认识数控车床加工程序

第二节　认识数控车床加工程序

【工作任务】

分析下列程序（加工中使用的刀具为93°外圆偏刀），完成表1-1的填写。

O0050；（PROGRAM　NAME-50）

N10　G90　G99　G40　G21　F0.3；

N20　T0101；

N30　M03　S500　M08；

N40　G00　X100.0　Z50.0；

N50　G00　X52.0　Z5.0；

N60　　　　Z0.0；

N70　G01　X-2.0　F0.25　S800；

N80　G01　Z5.0　F0.25；

N90　G00　X52.0；

N100　　　X48.0；

N110　G01　Z-25.0；

N120　　　X52.0；

/N130　G00　Z5.0；

N140　　　　Z50.0；

N150　M30；

表1-1　分析程序

【相关理论】

一、数控编程

1.数控编程的定义

为了使数控机床能根据零件加工的要求进行动作，必须将这些要求以机床数控系统能识别的指令形式告知数控系统，这种数控系统可以识别的指令称为程序，制作程序的过程称为数控编程。

数控编程的过程不仅仅指编写数控加工指令代码的过程，它还包括从零件分析到编写加工指令代码再到制成控制介质以及程序校核的全过程。在编程前首先要进行零件的加工工艺分析，确定加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）以及各项辅助功能（换刀、主轴正反转、切削液开关等）；接着根据数控机床规定的指令代码及程序格式编写加工程序单；再把这一程序单中的内容记录在控制介质上（如软磁盘、移动存储器、硬盘），检查正确无误后采用手工输入方式或计算机传输方式输入数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。

2.数控编程的分类

数控编程可分为手工编程和自动编程两种。

（1）手工编程　手工编程是指编制加工程序的全过程，即图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、制作控制介质、程序校验都是由手工来完成。

手工编程不需要计算机、编程器、编程软件等辅助设备，只需要有合格的编程人员即可完成。手工编程具有编程快速及时的优点，但其缺点是不能进行复杂曲面的编程。手工编程比较适合批量较大、形状简单、计算方便、轮廓由直线或圆弧组成的零件的加工。对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件，采用手工编程比较困难，最好采用自动编程的方法进行编程。

（2）自动编程　自动编程是指用计算机编制数控加工程序的过程。

自动编程的优点是效率高，程序正确性好。自动编程由计算机代替人完成复杂的坐标计算和书写程序单的工作，它可以解决许多手工编制无法完成的复杂零件编程难题，但其缺点是必须具有自动编程系统或编程软件。自动编程较适合于形状复杂零件的加工程序编制，如模具加工、多轴联动加工等场合。

采用CAD/CAM软件自动编程与加工的过程为：图样分析、零件造型、生成刀具轨迹、后置处理生成加工程序、程序校验、程序传输并进行加工。

3.数控手工编程的内容与步骤

编程步骤如图1-14所示，主要有以下几个方面的内容：

图1-14　数控编程的步骤

（1）分析图样　分析图样包括零件轮廓分析，零件尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、技术要求的分析，零件材料、热处理等要求的分析。

（2）确定加工工艺　确定加工工艺的内容包括选择加工方案，确定加工路线，选择定位与夹紧方式，选择刀具，选择各项切削参数，选择对刀点、换刀点等。

（3）数值计算　数值计算包括选择编程坐标系原点，对零件轮廓上各基点或节点进行准确的数值计算，为编写加工程序单做好准备。

（4）编写程序单　根据数控机床规定的指令及程序格式编写加工程序单。

（5）制作控制介质　简单的数控加工程序可直接通过键盘进行手工输入。当需要自动输入加工程序时，必须预先制作控制介质。现在大多数程序采用软盘、移动存储器、硬盘作为存储介质，采用计算机传输进行自动输入。

（6）校验程序　加工程序必须经过校验并确认无误后才能使用。程序校验一般采用机床空运行的方式进行，有图形显示功能的机床可直接在CRT显示屏上进行校验，另外还可采用计算机数控模拟等方式进行校验。

4.数控车床编程特点

（1）混合编程　在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对或增量方式编程，也可采用两者混合编程。在SIEMENS（西门子）系统中用G90/G91指令来指定绝对尺寸与增量尺寸，而在某些数控系统（如FANUC）中则规定直接用地址符U、W分别指定X、Z坐标轴上的增量值。

（2）径向尺寸以直径量表示　由于被车削零件的径向尺寸在图样标注和测量时均采用直径尺寸表示。所以在直径方向编程时，X（U）通常以直径量表示。如果要以半径量表示，则通常要用相关指令在程序中进行规定。

（3）径向加工精度高　为提高工件的径向尺寸精度，X向的脉冲当量取Z向的1/2。

（4）固定循环简化编程　由于车削加工时常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较多，为了简化编程，数控系统采用了不同形式的固定循环，便于进行多次重复循环切削。

（5）刀尖圆弧半径补偿　在数控编程时，常将车刀刀尖看作一个点，而实际的刀尖通常是一个半径不大的圆弧。为了提高工件的加工精度，在编制采用圆弧形车刀的加工程序时，常采用G41或G42指令来对车刀的刀尖圆弧半径进行补偿。

（6）采用刀具位置补偿　数控车床的对刀操作及工件坐标系的设定通常采用刀具位置补偿的方法进行。

二、数控加工程序的格式

每一种数控系统，根据系统本身的特点与编程的需要，都规定有一定的程序格式。对于不同的机床，其程序格式也不同。因此，编程人员必须严格按照机床（系统）说明书规定的格式进行编程。但加工程序的基本格式是相同的。

1.程序的组成

一个完整的程序由程序号、程序内容和程序结束三部分组成，如下所示：

（1）程序号　每一个存储在系统存储器中的程序都需要指定一个程序号以相互区别，这种用于区别零件加工程序的代号称为程序号。

注意

程序号写在程序的最前面，必须单独占一行。同一数控系统中的程序号（名）不能重复。

FANUC系统程序号的书写格式为O××××，其中O为地址符，其后为四位数字，数值从O0000到O9999，在书写时其数字前的零可以省略不写，如O0020可写成O20。

（2）程序内容　程序内容是整个加工程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令字构成，它表示数控机床中除程序结束外的全部动作。

（3）程序结束　程序结束由程序结束指令构成，它必须写在程序的最后。

可以作为程序结束标记的M指令有M02和M30，它们代表零件加工程序的结束。为了保证最后程序段的正常执行，通常要求M02/M30单独占一行。

此外，子程序结束的结束标记因不同的系统而各异，如FANUC系统中用M99表示子程序结束后返回主程序；而在SIEMENS系统中则通常用M17、M02或字符“RET”作为子程序的结束标记。

2.程序段的组成

（1）程序段的基本格式　程序段格式是指在一个程序段中，字、字符、数据的排列、书写方式和顺序。

程序段是程序的基本组成部分，每个程序段由若干个地址字构成，而地址字又由表示地址的英文字母、特殊文字和数字构成，如X30、G71等。通常情况下，程序段格式有可变程序段格式、使用分隔符的程序段格式、固定程序段格式三种。本节主要介绍当前数控机床上常用的可变程序段格式。其格式如下：

例　N50 G01 X30.0 Z30.0 F100 S800 T01 M03；

（2）程序段号与程序段结束　程序段由程序段号N××开始，以程序段结束标记“CR（或LF）”结束，实际使用时，常用符号“；”或“＊”表示“CR（或LF）”，本书中一律以符号“；”表示程序段结束。

N××为程序段号，由地址符N和后面的若干位数字表示。在大部分系统中，程序段号仅作为“跳转”或“程序检索”的目标位置指示。因此，它的大小及次序可以颠倒，也可以省略。程序段在存储器内以输入的先后顺序排列，而程序的执行是严格按信息在存储器内的先后顺序逐段执行，也就是说，执行的先后次序与程序段号无关。但是，当程序段号省略时，该程序段将不能作为“跳转”或“程序检索”的目标程序段。

程序段的中间部分是程序段的内容，主要包括准备功能字、尺寸功能字、进给功能字、主轴功能字、刀具功能字、辅助功能字等，但并不是所有程序段都必须包含这些功能字，有时一个程序段内可仅含有其中一个或几个功能字，如下列程序段所示。

例　N10 G01 X100.0 F100；

　　N80 M05；

程序段号也可以由数控系统自动生成，程序段号的递增量可以通过“机床参数”进行设置，一般可设定增量值为10，以便在修改程序时方便进行“插入”操作。

（3）程序的斜杠跳跃　有时，在程序段的前面编有“/”符号，该符号称为斜杠跳跃符号，该程序段称为可跳跃程序段。如下列程序段：

例　/N10 G00 X100.0；

这样的程序段，可以由操作者对程序段和执行情况进行控制。当操作机床并使系统的“跳过程序段”信号生效时，程序在执行中将跳过这些程序段；当“跳过程序段”信号无效时，该程序段照常执行，即与不加“/”符号的程序段相同。

（4）程序段注释　为了方便检查、阅读数控程序，在许多数控系统中允许对程序段进行注释，注释可以作为对操作者的提示显示在屏幕上，但注释对机床动作没有丝毫影响。FANUC系统的程序注释用“（　）”括起来，而且必须放在程序段的最后，不允许将注释插在地址和数字之间。如下列程序段所示：

三、数控系统常用的功能

数控系统常用的功能有准备功能、辅助功能、其他功能三种，这些功能是编制加工程序的基础。

1.准备功能

准备功能又称G功能或G指令，是数控机床完成某些准备动作的指令。它由地址符G和后面的两位数字组成，从G00～G99共100种，如G01、G41等。目前，随着数控系统功能不断增加等原因，有的系统已采用三位数的功能指令，如SIEMENS系统中的G450、G451等。

从G00～G99虽有100种G指令，但并不是每种指令都有实际意义，有些指令在国际标准（ISO）及我国机械工业部相关标准中并没有指定其功能，即“不指定”，这些指令主要用于将来修改其标准时指定新的功能。还有一些指令，即使在修改标准时也永不指定其功能，即“永不指定”，这些指令可由机床设计者根据需要自行规定其功能，但必须在机床的出厂说明书中予以说明。

2.辅助功能

辅助功能又称M功能或M指令。它由地址符M和后面的两位数字组成，从M00～M99共100种。

辅助功能主要控制机床或系统的各种辅助动作，如机床/系统的电源开、关，切削液的开、关，主轴的正、反、停及程序的结束等。

因数控系统及机床生产厂家的不同，其G/M指令的功能也不尽相同，甚至有些指令与ISO标准指令的含义也不相同。因此，在进行数控编程时，一定要严格按照机床说明书的规定进行。

在同一程序段中，既有M指令又有其他指令时，M指令与其他指令执行的先后次序由机床系统参数设定，因此，为保证程序以正确的次序执行，有很多M指令如M30、M02、M98等最好以单独的程序段进行编程。

3.其他功能

（1）坐标功能　坐标功能字（又称尺寸功能字）用来设定机床各坐标的位移量。它一般使用X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R及A、B、C、D、E以及I、J、K等地址符为首，在地址符后紧跟“+”或“-”号和一串数字，分别用于指定直线坐标、角度坐标及圆心坐标的尺寸，如X100.0、A-30.0、I-10.105等。

（2）刀具功能　刀具功能是指系统进行选（转）刀或换刀的功能指令，也称为T功能。刀具功能用地址符T及后面的一组数字表示。常用刀具功能的指定方法有T4位数法和T2位数法。

T4位数法：4位数的前两位数用于指定刀具号，后两位数用于指定刀具补偿存储器号。刀具号与刀具补偿存储器号可以相同，也可以不同，如T0101表示选1号刀具及选1号刀具补偿存储器号中的补偿值；而T0102则表示选1号刀具及选2号刀具补偿存储器号中的补偿值。FANUC数控系统及部分国产系统数控车床大多采用T4位数法。

T2位数法：该指令仅指定了刀具号，刀具存储器号则由其他指令（如D或H指令）进行选择。同样，刀具号与刀具补偿存储器号可以相同，也可以不同，如T04D01表示选用4号刀具及4号刀具中1号补偿存储器。数控铣床、加工中心普遍采用T2位数法。

（3）进给功能　用来指定刀具相对于工件运动速度的功能称为进给功能，由地址符F和其后面的数字组成。根据加工的需要，进给功能分为每分钟进给和每转进给两种，并以其对应的功能字进行转换。

①每分钟进给。直线运动的单位为毫米/分钟（mm/min）。加工中心的每分钟进给通过准备功能字G98来指定，其值为大于零的常数。如下列程序段所示：

例　G98 G01 X20.0 F100；　（进给速度为100mm/min）

②每转进给。如在加工米制螺纹过程中，常使用每转进给来指定进给速度（该进给速度即表示螺纹的螺距或导程），其单位为毫米/转（mm/r），通过准备功能字G95来指定。如下列程序段所示：

例　G99 G01 Z-50.0 F0.2；　（进给速度为0.2mm/r）

在编程时，进给速度不允许用负值来表示，一般也不允许用F0来控制进给停止。但在除螺纹加工的实际操作过程中，均可通过操作机床面板上的进给倍率旋钮来对进给速度值进行实时修正。这时，通过倍率开关，可以控制其进给速度的值为0。

在工厂的实际生产过程中，切削用量一般根据经验并通过查表的方式来进行选取。常用硬质合金或涂层硬质合金切削不同材料时的切削用量推荐值见表1-2。

表1-2　硬质合金或涂镀硬质合金刀具切削用量的推荐值

上表中，当进行切深进给时，进给量取上表相应取值之半。

注意

数控车床通常选用每分钟进给量，而数控铣床、加工中心通常选用每转进给量。

（4）主轴功能　用以控制主轴转速的功能称为主轴功能，也称为S功能，由地址符S及其后面的一组数字组成。

①主轴转速。根据加工的需要，主轴的转速分为恒线速度v和转速s两种。

转速s转速s的单位是转/分钟（r/min），用准备功能G97来指定，其值为大于零的常数。指令格式如下例：

G97 S1000；（主轴转速为1000r/min）

恒线速度v在加工中为了保证工件的表面质量，主轴需要满足其线速度恒定不变的要求，而自动实时调整转速，这种功能即称为恒线速度。恒线速度的单位为米/分钟（m/min），用准备功能G96来指定。恒线速度指令格式如下：

G96 S100；（主轴恒线速度为100m/min）

如图1-15所示，线速度v与转速n之间可以相互换算，其换算关系如下：

图1-15　线速度与转速的关系

例　：G96 S150表示切削点线速度控制在150m/min。

对图1-15中所示的零件，为保持A、B、C各点的线速度在150m/min，则各点在加工时的主轴转速分别为：

A：n＝1000×150÷（π×40）＝1193（r/min）

B：n＝1000×150÷（π×60）＝795（r/min）

C：n＝1000×150÷（π×70）＝682（r/min）

在编程时，主轴转速不允许用负值来表示，但允许用S0使转动停止。在实际操作过程中，可通过机床操作面板上的主轴倍率旋钮来对主轴转速值进行修正，其调整范围一般为50%～120%。

②主轴的启、停。在程序中，主轴的正转、反转、停转由辅助功能M03/M04/M05进行控制。其中，M03表示主轴正转，M04表示主轴反转，M05表示主轴停转，其指令格式如下：

G97 M03 S300；　（主轴正转，转速为300r/min）

M05；　　　　　 （主轴停转）

4.常用功能指令的属性

（1）指令分组　所谓指令分组，就是将系统中不能同时执行的指令分为一组，并以编号区别。例如G00、G01、G02、G03就属于同组指令，其编号为01组。类似的同组指令还有很多。

同组指令具有相互取代作用，同一组指令在一个程序段内只能有一个生效。当在同一程序段内出现两个或两个以上的同组指令时，只执行其最后输入的指令，有的机床此时会出现系统报警。对于不同组的指令，在同一程序段内可以进行不同的组合。如下列程序段所示：

G98 G40 G21；（是规范正确的程序段，所有指令均不同组）

G01 G02 X30.0 Z30.0 R30.0 F100；（是不规范的程序段，其中G01与G02是同组指令）

（2）模态指令和非模态指令　模态指令（又称为续效指令）表示该指令在某个程序段中一经指定，在接下来的程序段中将持续有效，直到出现同组的另一个指令时，该指令才失效，如常用的G00、G01～G03及F、S、T等指令。

模态指令的出现，避免了在程序中出现大量的重复指令，使程序变得清晰明了。同样，当尺寸功能字在前后程序段中出现重复，则该尺寸功能字也可以省略。在下列程序段中，有下划线的指令则可以省略其书写和输入：

例　G01 X20.0 Z20.0 F150.0；

G01 X30.0 Z20.0 F150.0；

G02 X30.0 Z-20.0 R20.0 F100.0；

因此，以上程序可写成：

G01 X20.0 Z20.0 F150.0；

X30.0；

G02 Z-20.0 R20.0 F100.0；

仅在编入的程序段内才有效的指令称为非模态指令（或称为非续效指令），如G指令中的G04指令、M指令中的M00等指令。

对于模态指令与非模态指令的具体规定，因数控系统的不同而各异，编程时请查阅有关系统说明书。

（3）开机默认指令　为了避免编程人员出现指令遗漏，数控系统中对每一组的指令，都选取其中的一个作为开机默认指令，此指令在开机或系统复位时可以自动生效。

常见的开机默认指令有G01、G18、G40、G54、G99、G97等。如当程序中没有G96或G97指令，用程序“M03 S200；”指定主轴的正转转速是200r/min。

【拓展练习】

分析下列程序（加工中使用的刀具为93°外圆偏刀），回答表1-3中的问题。

O0050；（PROGRAM NAME-50）

N10 G99 G40 G21 F0.3；

N20 T0101；

N30 M03 S500 M08；

N40 G00 X100.0 Z50.0；

N50 G00 X52.0 Z3.0；

N60 G01 X38.0；

N70 G01 Z-15.0 F0.25 S800；

N80　　　X45.0 Z-20.0；

N90　　　X48.0；

/N100 G01 Z-30.0；

N100 X52.0；

N75 G00 Z100.0；

N110 M30；

表1-3　分析程序

续表