数控机床坐标系

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1、第1章 数控编程基础第1章 数控编程基础1.1 数控加工的基本概念数控加工是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容。目前在制造业中数控加工已得到了广泛应用，并在制造业中已开始占据主导地位。数控机床是数控加工的执行单元，它是数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）的简称，是为了满足单件、小批、多品种自动化生产的需要而研制的一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的、以数字化控制为基本特征的柔性自动化机床，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。1.

2、1.1 数控与数控机床数控（Numerical Control，NC）是以数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，可以自动地对被加工工件进行加工。从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序（简称为数控程序），它是机床数控系统的应用软件。与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的。本书主要介绍数控程序的编制。1数控机床的组成与工作原理数控机床一般包括3个基本组成部分：控制系统、伺服系统及机床主体（如图1.1所示）。控制系统是数控

3、机床的核心，主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。控制系统是一种专用的计算机，它由硬件和软件组成，有些数控机床的控制系统就是将PC机配以控制系统软件而构成的。图1.1 数控机床的基本组成伺服系统的主要作用是根据控制系统发出的控制信号驱动执行元件运动。伺服系统由驱动装置和执行元件组成，其中常用的执行元件有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机3种。机床主体是加工运动的实际部件，包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支撑部件（如床身、立柱）等。有些数控机床还配备了特殊的部件，如刀库、自动换刀装置和托盘自动交换装置等。数控机床本体结构与传统机床相比

4、有很大的变化，普遍采用了滚珠丝杠、滚动导轨，传动效率更高。由于减少了齿轮的使用数量，使传动系统更为 简单。大多数数控机床还具有位置检测装置，用于检测实际的位移量。伺服系统中的位移比较环节就是对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值，调整控制信号，适时控制机床的运动位置。2数控机床的分类图1.2 典型数控车床的结构数控机床的分类方法有多种，如果从数控机床应用的角度分类，可分为数控车床、数控铣床、多轴数控铣床和加工中心等。（1）数控车床。数控车床的机床本体与普通车床在结构布局上相差不大（如图1.2所示）。在普通车床上能够完成的加工内容都可以在数控车床上完成，另外由于具有数控系统和伺服系统，

5、数控车床还能加工各种复杂的回转成形面。（2）数控铣床。典型的立式数控铣床如图1.3所示。其中主轴带动刀具旋转，且主轴箱可上下移动（Z轴），工作台可沿横向和纵向移动（X、Y轴）。二轴联动的数控铣床可以加工复杂的内外型轮廓和简单的型腔；具有复杂曲面的零件可以在三轴联动的数控铣床上加工。图1.3 典型的立式数控铣床结构（3）多轴数控铣床。如果使数控铣床的工作台和主轴箱实现围绕X、Y、Z坐标轴旋转的运动（分别为A、B、C轴），则就成了多轴（四、五坐标联动）数控铣床。如 图l.4所示的A向和B向的转动进给就构成了五轴数控铣床，它可以加工更为复杂的空间曲面。（4）加工中心。如果给数控铣床配上刀库和自动换刀

6、装置就构成了加工中心，如 图1.5所示为立式加工中心。加工中心的刀库可以存放数十把工具，由自动换刀装置进行调用和更换。工件在加工中心上的一次装夹可完成多项加工内容，生产效率与数控铣床相比大大提高。有些高端加工中心，不仅具有回转刀库，还具有交换托盘，当一个工件正在加工时，可以在交换托盘内装夹下一个工件。当前一个工件加工完毕，下一个将要加工的工件会自动移动到工作台上，从而节约了由于工件装夹而用机床的时间，提高了机床的有效加工时间。 图1.4 典型的多轴数控铣床结构 图1.5 立式加工中心的结构1.1.2 插补原理与控制系统1插补原理无论是简单的零件形状（由直线、圆弧等构成）还是包含复杂的曲线、曲面

7、的零件，都需要在给定的误差范围内离散成直线、圆弧等，才能实现数控加工。在数控机床上加工直线或圆弧等，实际上是数控装置根据有关的信息指令进行的“数据密化”工作。例如加工如图1.6所示的一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点A和终点B的坐标以及圆心O的坐标和半径R，如果要把该圆弧光滑地描绘出来，就必须在预定的插补误差范围内将圆弧段AB之间各点的坐标计算出来，再把这些点填补到A、B之间，这种“数据密化”工作就是插补，计算插补点的运算称为插补运算，实现插补运算的装置称为插补器。 由于数控装置具有插补运算的功能，所以只需记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧半

8、径、起点和终点坐标、顺时针和逆时针加工等信息，数控装置就能利用控制介质上的这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各插补点坐标计算出来，并根据脉冲当量换算成脉冲数，然后发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制并加工出直线和圆弧。图1.6 插补原理在数控系统中，常用的插补方法有逐点比较法、数字积分法、时间分割法等。现将数控系统中用得最多的方法逐点比较法的插补过程和直线圆弧插补运算方法简介如下。逐点比较法的插补原理可概括为“逐点比较，步步逼近”，分为以下4个步骤：（1）偏差判别：根据偏差值判断刀具当前位置与理想线段的相对位置，以确定下一步的走向。（2）坐标进给：根据判别结果，使刀具向X或Y方向移

9、动一步。（3）偏差计算：当刀具移到新位置时，再计算与理想线段间的偏差以确定下一步的 走向。（4）终点判别：判断刀具是否到达终点。未到终点，则继续进行插补。若已达终点，则插补结束。图1.7是应用逐点比较法插补原理进行直线插补的情形。机床在某一程序中要加工一条与X轴夹角为a的OA直线，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹并不是严格地走OA直线，而是一步一步地走阶梯折线，折线与直线的最大偏差不超过插补精度允许的范围，因此这些折线可以近似地认为是OA直线。当加工点在OA直线上方或在OA直线上，该点的偏差值，若在OA直线的下方，则偏差值，机床数控装置的逻辑功能，就是能够根据偏差值自动判别走步。当时朝+X方

10、向进给一步，当时，朝+Y方向进给一步，每走一步自动比较一下，边判别边走刀，刀具依次以折线O-1-2-3-4A逼近OA直线。就这样，从O点起逐点插补进给一直加工到A点为止，这种具有沿平滑直线分配脉冲的功能称为直线插补，实现这种插补运算的装置称为直线插补器。数控机床中，相对于每一个脉冲信号，机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量。在插补运算中，进给一步的移动量即一个脉冲当量，它是机床移动的最小移动量。有一些数控系统直接用脉冲当量数作为坐标计算单位。例如，当脉冲当量是0.001mm/脉冲时，要求向X轴正方向移动7.75mm，向Y方向移动14.89mm，用X7750Y14890表示。应用逐点比较法插补原

11、理进行圆弧插补的情形如图1.8所示。机床在某一程序中要加工半径为R的AB圆弧，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹也是一步一步地走阶梯折线，折线与圆弧的最大偏差不超过插补精度允许的范围，因此这些折线可以近似地认为是AB圆弧。当加工点在AB圆弧外侧或在AB圆弧上，偏差值（该点到原点O的距离与半径R的比值）；若该点在圆弧的内侧即偏差值。加工时，当时，朝-X方向进给一步；当时，朝+Y方向进给一步，刀具沿折线A-1-2-3-4B依次逼近圆弧，从起点A逐点穿插进给一直加工到B点为止。这种沿圆弧分配脉冲的功能称为圆弧插补，实现这种插补运算的装置称为圆弧插补器。一般的数控装置都具有直线和圆弧插补功能，一些高档

12、的数控系统还具有样条和NURBS插补功能，样条和NURBS插补特别适应高速数控加工。 图1.7 直线插补 图1.8 圆弧插补2控制系统随着电子技术的发展，数控（Numerical Control，NC）系统有了较大的发展，从硬件数控发展成计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）。CNC与NC系统的主要区别在于：CNC机床采用专用的或通用的计算机控制，系统软件安装于内存中，只要改变计算机的控制软件，就能实现一种新的控制方式。 计算机数控系统（CNC）是采用计算机元件与结构，并配备必要的输入/输出部件构成的。采用控制软件来实现加工程序存储、译码、插补运算、辅助动作

13、逻辑联锁以及其他复杂功能。 完整的CNC系统分为PC部分与NC部分。PC部分称为可编程控制器，它主要接收程序中辅助功能指令或操作控制面板的操作指令，控制各种辅助动作及其联锁等，并显示各种控制信号状态。NC部分称为数控部分，是CNC系统的核心，主要控制机床主运动和进给运动，它又可分为计算机部分、位置控制部分和数据输入/输出接口及外部设 备等。与通用计算机一样，NC的计算机部分由中央处理器（CPU）及存储数据与程序的存储器等组成。存储器分为系统控制软件存储器（ROM）、加工程序存储器及工作区存储器（RAM）。ROM中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入的，用来完成CNC系统的各项功能。数控机

14、床操作者将各自的加工程序存储在RAM中，以供数控系统用来控制机床加工工件。工作区存储器是系统程序执行过程中的活动场所，用于堆栈、参数保存、中间运算结果保存等。CPU执行系统程序，读取加工程序，经过加工程序段译码、预处理计算，然后根据加工程序段指令，进行实时插补与机床位置伺服控制，同时将辅助动作指令通过计算机送往机床，并接受通过计算机返回机床的各部分信息，以确定下一步操作。位置控制部分有两种，一种是进给位置控制，另一种是主轴位置伺服控制。两者均由位置控制单元、速度控制单元和进给或主轴伺服电动机组成。主轴位置伺服只用于主轴多点定向和螺纹切削。在一般切削时不需要位置控制，仅用速度控制就可以了。数据输

15、入/输出接口和外部设备用来实现数控系统与操作者之间的信息交换。操作者通过光电阅读器、磁盘驱动器、手动数据输入装置（键盘）、DNC（Direct Numerical Control，直接数字控制）以及以太网等将加工程序等输入数控系统，并通过显示器（CRT）显示已输入的加工程序以及其他信息，也可以将存储在数控系统的、经过修改并经实际加工检验的加工程序复制在磁盘或穿孔纸带上。数控系统是数控技术的关键。目前，数控系统正在发生根本性变革。在集成化方面，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化方面，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多种学科技术，实现了高速、高精度、高效控制，加工过程中可以自动修正

16、、调节和补偿各种参数以及在线诊断和智能化故障处理；在网络化方面，CAD/CAM与数控系统集成一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。1.1.3 数控加工的特点所谓数控加工就是用数控机床按照程序指令加工零件的方法，是伴随数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，数控加工的主要内容包括：在数控机床加工前，首先考虑操作内容和动作，如工步的划分和顺序、走刀路线、位移量和切削参数等，按规定的代码形式编排程序，再将程序输入到数控机床的数控系统中，使数控机床按所编程序运动，从而自动加工出所要求的零件轮廓。数控加工与普通机床加工相比具有以下特点： 加工的零件精度高、一致性好。数控机床在整体设计中

17、考虑了整机刚度和零件的制造精度，又采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。特别是有的数控机床具有加工过程自动监测和误差补偿等功能，因而能可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性。同时由于数控加工消除了操作者的主观误差，从而保证了零件加工的一致性，确保加工质量的稳定。 生产效率高。数控加工零件的装夹次数较少，一次装夹可加工出很多表面，省去了画线找正和检测等许多中间环节。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削时间的15%20%，而数控机床可达65%70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床甚至可达75%80%，加工复杂工件时，效率可提高510倍。有交换托盘的数控机床，几乎可以实现“零

18、时间”装夹。 特别适合加工复杂的轮廓表面。如在航空、汽车等行业普遍存在的复杂自由曲 面等。 数控机床是柔性制造系统的基础单元，有利于实现计算机辅助制造。目前在制造业领域中，CAD/CAM已经被广泛应用，数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础。数控机床是柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）的基础单元，它使用数字信息，可以方便地与计算机辅助设计系统以及其他流水线、自动控制系统联结，构成柔性制造系统。 初始投资大，加工成本高。数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，机床备件的价格也高；另外加工首件需要进行编程、调试程序和试加工，时间较长，从而使零件的加工

19、成本高于普通机床。1.2 数控编程的基本概念1.2.1 数控机床坐标系1标准坐标系的确定在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，目前国际上数控机床的坐标轴和运动方向均已实现标准化。掌握机床坐标系、编程坐标系、加工坐标系等概念，是具备人工设置机床加工坐标系的基础。（1）机床相对运动的规定。无论机床在实际加工中是工件运动还是刀具运动，在确定编程坐标时，一般看作是工件相对静止，而刀具运动这一原则可以保证编程人员在不确定机床加工零件时是刀具移向工件，还是工件移向刀具的情况下，都可以根据图纸或数模进行手工或自动数控编程。 为了确定

20、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，这个坐标系就是机床坐标系。数控机床上的标准坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系，如图1.9所示。图1.9 机床坐标系（2）机床坐标系的规定。在确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，然后确定X轴和Y轴，最后确定其他轴。机床某一零件运动的正方向，是指增大工件和刀具之间距离的 方向。 Z轴：Z轴的方向是由传递切削力的主轴确定的，与主轴轴线平行的坐标轴即是Z轴，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹

21、平面的方向为Z坐标方向。 X轴：X轴是水平轴，平行于工件的装夹面，且垂直于Z轴。这是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于工件旋转的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向。 Y轴：Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴。Y运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角笛卡儿坐标系来判断。 旋转坐标轴：围绕坐标轴X、Y、Z旋转的运动，分别用A、B、C表示。它们的正方向用右手螺旋法则判定，如图1.9所示。 附加轴：如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定第2组U、V、W坐标，第3组P、Q、R坐标。常见类型数控机床

22、的坐标系如图1.10图1.16所示。 图1.10 二轴数控车床的坐标系 图1.11 三轴数控铣床的坐标系 图1.12 带旋转头的四轴铣床的坐标系 图1.13 带旋转工作台头的四轴铣床的坐标系 图1.14 带旋转头和工作台的五轴铣床的坐标系 图1.15 带双旋转工作台的五轴铣床的坐标系图1.16 带双旋转头的五轴铣床的坐标系2工件坐标系工件坐标系是用于确定工件几何图形上各几何要素（点、直线和圆弧）的位置而建立的坐标系。工件坐标系的原点即是工件零点。选择工件零点时，最好把工件零点放在工件图的尺寸能够方便地转换成坐标值的地方。车床工件零点一般设在主轴中心线上，工件的右端面或左端面。铣床工件零点，一般

23、设在工件外轮廓的某个角上，进刀深度方向的零点，大多取在工件表面。工件零点的一般选用原则如下： 工件零点选在工件图样的尺寸基准上，这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少计算工作量。 能使工件方便地装夹、测量和检验。 工件零点尽量选在尺寸精度较高的工件表面上。这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。 对于有对称形状的几何零件，工件零点最好选在对称中心上。 1.2.2 数控编程的特征点 1机床原点与参考点机床原点是指机床坐标系的原点，即X=0，Y=0，Z=0。机床原点是机床的基本点，它是其他所有坐标，如工件坐标系、编程坐标系，以及机床参考点的基准点。从机床设计的角度看，该点位

24、置可以是任意点，但对某一具体机床来说，机床原点是固定的。数控车床的原点一般设在主轴前端的中心（如图1.17所示）。数控铣床的原点位置各生产厂家不一致，有的设在机床工作台中心，有的设在进给行程范围的终点（如图1.18所示）。机床参考点是用于对机床工作台、滑板以及刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点，有时也称机床零点。它是在加工之前和加工之后，用控制面板上的回零按钮使移动部件退回到机床坐标系中的一个固定不变的极限点。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，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。数控机床在工作时，移动部件必须首先返回参考点，

25、测量系统置零之后即可以参考点作为基准，随时测量运动部件的位置，刀具（或工作台）移动才有基准。 图1.17 车床的机床原点 图1.18 铣床的机床原点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。数控车床的参考点与机床原点如图1.19所示。图1.19 数控车床的参考点与机床原点2编程原点编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时，不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置，如图1.20所示，其中O2即为编程坐标系原点。图1.20 编程坐标系和编程原点为了编程方便，需要在图纸上选择一个适当的位置

26、作为编程原点，即程序原点或程序零点。对于简单零件，工件零点一般就是编程原点，这时的编程坐标系就是工件坐标系。而对于形状复杂的零件，需要编制几个程序或子程序。为了编程方便和减少坐标值的计算，编程原点就不一定设在工件零点上，而设在便于程序编制的位置。3对刀点对刀点就是在数控加工时，刀具相对于工件运动的起点（编制程序时，不论实际是刀具相对于工件运动，或是工件相对于刀具运动，都看作工件是相对静止的，而刀具在运动），程序就是从这一点开始的。对刀点也可以称为“程序起点”或“起刀点”。编制程序时应首先考虑对刀点的位置选择。选定的原则如下： 选定的对刀点位置应使程序编制简单。 对刀点在机床上找正容易。 加工过

27、程中检查方便。 引起的加工误差小。 对刀点可以设在被加工零件上，也可以设在夹具上，但是必须与零件的定位基准有一定的坐标尺寸联系，这样才能确定机床坐标系与零件坐标系的相互关系。对刀点不仅是程序的起点而且往往又是程序的终点。因此在批量生产中就要考虑对刀的重复精度，通常，对刀的重复精度在绝对坐标系统的数控机床上可由对刀点距机床原点的坐标值来校核，在相对坐标系统的数控机床上，则经常要人工检查对刀精度。4原点偏置 当工件在机床上固定以后，程序原点与机床参考点的偏置量必须通过测量来确定。现代CNC系统一般都配有工件测量头，在手动操作下能准确地测量该偏移量，存入G54到G59原点偏置寄存器中，供CNC系统原

28、点移置计算用。在没有工件测量头的情况下，程序原点位置的测量要靠对刀的方式进行。 图1.21描述了一次装夹加工两个相同零件的多程序原点与机床参考点之间的关系及偏移计算方法。采用G54到G59实现原点偏移的有关指令为： 图1.21 原点偏置N01 G90 G54 /*加工第一个零件N02 G55 /*加工第二个零件当然首先要设置G54到G56原点偏置寄存器： 零件1：G54 X10.0Y15.0Z0.0 零件2：G55 X55.0Y40.0Z0.0 显然，对于多程序原点偏移，采用G54到G59原点偏置寄存器存储所在程序原点与机床参考点的偏移量，然后在程序中直接调用G54到G59进行原点偏移，无疑给

29、编制复杂零件的加工程序带来很大方便。实现原点偏置的另一种方法是采用G92。在使用绝对坐标指令编程时，需要建立工件坐标系，以确定绝对坐标的原点（即程序原点）。建立工件坐标系后，就可以确定刀具当前点在工件坐标系中的坐标值。G92可以实现工件坐标系的设定，其格式为：G92 X_Y_Z_，X_Y_Z_为刀具在工件坐标系中的当前位置，如图1.22所示的指令为G92X50.0Y80.0Z80.0。因此G92指令是通过设定刀具起点相对于工件坐标系原点的相对位置建立工件坐标系，G92指令将该坐标值寄存在数控系统的存储器内，执行G92指令只是建立在工件坐标系中刀具起点相对于程序原点的位置，刀具并不产生运动，即X

30、、Y、Z轴均不运动，但机床显示器上的坐标值发生变化，该坐标系在机床重开机时消失。例如在图1.21中通过调零，使机床回到机床参考点，刀具中心对准机床零点，显示器中显示的各轴坐标值均为零，执行G92X-10.0Y-15.0Z0.0后，建立了工件1的工件坐标系，刀具中心（机床参考点）位于工件坐标系的X=-10.0，Y=-15.0，Z=0.0处，刀具相对于机床的位置没有改变，但显示器中的坐标值为X=-10.0，Y=-15.0，Z=0.0，在该指令以后的程序中，凡是绝对尺寸指令中的坐标值均为点在工件1的工件坐标系的坐标。在图1.21中，采用G92实现原点偏置的指令为：图1.22 采用G92实现原点偏置N

31、0l G90 /*绝对坐标编程，刀具位于机床参考点 N02 G92X-10.0Y-15.0Z0.0 /*将程序原点定义在第一个零件上的工件原点 /*加工第一个零件N08 G00X0Y0 /*快速回程序原点 N09 G92X-45.0Y-25.0Z0.0 /*将程序原点定义在第二个零件上的工件原点 /*加工第二个零件N12 G00X0Y0 /*快速回程序原点 这里应注意比较G92与G54到G59指令之间的差别和不同的使用方法。G92指令须后续坐标值指定当前工件坐标值，因此须单独一个程序段指定，尽管该程序段中有位置指令值，但并不产生运动。另外，在使用G92指令前，必须保证机床处于加工起始点，该点称

32、为对刀点。对于编程员而言，一般只要知道工件上的程序原点即可，与机床原点、机床参考点及装夹原点无关。但对于机床操作者来说，必须分清楚所选用的数控机床上述各原点及其之间的偏移关系。数控机床的原点偏移，实质上是机床参考点向编程员定义在工件上的程序原点的偏移。 5机床加工坐标系设定的实例 下面以数控铣床（控制系统为FANUC 0M）加工坐标系的设定为例，说明工作步骤，使读者对数控加工中的坐标系以及上述提到的基本概念有一个综合性的理解。如图1.23所示是被加工零件图样，在确定了编程原点位置后，可按以下方法进行加工坐标系设定。图1.23 机床加工坐标系设定零件图样（1）准备工作。机床返回参考点，确认机床坐

33、标系。（2）装夹工件毛坯。通过夹具使零件定位，并使工件定位基准面与机床运动方向一致。（3）对刀测量。用简易对刀法测量，方法如下：用直径为的标准测量棒、塞尺对刀，得到测量值为X=-437.726，Y=-298.160，如图1.24所示。Z=-31.833，如图1.25所示。 图1.24 X、Y向的对刀 图1.25 Z向的对刀（4）计算设定值。按图1.24所示，将前面已测得的各项数据，按设定要求运算。X坐标设定值：X=-437.726+5+0.1+40=-392.626mm其中：-437.726mm为X坐标显示值，+5mm为测量棒半径值，+0.1mm为塞尺厚度，+40.0为编程原点到工件定位基准面

34、在X坐标方向的距离。Y坐标设定值：Y=-298.160+5+0.1+46.5=-246.46mm其中：按照图1.24所示，-298.160mm为Y坐标显示值；+5mm为测量棒半径值；+0.1mm为塞尺厚度；+46.5为编程原点到工件定位基准面在Y坐标方向的距离。Z坐标设定值：Z=-31.833-0.2=-32.033mm其中：-31.833为坐标显示值；-0.2为塞尺厚度，如图1.25所示。通过计算，结果为：X=-392.626，Y=-246.460，Z=-32.033。（5）设定加工坐标系。将开关放在MDI方式下，进入加工坐标系设定页面。输入数据为：X=-392.626，Y=-246.460

35、，Z=-32.033。这表示加工原点设置在机床坐标系的X=-392.626，Y=-246.460，Z=-32.033的位置上。（6）校对设定值。在进行了加工原点的设定后，为防止出错应进一步校对设定值，以保证参数的正确性。校对工作的具体过程如下：在设定了G54加工坐标系后，再进行回机床参考点操作，其显示值为：X=+392.626，Y=+246.460，Z=+32.033。这说明在设定了G54加工坐标系后，机床原点在加工坐标系中的位置为：X=+392.626，Y=+246.460，Z=+32.033。这反过来也说明G54的设定值是正确的。有关数控机床的调整可参阅1.4节。1.3 基本指令和手工编程

36、1.3.1 基本指令数控机床在加工过程中的动作，都是事先由编程人员在程序中用指令的方式予以规定的。例如机床的启停、正反转、刀具的走刀路线的方向，粗、精切削走刀次数的划分，加工过程中测量位置的安排，必要的停留等。这种控制机床动作的指令称为工艺指令，工艺指令可分为两类：一类是准备功能指令G指令，这类指令是在数控系统插补运算之前需要预先规定，为插补运算作好准备的功能指令，如刀具运动的坐标平面，插补类型（直线插补还是圆弧插补）等；另一类是辅助功能指令M指令，这类指令与数控系统插补运算无关，它是根据操作机床的需要予以规定的工艺指令，如主轴的启动与停止、计划停止、主轴转向以及冷却液开关等。G代码和M代码是

37、数控加工程序中描述零件加工过程的各种操作和运行特征的基本单元，是程序的基础。 国际上广泛应用的ISO10561975E标准规定了G代码和M代码。我国根据ISO标准制定了JB 320883数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码标准，如表1.1、表1.2所示。需要注意的是，即使国内生产的数控系统也没有完全遵照这个标准来规定G、M指令，更不用说从国外进口的数控机床，用户在编程时必须遵照机床编程系统说明书。表1.1 JB 320883准备功能G代码代 码功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替功能仅在所出现的程序段内有作用功 能（1）（2）（3）（4）G00a点定位G01a直线

38、插补G02a顺时针方向圆弧插补G03a逆时针方向圆弧插补G04*暂停G05#不指定G06a抛物线插补G07#不指定G08*加速G09*减速续表代 码功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替功能仅在所出现的程序段内有作用功 能G10G16#不指定G17cXY平面选择G18cZX平面选择G19cYZ平面选择G20G32#不指定G33a螺纹切削，等螺距G34a螺纹切削，增螺距G35a螺纹切削，减螺距G36G39#永不指定G40d刀具补偿/刀具偏置，注销G41d刀具补偿-左G42d刀具补偿-右G43#（d）#刀具偏置-正G44#（d）#刀具偏置-负G45#（d）#刀具偏置+/+G46#（d）#

39、刀具偏置+/-G47#（d）#刀具偏置-/-G48#（d）#刀具偏置-/+G49#（d）#刀具偏置0/+G50#（d）#刀具偏置0/-G51#（d）#刀具偏置+/0G52#（d）#刀具偏置-/0G53f直线偏移，注销G54f直线偏移XG55f直线偏移YG56f直线偏移ZG57f直线偏移XYG58f直线偏移XZG59f直线偏移YZG60h准确定位1（精）G61h准确定位2（中）G62h快速定位（粗）G63*攻螺纹G64G67#不指定G68#(d)#刀具偏置，内角G69#(d)#刀具偏置，外角G70G79#不指定续表代 码功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替功能仅在所出现的程序段内有作

40、用功 能G80e固定循环注销G81G89e固定循环G90j绝对尺寸G91j增量尺寸G92*预置寄存G93k时间倒数，进给率G94k每分钟进给G95k主轴每转进给G96I恒线速度G97I每分钟转数（主轴）G98G99#不指定注：（1）号表示如选作特殊用途，必须在程序格式说明中说明。（2）如在直线切削控制中没有刀具补偿，用G43到G52可指定作其他用途。（3）在表中左栏括号中的字母（d）表示可以被同栏中没有括号的字母d注销或代替，也可被有括号的字母（d）注销或代替。（4）G45到G52的功能可用于机床上任意两个预定的坐标。（5）控制机上没有G53G59、G63功能时，可以指定作其他用途。表1.2

41、JB 320883辅助功能M代码代 码功能开始时间功能保持到被注销或被适当程序指令代替功能仅在所出现的程序段内有作用功 能与程序段指令运动同时开始在程序段指令运动完成后开始M00*程序停止M01*计划停止M02*程序结束M03*主轴顺时针方向M04*主轴逆时针方向M05*主轴停止M06#*换刀M07*2号冷却液开M08*1号冷却液开M09*冷却液关M10#*夹紧M11#*松开M12#不指定M13*主轴顺时针方向，冷却液开续表代 码功能开始时间功能保持到被注销或被适当程序指令代替功能仅在所出现的程序段内有作用功 能与程序段指令运动同时开始在程序段指令运动完成后开始M14*主轴逆时针方向，冷却液开

42、M15*正运动M16*负运动M17M18#不指定M19*主轴定向停止M20M29#永不指定M30*程序结束M31#*互锁旁路M32M35#不指定M36*#进给范围1M37*#进给范围2M38*#主轴速度范围1M39*#主轴速度范围2M40M45#如有需要作为齿轮换档，此外不指定M46M47#不指定M48*注销M49M49#进给率修正旁路M50#3号冷却液开M51#4号冷却液开M52M54#不指定M55*#刀具直线位移，位置1M56*刀具直线位移，位置2M57M59#不指定M60*更换工作M61*工件直线位移，位置1M62*工件直线位移，位置2M63M70#不指定M71*工件角度位移，位置1M7

43、2*工件角度位移，位置2M73M89#不指定M90M99#永不指定注：（1）#号表示如选作特殊用途，必须在程序说明中说明。*号表示可选项。（2）M90M99可指定为特殊用途。1.3.2 手工编程数控程序的格式因各类数控机床的控制器不同而有一些不同。在编程之前，程序员应了解该机床编程手册中的各项规则，严格按照规则进行编程。1程序的格式一个完整的数控程序应由程序号开始，后接程序的内容并由程序结束符结束。例如：% 0001 /*程序号N010G92X60Y40Z0 /*程序内容N020G91G00X30T01S600M03N030G01X20Y-10Z5F150N040X10N050X30Y20N0

44、60G00X40N070M02/*程序结束其中： 程序号：程序号是程序的开始符。为了区分存储器中的多个程序，每个程序必须以程序号开始。程序号一般由英文字母O、P、%或：等作为编号地址，后接数字。随各数控机床的控制器不同，所采用的编号地址会有不同，可参考机床的编程手册。 程序内容：程序内容表达了被加工零件的加工过程指令，包括准备功能、刀具运动轨迹坐标及各种辅助指令等，是程序的主要部分。它由多个程序段组成，每个程序段由一个到多个指令构成。 程序结束：辅助指令M02或M30表示整个程序的结束。2程序段的格式整个数控程序是由若干个程序段组成，每个程序段又是由一个或若干个“字”地址组成。所谓“字”是由表

45、示地址的字母、数字和符号组成。它表示控制数控机床执行一定的功能指令。目前国内常用的是字地址可变程序段格式，所谓可变程序段就是其程序段的长度是可变的。一个程序段是以程序段号开始，后接功能指令并由程序结束符结束。字地址程序段的格式如下所示：例如：N010 G01 X20 Y30 Z-10 F150 S500 T01 M30上面的程序段是由8个字地址组成的，其中包括： 程序段顺序号字：表示程序段的顺序号，例如字地址N010，它由字母N开头，后接若干位数字表示，其号码范围不同的机床是不一样的，如可以为N0001N9999，前零可以省略，顺序号的增量由用户定义，如增量为1，也可以为10等，便于程序段的增

46、加。大多数的数控系统都可以省略程序段顺序号，这样可以节省控制系统的内存，程序的执行也不按照程序段顺序号，只是按程序的顺序，但有程序段顺序号可以方便程序的阅读，所以在手工编程时建议采用有间隔的顺序号。 准备功能字G：G功能表示该数控机床作好某种操作准备的指令，用字地址G后接两位数字组成，有G00G99共100种指令。例如G01表示准备功能中的直线插补。 尺寸字：由字地址、“+”、“-”符号以及绝对值或增量值组成。尺寸字的字地址按机床坐标轴中的直线和旋转坐标轴符号，其尺寸字地址码的含义如表1.3所示。例如X30 Y20 Z-10表示机床坐标轴在X、Y、Z3个方向直线运动的距离分别为30mm、20m

47、m和-10mm，有的数控机床用脉冲数表示机床运动的距离，如脉冲当量是0.001mm/脉冲，则上述数控程序可写为X30000 Y20000 Z-10000，表示机床坐标轴在X、Y、Z3个方向直线运动的距离分别为30000、20000和-10000个脉冲，也就是分别为30mm、20mm和-10mm。尺寸字的“+”一般可以省略。表1.3 尺寸字地址码的含义字 地 址 码功 能X、Y、ZX、Y、Z坐标轴方向的运动U、V、W平行于X、Y、Z坐标轴方向的第二坐标轴P、Q、R平行于X、Y、Z坐标轴方向的第三坐标轴A、B、C绕X、Y、Z坐标轴的转动轴I、J、K圆弧中心坐标D、H补偿号 进给功能字F：表示刀具进

48、给速度，由字地址F后接若干位数字构成，该数字的单位按不同控制系统的规定。例如F150可表示切削速度为150mm/min。 主轴转速功能字S：表示主轴转速，由字地址S后接若干数字构成，其单位一般为r/min，例如S500表示主轴转速500r/min。 刀具功能字T：表示所指定的刀号，由字地址T后接若干位数字组成，数字的位数由系统决定。例如T01表示1号刀具。 辅助功能字M：表示机床的辅助功能指令，由字地址M后接若干数字组成，例如M03是辅助功能中的主轴顺时针转动。 程序段结束符：位于每一程序段结束之后，表示该段程序段结束。当用EIA标准代码时，结束符为“CR”，当用“ISO”标准代码时，为“NL

49、”或“LF”，有的用“；”、“$”和“*”等符号表示。需要注意的是代码的作用域，数控加工的代码分为： 非模态代码（又称一次性代码）：它只在所在的程序行中起作用，如G04。 模态代码（又称续效代码）：指一旦被执行，则一直到同一组的代码出现或被取消为止都有效的代码，具有继承性。如G01，一旦被执行，在下面的程序中一直有效，因此下面的程序行中G01可以省略，一直到G02（顺时针方向圆弧插补）等代码出现为止。X、Y、Z等坐标值以及F等代码也具有这种继承性。表1.1中序号（2）栏中标有字母的所对应的G代码为模态代码，字母相同的为一组。模态代表该代码已经在一个程序中指定（如a组中的G01），直到出现同组（

50、a组）的另一个代码（如G02）时才失效；没有字母的表示G代码为非模态代码，只在写有该代码程序段中才有效。表1.1中序号（4）栏中的“不指定”代码，用作后来修改标准时指定新功能；“永不指定”代码指的是即使修改标准时，也不指定新的功能。这两类代码可由机床的设计者根据需要定义新的功能，但必须在机床说明书中予以说明。3常用准备功能与辅助功能（1）准备功能。常用的G指令如下： G90、G91：在加工程序中，尺寸指令有绝对坐标（G90）和相对坐标（G91）两种编程表达方法，绝对坐标编程指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出，如图1.26（a）所示。相对坐标编程指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置

51、给出，如图1.26（b）所示。这种表达方式的特点是同一条程序段中只能用一种，不能混用。（a）绝对坐标编程 （b）相对坐标编程图1.26 绝对和相对坐标编程 G92：上面所述的G92为预置寄存指令，预置寄存指令是按照程序规定的尺寸字值，通过当前刀具所在位置来设定加工坐标系的原点，这一指令不产生机床运动。G92编程格式如下：G92 X Y Z 程序中X、Y、Z的值是当前刀具位置相对于加工原点位置的值。需要注意的是这种方式设置的加工原点是随着刀具当前位置（起始位置）的变化而变化的。 G17、G18、G19：为坐标平面选择指令，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

52、示选择ZX平面，G19表示选择YZ平面，各坐标平面的选择如图1.27所示。一般地，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1.27 坐标平面选择 G00：快速定位点指令。表示以点位方式控制刀具从所在的位置快速移动到下一个目标位置，由于点定位以快速进给进行，所以无须用F码指定进给速度。G00格式如下：G00X Y Z 例如G00X10Y0Zl00，使刀具快速移动到（10，0，100）的位置。 G01：直线插补指令。表示机床在某个平面内切削任意斜率的直线或用直线逼近的曲线，需要指定进给速度，G01和F都是模态指令。G01格式如下：G01X Y Z F 例如G01X10Y0Zl

53、00F120，即刀具从当前位置以120mm/min的速度移动到（10，0，100）的位置。 G02、G03：分别为顺时针（CLW）、逆时针（CCLW）圆弧插补指令。从垂直坐标轴的正方向看工作面时，相对工件的刀具轨迹曲线为顺时针方向，使用圆弧插补指令之前必须应用平面选择指令（G17、G18和G19）指定圆弧插补的平面（如图1.28所示）。图1.29是判断圆弧插补是顺时针还是逆时针的例子。G02和G03都是模态指令，其格式有以下几种： 在XY平面上的圆弧插补：G17G02X Y I J G17G03X Y I J 在ZX平面上的圆弧插补：G18G02X Z I K G18G03X Z I K 在Y

54、Z平面上的圆弧插补：G19G02Y Z J K G19G03Y Z J K 图1.28 圆弧插补指令 图1.29 圆弧插补的顺/逆时针的判定其中X、Y、Z在绝对坐标系编程时表示圆弧终点坐标，在相对坐标系编程时表示圆弧终点相对于圆弧起点坐标。I、J、K是圆心在X、Y、Z轴相对于圆弧起点的坐标。图1.30所示的圆弧插补程序为：G17 G90 G03 X20.0 Y40.0 I-30.0 J-10.0 F100（绝对坐标编程）G17 G91 G03 X-20.0 Y20.0 I-30.0 J-10.0 F100（相对坐标编程）图1.31所示的整圆弧插补程序为（A为起点）：G17 G90 G02 X3

55、0.0 Y0 I-30.0 J0 F100（绝对坐标编程）G17 G91 G02 X0 Y0 I-30.0 J0 F100（相对坐标编程）圆弧插补的另一种格式是用圆弧半径R代替带正负号的I、J、R，当圆弧的夹角，R为正值；当圆弧的夹角，R为负值，但不能表示整圆，需要分开编程。用这种格式表示图1.30的圆弧插补程序为：图1.30 圆弧插补编程 图1.31 整圆弧加工编程G17 G90 G03 X20.0 Y40.0 R31.623 F100（绝对坐标编程）G17 G91 G03 X-20.0 Y20.0 R31.623 F100（相对坐标编程）圆弧插补还有其他一些格式，需要查阅相关的编程手册。图

56、1.32 刀具半径补偿 G04：暂停指令。根据暂停计时器预先给定的暂停时间停止进给，暂停以后读入下一个程序段。不同的数控装置的暂停时间不同，一般为0.110秒之间。 G40、G41、G42：刀具半径补偿指令。使用刀具补偿指令，只需在控制面板输入刀具半径，数控装置便能自动计算出刀具中心轨迹，并按刀具中心轨迹运动，编程人员只需按零件轮廓编程即可。如果由于刀具磨损或刀具重磨后，刀具半径变小，只需手工输入改变后的刀具半径，而不必修改已编好的程序。在用同一把刀具进行粗、精加工时，设精加工的余量为t，则粗加工的补偿量为（R+t），而精加工的补偿量改为R即可（如图1.32所示）。本项指令中G41表示将刀具根

57、据指定值偏移到移动方向的左侧（如图1.33所示）。G42表示将刀具根据指定值偏移到移动方向的右侧（如图1.34所示）。G40表示注销刀具半径补偿，使G41、G42无效。其格式如下：图1.33 左偏刀具半径补偿图1.34 右偏刀具半径补偿G17 G41，G42，G40 G00，G01 X Y D F G18 G41，G42，G40 G00，G01 X Z D F G19 G41，G42，G40 G00，G01 Y Z D F 代表其内选一指令，D后接刀补号，如D01表示在刀补内存表中第一号刀具的半径，半径值预先输入在刀补表中内存的一号位置上。刀具补偿指令工作过程如下：图1.35、图1.36、图1.37表示了刀具半径补偿的工作过程。其中，实线表示编程轨迹，点划线表示刀具中心轨迹，r等于刀具半径，表示偏移向量。 刀具半径补偿建立时，一般是直线且为空行程，以防过切。以G42为例，其刀具半径补偿建立如图1.35所示。图1.35 建立刀具半径补偿 刀具半径补偿一般只能平面补偿，其补偿运动情况如图1.36所示。图1.36 刀具半径补偿运动 刀具半径补偿结束用G40撤销，撤销时同样也要防止过切，如图1.37所示。图1.37 撤销刀具半径补偿还应当注意的是： 建立补偿的程序段，必须是在补偿平面内不