1)数控机床的坐标系统及其编程指令

(1)机床坐标系与运动方向

国际标准化组织对数控机床坐标轴及运动方向已有相应的标准，我国也颁布了《数字控制机床坐标和运动方向的命名》(JB/T3051—1999)的标准。

①坐标和运动方向命名的原则

机床在加工零件时有刀具移向工件的，也有工件移向刀具的。为了根据图样确定机床的加工过程，特规定：永远假定刀具相对于工件运动。工件相对不动。

②坐标系的规定

为了确定机床的运动方向、移动的距离，要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就是标准坐标系，也叫机床坐标系。在编制程序时，以该坐标系来规定运动的方向和距离。

数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡儿坐标系。在图中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向，如图11－1－2所示。图11－1－3、图11－1－4分别给出了卧式车床和立式铣床的标准坐标系。

图11-1-2　右手笛卡儿坐标系统

③运动方向的确定

JB/T3051—1999中规定：机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。

图11-1-3　卧式车床坐标系统

图11-1-4　立式升降台铣床坐标系统

①Z坐标的运动。Z坐标的运动由传递切削力的主轴决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。对于车床、磨床等主轴带动零件旋转;对于铣床、钻床、镗床等主轴带动刀具旋转，与主轴平行的坐标即为Z坐标，如果没有主轴(如牛头刨床)，Z轴垂直于工件装夹面。

Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。如在钻床加工中，钻入工件的方向为Z坐标的负方向，退出方向为正方向。

②X坐标的运动。X坐标为水平的且平行于工件的装夹面。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。刀具离开工件的方向为X轴正方向，如图11－1－3所示。对于刀具旋转的机床(如铣床、镗床、钻床等)，X运动的正方向指向右，如图11－1－4所示。

③Y坐标的运动。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，按右手直角坐标系来判断。

④旋转运动A、B和C。A、B和C相应地表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。A、B和C的正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上按照右手螺旋前进的方向。

(2)与坐标系相关的编程指令

①工件坐标系设定指令G92/G50

G92指令是规定工件坐标系原点的指令，工件坐标系原点又称编程零点。当用绝对尺寸编程时，必须先建立一坐标系，用来确定刀具起始点在坐标系中的坐标值。

编程格式：

G92X__Y__Z__(数控铣床、加工中心)

G50X__Z__(数控车床)

坐标值X、Y、Z为刀位点在工件坐标系中的初始位置。执行G92指令时，刀具不动，但CRT显示器上的坐标值发生了变化，其实质是以刀具当前的位置为基准，以G92、G50设定的坐标值的负值确定工件坐标系的原点。

注意：有些数控机床没用工件坐标系指令，而直接采用零点偏置指令(G54～G57)代替，如SIEMENS 802S/C系统。

②坐标平面选择指令(G17、G18、G19)

平面选择指令G17、G18、G19分别用来指定程序段中刀具的圆弧插补平面和刀具半径补偿平面。在直角坐标系中，三个互相垂直的轴X、Y、Z分别构成三个平面，如图11－1－5所示。G17表示选择在XY平面内加工，G18表示选择在ZX平面内加工，G19表示选择在YZ平面内加工。立式数控铣床大都在XY平面内加工，故G17可以省略。

图11-1-5　加工平面的选定

(3)尺寸系统的编程方法

①绝对和增量尺寸编程(G90/G91)

G90和G9l指令分别对应着绝对位置数据输入和增量位置数据输入，为模态指令。

G90表示程序段中的尺寸字为绝对坐标值，即刀位点在当前坐标系中的坐标值。系统上电后，机床处在G90状态。当G90编入程序生效后，一直有效，直到在后面的程序段中由G91替代为止。

G91表示程序段中的尺寸字为增量坐标值，即刀位点在当前坐标系中相对上一刀位点的坐标值。G91设定以后一直有效，直到在后面的程序段中由G90替代为止。

图11－1－6所示零件，孔A、B、C的相互位置采用相对尺寸标注，在编程时采用G91方式比较方便;而图11－1－7相对尺寸标注及坐标计算所示的零件采用绝对尺寸标注，宜采用G90方式编程。

注意：有些数控系统没有绝对和增量尺寸指令，当采用绝对尺寸编程时，尺寸字用X、Y、Z表示;采用增量尺寸编程时，尺寸字用U、V、W表示。

图11-1-6　相对尺寸标注及坐标计算

图11-1-7　绝对尺寸标注及坐标计算

②公制尺寸/英制尺寸(G21/G20)

工程图纸中的尺寸标注有公制和英制两种形式，如图11－1－8相对尺寸标注及坐标计算所示。数控系统可根据所设定的状态，利用G21/G20代码把所有的几何值转换为公制尺寸或英制尺寸(刀具补偿值和可设定零点偏置值也作为几何尺寸)，同样进给速度F的单位也对应为mm/min或in/min。系统上电后，机床处在G21状态，G21、G20均为续效指令。

公制与英制单位的换算关系为：

1 mm≈0．039 4 in1 in≈25．4 mm

注意：有些系统的公制尺寸/英制尺寸不采用G21/G20编程，如：SIEMENS和FAGOR系统采用G71/G70代码。

图11-1-8　公制/英制尺寸标注

③半径/直径数据尺寸(G22/G23)

G22和G23指令定义为半径/直径数据尺寸编程。在数控车床中，可把X轴方向的终点坐标作为半径数据尺寸，也可作为直径数据尺寸，通常把X轴的位置数据用直径数据编程更为方便。

注意：华中数控的世纪星HNC－21/22T系统的直径/半径编程采用G36/G37代码。

④绝对零点偏置(G54～G57)

可设定的零点偏置给出工件零点在机床坐标系中的位置(工件零点以机床零点为基准的偏移量)。工件装夹到机床上后，通过对刀求出偏移量，并通过操作面板输入到规定的数据区，程序可以通过选择相应的功能G54～G57激活此值。图11－1－9所示是工件坐标系与机床坐标系之间的关系，假设编程人员使用G54工件坐标系编程，并要求刀具运动到工件坐标系中X100．0 Y50．0 Z200．0的位置，程序可以写成：

图11-1-9　工件坐标系与机床坐标系之间的关系

G90 G54 G00 X100．0 Y50．0 Z200．0

2)刀具功能T、进给功能F和主轴转速功能S

(1)选择刀具与刀具偏置

选择刀具和确定刀参数是数控编程的重要步骤，其编程格式因数控系统不同而异，主要格式有以下几种。

①采用“T”指令编程

由地址功能码T和其后面的若干位数字组成。刀具功能的数字是指定的刀号，数字的位数由所用的系统决定。例如：

T0303表示选择第3号刀，3号偏置量。

T0300表示选择第3号刀，刀具偏置取消。

②采用“T、D”指令编程

利用“T”功能可以选择刀具，利用“D”功能可以选择相关的刀偏。

在定义这两个参数时，其编程的顺序为T、D。“T”和“D”可以编写在一起，也可以单独编写，例如：

T5 D18——选择5号刀，采用刀具偏置表18号的偏置尺寸;

D22——仍用5号刀，采用刀具偏置表22号的偏置尺寸;

T3——选择3号刀，采用刀具与该刀相关的刀具偏置尺寸。

③换刀指令M06

加工中心具有自动换刀装置。不同的数控系统，其换刀程序是不同的。通常选刀和换刀分开进行。换刀动作必须在主轴停转条件下进行。换刀完毕启动主轴后，方可执行下面程序段的加工动作;选刀动作可与机床的加工动作重合起来，即利用切削时间选刀。

(2)进给功能F

进给功能F表示刀具中心运动时的进给速度。由地址码F和后面若干位数字构成。这个数字的单位取决于每个系统所采用的进给速度的指定方法。具体内容见所用机床编程说明书。

注意：

①进给速度的单位是直线进给速度mm/min(或in/min)，还是旋转进给速度mm/r(或in/r)，取决于每个系统所采用的进给速度的指定方法。如图11－1－10所示，对大多数数控系统而言，当工作在G94方式时为直线进给速度;工作在G95方式时为旋转进给速度。

图11-1-10　直线进给速度与旋转进给速度

②当编写程序时，第一次遇到直线(G01)或圆弧(G02/G03)插补指令时，必须编写进给速度F，如果没有编写F功能，CNC采用F0。当工作在快速定位(G00)方式时，机床将以通过机床轴参数设定的快速进给速度移动，与编写的F指令无关。

③F功能为模态指令，实际进给速度可以通过CNC操作面板上的进给倍率，在0～120%之间控制。

(3)主轴转速功能S(www.daowen.com)

由地址码S和若干数字组成，转速单位为r/min。例如：S260表示主轴转速为260 r/min。

注意：有些数控机床没有伺服主轴，即采用机械变速装置，编程时可以不编写S功能。

3)常用的辅助功能

辅助功能也叫M功能或M代码。它是控制机床或系统开关的一种命令。常用的辅助功能编程代码见表11－1－3。

注意：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。

表11-1-3　常用的辅助功能的M代码、含义及用途

4)运动路径控制指令的编程方法

(1)快速线性移动指令G00

G00用于快速定位刀具，不对工件进行加工，可在几个轴上同时执行快速移动。

①编程格式

G00 X__Y__Z__

②注意事项

a．使用G00指令时，刀具的运动路线并不一定是直线，而是一条折线。因此，要注意刀具是否与工件和夹具发生干涉，对不适合联动的场合，每轴可单动。

b．使用G00指令时，机床的进给速度由机床参数指定，G00指令是模态代码。

(2)直线性插补指令G01

直线插补指令是直线运动指令。它命令刀具在坐标轴间以插补联动方式按指定的进给速度作任意斜率的直线运动，该指令是模态(续效)指令。

①G01的编程格式

G01 X__Y__Z__F__

②说明

a．G01指令后的坐标值尺寸由G90/G91决定。用X、Y、Z指定直线的终点坐标。

b．进给速度由F指令决定，为模态指令，F的单位由直线进给速度或旋转进给速度指令确定。

5)圆弧插补指令G02/G03

圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的进给速度F作圆弧运动，切削出圆弧轮廓。

(1)圆弧顺逆的判断

圆弧插补指令分为顺时针圆弧插补指令(G02)和逆时针圆弧插补指令(G03)。圆弧插补的顺逆可按图11－1－11给出的方向判断：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。

图11-1-11　圆弧顺逆的判断

(2)G02/G03的编程格式

在零件上加工圆弧时，不仅要用G02/G03指出圆弧的顺逆时针方向，用X、Y、Z指定圆弧的终点坐标，而且还要指定圆弧的中心位置。常用指定圆心位置的方式有两种，因而G02/G03的指令格式有两种。

①I、J、K指定圆心位置：

图11-1-12　顺弧加工圆心坐标的表示方法

②用圆弧半径R指定圆心位置：

(3)说明

①采用绝对值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值，用X、Y、Z表示;当采用增量值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点相对于圆弧起点的增量值。

图11-1-13　逆弧加工圆心坐标的表示方法

②圆心坐标I、J、K为圆弧起点到圆弧中心所作矢量分别在X、Y、Z坐标轴方向上的分矢量(矢量方向指向圆心)。I、J、K为增量值，并带有“±”号，当分矢量的方向与坐标轴的方向不一致时取“－”号，如图11－1－12、图11－1－13所示。

③当用半径指定圆心位置时，由于在同一半径尺的情况下，从圆弧的起点到终点有两个圆弧的可能性，为区别二者，规定圆心角α≤180°时，用“+R”表示，如图11－1－14中的圆弧1;α＞180°时，用“－R”表示，如图中的圆弧2。

图11-1-14　圆弧插补时R与-R的区别

④用半径R指定圆心位置时，不能描述整圆。

6)暂停指令G04

G04指令可使刀具作短暂的无进给光整加工。一般用于镗平面、锪孔等场合。

(1)编程格式

G04 X(P)__

(2)说明

地址码X或P为暂停时间。其中：X后面可用带小数点的数，单位为s，如G04 X5．5表示前面的程序执行完后，要经过5．5 s的暂停，下面的程序段才执行;地址P后面不允许用小数点，单位为ms。如G04．P1000表示暂停1 s。

(3)编程举例

图11－1－15所示为锪孔加工，对孔底有表面粗糙度要求。程序如下：

11-1-15用G04的编程锪孔加工

……

N30 G91 G01 Z－7 F60;

N40 G04 X5;(刀具在孔底停留5 s)

N50 G00 Z7;

……

7)刀具补偿指令及其编程

(1)刀具半径补偿(G41、G42、G40)

在实际加工中，一般数控装置都有刀具半径补偿功能，为编制程序提供了方便。有刀具半径补偿功能的数控系统，编程时不需要计算刀具中心的运动轨迹，只按零件轮廓编程。使用刀具半径补偿指令，并在控制面板上手工输入刀具半径，数控装置便能自动地计算出刀具中心轨迹，并按刀具中心轨迹运动。即执行刀具半径补偿后，刀具自动偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出所要求的工件轮廓。G41为刀具半径左补偿，即刀具沿工件左侧运动方向时的半径补偿，如图11－1－16(a)所示;G42为刀具半径右补偿，即刀具沿工件右侧运动时的半径补偿，如图11－1－16(b)所示;G40为刀具半径补偿取消，使用该指令后，G41、G42指令无效。G40必须和G41或G42成对使用。

图11-1-16　刀具半径补偿

刀具半径补偿的过程分为三步：

①刀补的建立，刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程;

②刀补进行，执行有G41、G42指令的程序段后，刀具中心始终与编程轨迹相距一个偏置量;

③刀补的取消，刀具离开工件，刀具中心轨迹要过渡到与编程重合的过程。

图11－1－17所示为刀补的建立与取消过程。

图11-1-17　刀具半径补偿的建立与取消

编程时应注意：G41、G42不能重复使用，即在程序中前面有了G41或G42指令之后，不能再直接使用G41或G42指令。若想使用，则必须先用G40指令解除原补偿状态后，再使用G4l或G42，否则补偿就不正常了。

(2)刀具长度补偿指令(G43、G44、G49)

当使用不同类型及规格的刀具或刀具磨损时，可在程序重新用刀具长度补偿指令补偿刀具尺寸的变化，而不必重新调整刀具或重新对刀。图11－1－18所示表示不同刀具长度方向的偏移量。

图11-1-18　不同刀具的长度偏置

①编程格式

②说明

G43为刀具长度正补偿;G44为刀具长度负补偿;G49为撤销刀具长度补偿指令。Z值为刀具长度补偿值，补偿量存入由H代码指定的存储器中。偏置量与偏置号相对应，由CRT/MDI操作面板预先设在偏置存储器中。

使用G43、G44指令时，无论用绝对尺寸还是用增量尺寸编程，程序中指定的Z轴移动的终点坐标值，都要与H(或D)所指定寄存器中的偏移量进行运算，G43时相加，G44时相减，然后把运算结果作为终点坐标值进行加工。G43、G44均为模态代码。