数控铣床编程基础

时间：2023-11-03 百科知识版权反馈

【摘要】：数控铣床的机床坐标系统同样遵循右手笛卡儿直角坐标系原则。G28指令仅在其被规定的程序段中有效。数控操作人员确定工件原点相对机床原点的位置关系的操作过程称为对刀操作，其实质是找到编程原点在机床坐标系中的坐标位置，然后通过执行G92或G54～G59等工件坐标系建立指令创建和编程坐标系一致的工件坐标系。

3.3.1 数控铣床的坐标系

1. 机床坐标系

数控铣床的机床坐标系统同样遵循右手笛卡儿直角坐标系原则。铣床坐标系是以机床原点为坐标系原点建立起来的XYZ直角坐标系。

Z坐标轴:平行与机床主轴轴线，如果机床有几个主轴，则选一垂直于装夹平面的主轴作为主要主轴;如机床没有主轴(龙门刨床)，则规定垂直于工件装夹平面为Z轴。其正向为远离装夹面的方向，如图3-33所示。

X坐标轴:当Z轴水平时，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向(如图3-33(a)所示)。当Z轴处于铅垂面时，对于单立柱式，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向;对于龙门式，从刀具主轴右侧看，正X为右方向(如图3-33(b)所示)。

图3-33 数控车床坐标系

Y轴垂直于X、Z坐标轴，Y轴的正方向根据X和Z轴的正方向，按照标准笛卡儿直角坐标系来判断。

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，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意的正向，则其余四指的旋转方向(对应X、Y、Z坐标)即为旋转坐标A、B、C的正向。若有第二直角坐标系，可用U、V、W表示。

1) 机床原点与参考点

通常立式数控铣床的机床原点位置因生产厂家而异，有的设置在机床工作台中心，有的设置在进给行程范围的正极限点，可从机床用户手册中查到。

在数控铣床上，机床参考点一般取在X、Y、Z三个直角坐标轴正方向的极限位置上。在数控机床回参考点(也称为回零)操作后，CRT显示的是机床参考点相对机床坐标原点的相对位置的数值，此时，实际上也是建立了机床坐标系。对于编程人员和操作人员来说，它比机床原点更重要。对于某些数控机床来说，坐标原点就是参考点。铣床机床原点和参考点如图3-34所示。

图3-34 铣床机床原点和参考点

2) 机床参考点相关指令

(1) 返回参考点检查指令——G27。

G27用于检验X轴、Y轴与Z轴是否正确返回参考点。

指令格式:(G91/G90)G27 X_ Y_ Z_;

其中X、Y、Z为参考点的坐标。执行G27指令的前提是机床通电后必须手动返回一次参考点。

(2) 自动返回参考点指令——G28、G30。

G28和G30用于刀具从当前位置返回机床参考点。

指令格式:(G91/G90)G28 X_ Y_ Z_;

其中X、Y、Z是回参考点时经过的中间点(非参考点)。在G90时为中间点在工件坐标系中的坐标;在G91时为中间点相对于起点的位移量。G28指令先使所有的编程轴都快速定位到中间点，然后再从中间点到达参考点，如图3-35所示。一般情况下，G28指令用于刀具自动更换或消除机械误差，在执行该指令之前应取消刀具半径补偿和刀具长度补偿。在G28的程序段中不仅产生坐标轴移动指令，而且记忆了中间点坐标值，以供G29使用。G28指令仅在其被规定的程序段中有效。

图3-35 G28自动返回参考点

参考点返回过程如图3-35所示。

如果需要返回到机床Z轴的机械原点，程序段可以写成“G91G28Z0”的形式。其中， G91和Z0指出了刀具要经过距当前点为Z0的点移动到机床Z轴原点(相当于直接运动到机床原点)。如果改成为“G90G28Z0”，则刀具先经过工件坐标系Z轴原点，然后再返回机床Z轴原点，则相当危险。

G30 P n X_ Y_ Z_;自动返回第2、3、4参考点。

n=2、3、4，表示选择第2、3、4参考点。若省略不写P和n，则表示选择第2参考点。X_ Y_ Z_为中间点坐标。

当自动换刀位置不在G28指令的参考点上时，通常用G30指令使机床回到自动换刀位置。G30执行过程同G28指令。

(3) 从参考点返回指令——G29。

G29指令的功能是使刀具由机床参考点经过中间点到达目标点。

指令格式:(G91/G90)G29 X_ Y_ Z_;

其中X_ Y_ Z_后面的数值是指刀具的目标点坐标。在G91时为定位终点相对于G28中间点的位移量。该指令使刀具从参考点出发，快速到达G28指令中的中间点，即图中的动作③，然后到达G29指令的目标点C定位，即图中的动作④，如图3-35所示。通常该指令紧跟在G28指令之后，否则G29会因为不知道中间点位置，而发生错误。G29指令仅在其被规定的程序段中有效。

例:用G28、G29对图3-36所示的路径编程，要求刀具由点A经过中间点B并返回参考点，然后从参考点经由中间点B返回到C点。

图3-36 G28、G29编程举例

图3-36的轨迹编程如下:

……

G92 X30 Y50 Z20; (以A(30，50，20)为起刀点建立工件坐标系)

G91 G28 X100 Y20 Z0; (从A点按增量移动到B点，最后到达R点)

G29 X50 Y-40; (从参考点经过B点，到达C点)

……

2. 数控铣床的对刀

数控操作人员确定工件原点相对机床原点的位置关系的操作过程称为对刀操作，其实质是找到编程原点在机床坐标系中的坐标位置，然后通过执行G92或G54～G59等工件坐标系建立指令创建和编程坐标系一致的工件坐标系。

1) 刀位点

刀位点是指在加工程序编制中，用以表示刀具特征的点，编程时我们通常用这一点来代替刀具，而不需要考虑刀具的实际大小形状。刀位点也是对刀和加工的基准点。各类铣刀的刀位点如图3-37所示。

2) 对刀点

对刀点，即程序的起点，是数控加工时刀具相对工件运动的起点，如图3-38所示。在数控编程时对刀点选择应考虑以下几点:①对刀点应便于数学处理和程序编制;②对刀点在机床上容易校准;③在加工过程中便于检查;④引起的加工误差小。对刀点可以设置在零件、夹具上面或机床上面。

图3-37 各类铣刀的刀位点

为了加工方便，一般选取工件编程原点为对刀点。

图3-38 对刀点

3) 数控铣床对刀操作

当工件及刀具都安装好后，可按下述步骤进行对刀操作。

先将方式开关置于“回参考点”位置，分别按+X、+Y、+Z方向按键令机床进行回参考点操作，此时屏幕将显示对刀参照点在机床坐标系中的坐标。若机床原点与参考点重合，则坐标显示为(0，0，0)。

用寻边器找毛坯对称中心。将电子寻边器和普通刀具一样装夹在主轴上，其柄部和触头之间有一个固定的电位差，当触头与金属工件接触时，即通过床身形成回路电流，寻边器上的指示灯就被点亮;逐步降低步进增量，使触头与工件表面处于极限接触(进一步即点亮，退一步则熄灭)，即认为定位到工件表面的位置处。定位到工件正对的两侧表面，记下对应的X1、X2、Y1、Y2坐标值，则对称中心在机床坐标系中的坐标应是((X1+X2)/2，(Y1+Y2)/2)。

当对刀工具中心(即主轴中心)在X、Y方向上的对刀完成后，可取下对刀工具，换上基准刀具，进行Z向对刀操作。Z向对刀点通常都是以工件的上下表面为基准，这可利用Z向设定器进行精确对刀，其原理与寻边器相同。

在实际操作中，当需要用多把刀具加工同一工件时，常常是在不装刀具的情况下进行对刀。这时，常以刀座底面中心为基准刀具的刀位点先进行对刀;然后，分别测出各刀具实际刀位点相对于刀座底面中心的位置偏差，填入刀具数据库即可;执行程序时由刀具补偿指令功能来实现各刀具位置的自动调整。

3. 坐标系建立指令

1) 工件坐标系的建立指令——G92

编程格式:G92 X_ Y_ Z_;

说明:G92是用来确定刀具起刀点在工件坐标系中的坐标位置。X Y Z 为刀具刀位点在工件坐标系中的初始位置。G92指令是将加工原点设定在相对于刀具起始点的某一空间点上。G92指令为非模态指令，一般放在一个零件程序的第一段。该指令只改变当前位置的用户坐标，不产生任何机床移动，该坐标系在机床重开机时消失。

如图3-39所示，用G92指令设置加工坐标系的程序段如下:

G92 X30.0 Y30.0 Z20.0;

其确立的工件原点(程序原点)在距离刀具起始点X=-30，Y=-30，Z=-20的位置上，如图3-39所示。

图3-39 G92设置工件坐标系

思考:如果刀具依然在工件的该位置，该指令写成:G92 X0 Y0 Z0，则工件原点设在哪?

2) 工件坐标系选择指令——G54～G59

G54～G59指令可以分别用来建立相应的工件坐标系，如图3-40所示。

编程格式:G54 G90 G00 (G01) X Y Z (F_);

该指令执行后，所有坐标值指定的坐标尺寸都是选定的工件坐标系中的位置。1～6号工件坐标系是通过CRT/MDI方式设置的，在机床重开机时仍然存在，在程序中可以分别选取其中之一使用。一旦指定了G54～G59之一，则该工件坐标系原点即为当前程序原点，后续程序段中的工件绝对坐标均为相对此程序原点的值。

图3-40 工件坐标系选择指令

例:如图3-41所示，用G54和G59选择工件坐标系指令编程。要求刀具从当前点(任一点)移动到A点，再从A点移动到B点。

……

N01G54; (选择工件坐标系1)

N02G00G90X30Y40; (当前点→A点)

N03G59; (选择工件坐标系2)

N04G00X30Y30; (A点→B点)

……

图3-41 工件坐标系选择指令举例

用G54～G59设定工件坐标系的具体步骤如下。

(1) 进行系统回零操作。

(2) 用加工刀具分别试切工件正对的两侧表面，记下对应的X1、X2、Y1、Y2坐标值，则对称中心在机床坐标系中的坐标应是((X1+X2)/2，(Y1+Y2)/2)。

(3) 用刀具试切工件上表面，记下此时数控显示屏上显示的机床坐标值Z1。

(4) 进入数控面板上的MDI方式，在工件坐标系页面，选择一个工件坐标系(如G54)，并输入前述工件原点在机床坐标系中的坐标值，数控系统就保存了这个工件坐标系的零点位置。

(5) 在程序中使用工件坐标系调用指令(如G54)，则数控系统就把这个工件坐标系的零点偏置到需要的位置上。

G54～G59是系统预置的六个坐标系，可根据需要选用。

3) 机床坐标系选择指令—G53

G53指令使刀具快速定位到机床坐标系中的指定位置上。

编程格式:G90 G53 X_ Y_ Z_;

该指令在执行前，必须以手动或自动完成机床回零操作。G53指令是非模态指令，且只有在G90状态下有效。

例:G90 G53 X-100 Y-100 Z-20;

则执行后刀具在机床坐标系中的位置如图3-42所示。

4) 局部坐标系设定指令G52

编程格式:G52 X_ Y_ Z_;

其中X Y Z 是局部坐标系原点在当前工件坐标系中的坐标值。

G52指令能在所有的工件坐标系(G92、G54～G59)内形成子坐标系，即局部坐标系，如图3-43所示。局部坐标系只在指令的工件坐标系内有效，不影响其余的工件坐标系，适用于所有的工件坐标系，因使用方便，在编程中被广泛使用。含有G52指令的程序段中，绝对值编程方式的指令值就是在该局部坐标系中的坐标值，G52指令为非模态指令。

图3-42 G53机床坐标系选择指令

图3-43 G52局部坐标系指令

在用G52建立了一个局部坐标系后，可重新用G52建立新的局部坐标系。

使用G52 X0 Y0 Z0指令，可使局部坐标系原点与工件坐标系原点在同一位置，相当于删除了局部坐标系，回复到工件坐标系，即可重新按工件坐标系编程。

例:如图3-44所示，要求刀具运动轨迹为A→B→C→D。

图3-44 坐标系设置指令举例

编程如下:

N01 G54 G90 G00 X30.0 Y40.0;(快速移到G54中的A点)

N02 G59; (将G59置为当前工件坐标系)

N03 G00 X30.0 Y30.0; (移到G59中的B点)

N04 G52 X45.0 Y15.0; (在当前工件坐标系G59中建立局部坐标系G52)

N05 G00 G90 X35.0 Y20.0; (移到G52中的C点)

N06 G53 X35.0 Y35.0; (移到G53机械坐标系中的D点)

3.3.2 数控铣床编程的基本指令

1. 绝对编程与相对编程——G90、G91

数控铣床的位置/运动控制指令可采用两种坐标方式进行编程，即采用绝对坐标尺寸编程和增量坐标尺寸编程。

1) 绝对坐标尺寸编程G90

G90指令规定在编程时按绝对值方式输入坐标，即移动指令终点的坐标值X、Y、Z都是以工件坐标系坐标原点(程序零点)为基准来计算。

2) 增量坐标尺寸编程G91

G91指令规定在编程时按增量值方式输入坐标，即移动指令终点的坐标值X、Y、Z都是以起始点为基准来计算，再根据终点相对于起始点的方向判断正负，与坐标轴同向取正，反向取负。

图3-45 绝对坐标和增量坐标

G90、G91为模态功能，可相互注销，G90为缺省值。

G90、G91可用于同一程序段中，但要注意其顺序所造成的差异。

例:如图3-45所示，使用G90、G91编程，要求控制刀具由1点移动到2点。

绝对值编程:G90X40Y50;

增量值编程:G91X20Y30;

选择合适的编程方式可使编程简化。当图纸尺寸由一个固定基准给定时，采用绝对方式编程较为方便。当图纸尺寸是以轮廓顶点之间的间距给出时，则采用增量方式编程较为方便。

2. 平面选择指令——G17、G18、G19

G17——选择XY平面编程;

G18——选择XZ平面编程;

G19——选择YZ平面编程。

平面选择指在铣削过程中指定圆弧插补平面和刀具补偿平面。铣削时在XY平面内进行圆弧插补，则应选用准备功能G17;在XZ平面内进行圆弧插补，应选用准备功能G18;在YZ平面内进行插补加工，则需选用准备功能G19。如图3-46所示。平面指定与坐标轴移动无关，不管选用哪个平面，各坐标轴的移动指令均会执行。

图3-46 平面选择指令

3. 快速定位指令——G00

编程格式:G00 X_ Y_ Z_;

其中X Y Z 是快速定位终点，在G90时为终点在工件坐标系中的坐标，在G91时为终点相对于起点的位移量。

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。其快移速度由机床参数“快移进给速度”对各轴分别设定，而不能用F规定。G00一般用于加工前的快速定位或加工后的快速退刀。

4. 直线插补指令——G01

编程格式:G01 X Y Z F_;

G01是指令编程坐标轴按指定进给速度作直线插补运动。X、Y、Z坐标位置为切削终点，可三轴联动或二轴联动或单轴移动，而由F值指定切削时的进给速度，单位一般设定为mm/min。G01是模态指令，可由G00、G02或G03功能注销。

现以图3-47来说明G01用法，假设刀具由程序原点逆时针铣削轮廓外形。

图3-47 G01指令用法

编程如下:

G90 G01 Y17.0 F80;

X-10.0 Y30.0;

G91 X-40.0;

Y-18.0;

G90 X-22.0 Y0;

X0;

F功能具有续效性，故切削速度相同时，下一程序段可省略。

5. 圆弧插补指令——G02、G03

G02、G03是圆弧插补指令，在指定平面上，按指定进给速度进行圆弧切削，G02为顺时针圆弧插补，G03为逆时针圆弧插补。

所谓顺圆、逆圆指的是从第三轴正向朝零点或朝负方向看，如在XY平面内，从Z轴正向向原点观察，顺时针转为顺圆，反之为逆圆。如图3-48所示。

图3-48 圆弧插补方向

编程格式如下:

其中X、Y、Z为圆弧终点坐标位置，可用绝对值(G90)或增量值(G91)表示。

I、J、K:从圆弧起点到圆心位置，在X、Y、Z轴上的分向量，总是以增量方式表示(以I、J、K表示的称为圆心法)。

X轴的分向量用地址I表示，I=圆心的X坐标值-起点的X坐标值。

Y轴的分向量用地址J表示，J=圆心的Y坐标值-起点的Y坐标值。

Z轴的分向量用地址K表示，K=圆心的Z坐标值-起点的Z坐标值。

R:圆弧半径，以半径值表示(以R表示的称为半径法)。

F:切削进给速率，单位为mm/min。

圆弧的表示有圆心法及半径法两种，现分述如下。

1) 圆心法

I、J、K后面的数值定义为从圆弧起点到圆心的距离，用圆心编程的情况如图3-49所示。

图3-49 圆心法编程

图3-50 半径法编程

2) 半径法

以R表示圆弧半径。此法以圆弧起点及终点和圆弧半径来表示一段圆弧，在圆上会有二段圆弧出现，如图3-50所示。故以R是正值时，表示圆心角小于等于180°的圆弧;R是负值时，表示圆心角为大于180°的圆弧。

图3-50中，R=30mm，终点坐标绝对值为(0，30)，则各类圆弧的指令编写如下。

(1) 圆心角大于180°的圆弧(即路径b)。

指令如下:G90 G02 X0.0 Y30.0 R-30.0 F80;

(2) 圆心角小于等于180°的圆弧(即路径a)。

指令如下:G90 G02 X0.0 Y30.0 R30.0 F80;

CNC铣床上使用半径法或圆心法来表示某一圆弧，要从工作图上的尺寸标注而定，以使用较方便者(即不用计算，即可看出数值者)为取舍。但若要铣削一整圆时，只能用圆心法表示，半径法无法执行。若用半径法以两个半圆相接，其真圆度误差会较大。

图3-51 整圆程序的编写

如图3-51所示铣削一整圆的指令写法如下:

G91G02I-50. F80;

现以图3-52为例，说明G01、G02、G03指令的用法。假设刀具由程序原点逆时针沿轮廓铣削。

编程如下:

G90G01Y12.0F80.0; (程序原点→A点)

G02X38.158Y40.0I38. 158J-12.0; (A点→B点)

G91G01X11.0; (B点→C点)

G03X24.0R12.0; (C点→D点)

G01X8.0; (D点→E点)

G02X10.0Y-10. 0R10.0; (E点→F点)

G01Y-20.0; (F点→G点)

X-15. Y-10.0; (G点→H点)

X-20.0; (H点→I点)

G90G03X20. 158Y0.0R18.0; (I点→J点)

G01X0.; (J点→程序原点)

图3-52 G01、G02、G03应用例图

3) 使用G02、G03圆弧切削指令时的注意点

(1) 一般CNC铣床或MC开机后，即设定为G17(XY平面)，故在XY平面上铣削圆弧，可省略G17指令。

(2) 当某一程序段中同时出现I、J和R时，以R为优先(即有效)，I、J无效。

(3) I0或J0或K0时，可省略不写。

(4) 省略X、Y、Z终点坐标时，表示起点和终点为同一点，是切削整圆。若用半径法则刀具无运动产生。

(5) 当终点坐标与指定的半径值未交于同一点时，会报警显示。

(6) 直线切削后接圆弧切削时，其G指令必须转换为G02或G03，若再执行直线切削时，则必须再转换为G01指令，这些很容易被疏忽。

(7) 使用切削指令(G01，G02，G03)须先指令主轴转动，且须指令进给速度F。

6. 刀具半径补偿指令——G41、G42、G40

数控机床在实际加工过程中是通过控制刀具中心轨迹来实现切削加工任务的。由于刀具半径的存在，刀具中心轨迹和工件轮廓不重合。在编程过程中，为了避免复杂的数值计算，一般按零件的实际轮廓来编写数控程序，但刀具具有一定的半径尺寸，如果不考虑刀具半径尺寸，那么加工出来的实际轮廓就会与图纸所要求的轮廓相差一个刀具半径值。因此，采用刀具半径补偿功能来解决这一问题。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控编程只需按工件轮廓进行，数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个刀具半径值，即进行刀具半径补偿。

图3-53 刀具半径左补偿和右补偿

1)G41——刀具半径左补偿

沿刀具运动(前进)方向看，刀具位于工件左侧时的刀具半径补偿，称为刀具半径左补偿功能，如图3-53所示。

2) G42——刀具半径右补偿

沿刀具运动(前进)方向看，刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿，称为刀具半径右补偿功能，如图3-54所示。

3) G40——取消刀具半径补偿

G40指令是用来取消G41与G42的指令。G40、G41、G42都是模态代码，可相互注销。

4) 编程格式

编程格式如下:

G01X Y D ;