交点上。为使数控装置得知机床原点所在位置的信息，常借助访问参考点来完成，机床参考点是由机床制造厂在机床装配、调试时确定的一个点，此点坐标值为X参、Z参，如12-2 图所示。

图12-2　机床坐标系

在图12-2 中有两种坐标系：

机床坐标系：原点为图12-2 中机床原点。

工件坐标系：原点为图12-2 中工件编程原点。工件坐标系也称为加工坐标系，它指加工工件时使用的坐标系。工件坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X 轴对应径向；Z 轴对应轴向；C 轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为+C 向，顺时针为-C 向，如图12-3 所示。

加工坐标系的原点选在便于测量或对刀的基准位置，一般在工件的右端面或左端面上。

3.尺寸单位和坐标指令方式

（1）尺寸单位

FANUC 数控系统以G20 表示用英制单位编程，G21 表示用公制单位编程，机床通电后自动使G21 生效。

图12-3　C 轴的运动方向

指令格式：G20　输入数据单位为英制

G21　输入数据单位为公制

注意：G20 和G21 不要在程序运行中途转换。

（2）坐标指令方式

直径编程方式：在车削加工的数控程序中，X 轴的坐标值取为零件图样上的直径值，如图12-4 所示。

图12-4　手柄车削零件

在图12-4 中，C 点的坐标值为（20，-12），H 点的坐标值为（28，-47）。

采用直径尺寸编程时，尺寸值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。

（3）坐标值表示方法

绝对编程　X（　　）Z（　　）；

相对编程　U（　　）W（　　）；

混合编程　X（　　）W（　　）或U（　　）Z（　　）。

如图12-4 各轮廓点：

A 点绝对　X（14.28）　　Z（0）；

B 点相对 U（5.72）　　W（-7）；

C 点混合　X（20）　　W（-5）。

4.主要指令

（1）主轴功能（S 功能）

S 功能指令用于控制主轴转速。

编程格式　S…；

S 后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。在具有恒线速功能的机床上，S 功能指令还有以下作用。

1）最高转速限制。

编程格式　G50 S…；

S 后面的数字表示最高转速，单位为r/min。

图12-5　恒定的线速度示例图

例：G50 S3000 表示最高转速限制为3 000 r/min。

2）恒线速控制。

编程格式　G96 S…；

S 后面的数字表示的是恒定的线速度，单位为m/min。

例：G96 S150 表示切削点线速度控制在150 m/min。

恒定的线速度示例如图12-5 所示。

对如图12-5 所示的零件，为保持A、B、C 各点的线速度在150 m/min，则各点在加工时的主轴转速分别为

A: n=1 000×150 ÷ (π×40) =1 193 (r/min);

B: n=1 000×150 ÷ (π×60) =795 (r/min);

C: n=1 000×150 ÷ (π×70) =682 (r/min)。

3）恒线速取消。

编程格式G97 S…；

S 后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S 未指定，将保留G96 的最终值。

例：G97 S3000 表示恒线速控制取消后主轴转速为3 000 r/min。

（2）刀具功能（T 代码）

T 功能指令用于选择加工所用刀具。

编程格式　T…；

T 后面通常用两位数表示所选择的刀具号码。但也有T 后面用四位数字的，前两位是刀具号；后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。

例：T0303 表示选用3 号刀及3 号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径补偿值；T0300 表示取消刀具补偿。

（3）辅助功能（M 代码）

M 代码是用来指令机床的辅助功能，大部分送到机床侧，用于执行某功能的通/断。

1）M 代码表（见表12-2）。

表12-2　M 代码表

2) M98　M99。

格式：M98 P■■■◆◆◆◆调用子程序；■■■为调用重复次数，◆◆◆◆为子程序号。

M99 子程序结束并返回到主程序。

注：

①当加工中有固定顺序和重复模式时，可将其作为子程序存放在存储器中。

②子程序结束除用M99 外，在格式和输入上完全等同于主程序。

③在执行子程序调用指令时，程序转到指令的子程序继续运行，一次指令可多次运行，执行次数完成后返回，主程序调用的下一程序段运行。在主程序中可多次调用子程序。

④子程序也可调用子程序，FANUC 0i-TD 可允许2 重嵌套。

（4）进给运动（F 代码）

F 功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法。

每转进给量：编程格式G99 F…；F 后面的数字表示主轴每转进给量，单位为mm/r。

例：G99 F0.2 表示进给量为0.2 mm/r。

每分钟进给量：编程格式G98 F…；F 后面的数字表示每分钟进给量，单位为mm/min。

例：G98 F100 表示进给量为100 mm/min。

（5）准备功能（G 代码）

G 代码表如表12-3 所示。

表12-3　G 代码表

5.插补概述

（1）插补的基本概念

数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点，完成所谓的数据“密化”工作。

插补有两层意思：一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；二是用基本线型拟合其他轮廓曲线。

插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。

（2）插补方法的分类

1）基准脉冲插补。

2）数据采样插补。

（3）插补原理及特点

1）原理。每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，判断偏差点的瞬时坐标与规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补及其他曲线插补。

2）特点。运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。

6.G 代码的详细介绍

（1）坐标系设定/主轴最高转速限制指令（G50）

通过该指令来建立一个坐标系。

指令格式：G50　X…　Z…；

通过该指令来限定主轴最高转速。

指令格式：G50　S…；

（2）进给方式指定（G98　G99）

用来指定切削进给中进给量的单位。

G98 表示进给量以每分钟进给指定，单位为mm/min。

G99 表示进给量以每转进给指定，单位为mm/r。

（3）快速定位G00

用来指令快速移动。

指令格式：G00　X（U）…Z（W）…；

指令格式中　X，Z——绝对编程时目标点在工件坐标系中的坐标；

U，W——增量编程时刀具移动的距离。

G00 指令刀具相对于工件以各轴预先设定的速度，从当前位置快速移动到程序段指令的定位目标点。

G00 指令中的快移速度由机床参数“快移进给速度”对各轴分别设定，所以快速移动速度不能在地址F 中规定，快速移动速度可由面板上的快速修调按钮修正。

在执行G00 指令时，由于各轴以各自的速度移动，不能保证各轴同时到达终点，因此联动直线轴的合成轨迹不一定是直线，操作者必须格外小心，以免刀具与工件发生碰撞。常见G00 运动轨迹如图12-6 所示，从A 点到B 点常见的有两种方式：直线AB、折线AEB。折线的起始角θ 是固定的，它取决于各坐标的脉冲当量。

G00 为模态功能，可由G01、G02、G03 等功能注销。目标点位置坐标可以用绝对值，也可以用相对值，甚至可以混用。例如，将刀具从起点S 快速定位到目标点P，如图12-7所示。

图12-6　G00 运动轨迹

图12-7　G00 S 点到P 点

G00 编程方法如表12-4 所示。(www.xing528.com)

表12-4　G00 的三种编程方法

（4）直线插补（G01）

用来指令直线切削进给。

指令格式：G01　X（U）…Z（W）…F…；

1）插补是指数控系统中特定的某种运算，通过这种运算的结果，可对进给脉冲进行分配以实现轨迹控制。

2）F 值为进给量，它是模态量，可根据需要用操作面板上的进给倍率开关进行调节。

举例：加工如图12-8 所示零件。

如图12-8（a）所示零件的各加工面已完成了粗车，试设计一个精车程序。

①设工件零点和换刀点。工件零点O 设在工件端面（工艺基准处），换刀点（即刀具起点）设在工件的右前方A 点，如图12-8（b）所示。

②确定刀具工艺路线。如图12-8（b）所示，刀具从起点A（换刀点）出发，加工结束后再回到A 点，走刀路线为A→B→C→D→E→F→A。

③计算刀尖运动轨迹坐标值。根据图12-8（b）得各点绝对坐标值：A（60，15）、B（20，2）、C（20，-15）、D（28，-26）、E（28，-36）、F（42，-36）。

④编程。精加工程序如下：

O1234;

图12-8　粗、精车外轮廓图

N10 M03 S1200;

N20 T0101;

N30 M08;

N40 G00 X20;

N50 G00 Z2;

N60 G01 Z-15 F0.12;

N70 G01 X28 Z-26 F0.15;

N80 G01 Z-36;

N90 G01 X42;

N100 G00 X60 Z15;

N110 M09;

N120 M05;

N130 M30;

（5）圆弧插补（G02　G03）

圆弧插补是用来指定刀具进行圆弧加工，其指令见表12-5。

表12-5　圆弧插补指令表

指令格式：

G02 (G03) X (U) …Z (W) …R (I…K…) …F…;

I、K 后面的数值分别是从圆弧的起点到圆弧中心的矢量在X、Z 轴方向的分量值，该值为增量值，其正负方向由坐标方向来确定。

当I、K 值为零时可以省略。

当I、K 与R 同时指令时R 优先。

当用I、K 值指令，圆弧始点和终点半径值有误差时不报警，误差值用直线相连。

圆弧顺逆方向的判定如图12-9 所示。

沿圆弧所在平面（如XZ 平面）的垂直坐标轴的负方向（-Y）看去，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03。数控车床是两坐标机床，只有X 轴和Z 轴，那么如何判断圆弧的顺、逆呢？应按右手定则的方法将Y 轴也加上去进行考虑。观察者让Y 轴的正方向指向自己（即沿Y 轴的负方向看去），站在这样的位置上就可正确判断XZ 平面上圆弧的顺、逆了。圆弧的顺、逆方向可按如图12-9（a）所示的方向判断：沿与圆弧所在平面（如XZ 平面）相垂直的另一坐标轴的负方向（-Y）看去，顺时针为G02，逆时针为G03，图12-9（b）所示为车床上圆弧的顺、逆方向。

图12-9　圆弧顺逆方向的判定

例：车削如图12-10 所示的球头手柄。试设计一个精车程序，在φ25 mm 的塑料棒上加工出该零件。

解答过程：

零件图工艺分析：

1）技术要求分析。如图12-10 所示，零件主要包括凹、凸圆弧面和圆柱面。零件材料为塑料棒。

2）确定装夹方案、定位基准、加工起点、换刀点。毛坯为塑料棒，用三爪自定心卡盘软卡爪夹紧定位。工件零点设在工件右端面旋转中心处，加工起点和换刀点可以设为同一点，为工件的右前方M 点，如图12-10 所示，其距工件右端面Z 向100 mm，X 向距轴心线50 mm。

3）确定刀具及切削用量。

4）确定刀具加工工艺路线。如图12-10 所示，刀具从起点M（换刀点）出发，加工结束后再回到M 点，走刀路线为：M→A→B→C→D→E→F→M。

图12-10　球头手柄

工件参考程序与加工操作过程：

1）工件的参考程序如下。

2）输入程序。

3）数控编程模拟软件对加工刀具轨迹进行仿真，或数控系统进行图形仿真加工，并进行程序校验及修整。

4）安装刀具，进行对刀操作，建立工件坐标系。

5）启动程序，自动加工。

6）停车后，按图纸要求检测工件，对工件进行误差与质量分析。

（6）延时指令G04

用于指令延时。

指令格式：G04 X（U）…；

用“X”“U”地址指令延时时间，用小数点时，单位为s；不用小数点时，单位为ms。

另外可采用地址指令P，单位为ms。

（7）返回参考点指令G28

用以指令机床回参考点。

指令格式：G28 X（U）…Z（W）…；

参考点是数控机床为实现某些功能而设置的一固定点。

指令格式中X（U）…Z（W）…所指定的点是为避免干涉而设置的返回参考点前经过的一个中间点，即返回参考点前，首先向该点定位，该点必须包含两轴方向的量。

（8）螺纹切削指令G32

用来指令螺纹切削。

指令格式：G32　X（U）…Z（W）…　F…；

指令格式中　X，Z——螺纹终点坐标；

F——螺纹长轴方向导程

1）用该指令切削螺纹时无退尾功能。

2）X 省略时为圆柱螺纹切削，Z 省略时为端面螺纹切削；X、Z 均不省略时为锥螺纹切削。

3）加工锥角大于45°的锥度螺纹时，导程值认定在X 轴方向。

4）切削螺纹时不能改变主轴转速。

5）进给倍率、暂停键在切削螺纹时无效。

6）在螺纹切削开始和结束部分，由于伺服系统的滞后会造成螺距的变化，所以在加工螺纹时要分别加入导刀距离δ 和退刀距离δ。

图12-11　粗车外轮廓循环

7）使用该指令可切削连续螺纹。

（9）刀尖半径补偿G40、G41、G42

刀尖半径补偿指令用来自动补偿加工中由于刀尖半径所带来的加工误差。

1）使用该指令时需先在刀具偏置中给出刀尖半径R 值及按图12-11 所示给出刀尖方位号。

2）在加工程序中，首先要在定位段内指令G41 或G42，然后按工件轨迹指令。

3）需要在退刀程序段用指令G40 撤销刀尖半径补偿。

4）在同样切削情况下，因进给方向不同，指令方向也将随之改变，但不能在中途进行指令方向的改变。

5）在程序中，不能有连续两段或两段以上的无进给指令。

6）该指令为模态指令，在同一个方向的补偿中不能再次指令该指令。

7）如需改变补偿方向，需用G40 指令撤销原补偿指令后再指令新的补偿方向。

（10）复合固定循环G71、G72、G73、G70

在复合固定循环中，对零件的轮廓定义之后，即可完成从粗加工到精加工的全过程，使程序得到进一步简化。

G71 外圆粗车固定循环如图12-11 所示。

指令格式：

G71 U(Δd) R(e);

G71 P(ns) Q(nf) U(Δu) W(Δw) F(f) S(s) T(t);

从顺序号ns 到nf 的程序段，指定A 及B 间的移动指令。

Δd：吃刀量（半径指定），无符号。

切削方向依照AA′的方向决定，在另一个值指定前不会改变。

e：退刀量。本指定是状态指定，在另一个值指定前不会改变。

ns：精加工形状程序的第一个段号。

nf：精加工形状程序的最后一个段号。

Δu：X 方向精加工预留量的距离及方向。

Δw：Z 方向精加工预留量的距离及方向。

注意：

①Δu、Δw 精加工余量的正负判断：

②ns→nf 程序段中的F、S、T 功能，即使被指定也对粗车循环无效。

③零件轮廓必须符合X 轴、Z 轴方向同时单调增大或单调减少的要求；X 轴、Z 轴方向非单调时，ns→nf 程序段中第一条指令必须在X、Z 向同时有运动，如图12-12 所示。

图12-12　单调增大或单调减少

根据图12-13 编程：

图12-13　G71 指令编程应用图

G72、G73 的使用与G71 类似，这里不再重复。