数控车床的编程与操作讲义全.docx
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数控车床的编程与操作讲义全
数控车床的编程与操作
数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，大约占数控机床总数的25%。
本讲义以FANUC0TD系统为例介绍数控车床的编程与操作。
1.数控车床加工的基本知识
1.1数控车床的分类
1.1.1按主轴的布置形式分类：
（1）卧式数控车床：
机床主轴轴线处于水平位置数控车床。
（2）立式数控车床：
机床主轴轴线处于垂直位置数控车床。
1.1.2按数控系统控制的轴数分类：
（1）两轴控制的数控车床：
机床上只有一个回转刀架，可实现X、Z两坐标轴联动控制。
（2）四轴控制数控车床：
机床上只有两个回转刀架，可实现X、Z和U、W四坐标轴联动控制。
（3）多轴控制数控车床：
机床除了控制X、Z两坐标轴外，还可以控制其他坐标轴，实现多轴控制，如具有C轴控制功能。
对于车削加工中心或柔性制造单元，都具有多轴控制功能。
1.2数控车床的加工特点
1、适应性强，用于单件、小批生产的零件的加工
在普通车床上加工不同的零件，一般需要调整车床和附件，以使车床适应加工零件的要求。
而数控车床加工不同形状的零件时只要重新编制或修改加工程序就可以迅速达到加工要求，大大缩短了生产准备时间。
2、加工精度高，加工出的零件互换性好
数控加工的尺寸精度通常在0.005~0.1mm之间，不受零件复杂程度的影响。
加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定，降低了废品率。
3、具有较高的生产率和较低的加工成本
机床的生产率主要是指加工一个零件所需要的时间。
其中包括机动时间和辅助时间。
数控车床的主轴转速和进给速度变化围大，并可无级调速，加工时可选用最佳切削速度和进给速度，可实现恒转速（G97）和恒线速（G96），以使切削参数最优，这就大大的提高生产率，降低了加工成本。
1.3数控车床的主要用途
数控车床主要用于加工精度要求高、表面粗糙度值要求小，零件形状复杂，单件、小批生产的轴套类、盘类等回转表面的加工；还可以钻孔、扩孔、镗孔以及切槽加工；还可以在、外圆柱面上，、外圆锥面上加工各种螺距的螺纹。
1.4数控系统简介
数控系统是数控机床的核心。
不同数控机床可能配置不同的数控系统。
不同的数控系统，其指令代码也有差别。
因此，编成时应根据所使用的数控系统指令代码及格式进行编程。
目前FANUC（日本）、SIEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德国）等公司的数控系统及产品，在数控机床行业占据主导地位，我国数控产品以华中数控、航天数控为代表，也已成为高性能数控系统产业化。
本章以FANUC数控系统为主来介绍数控车削编程。
2.数控车削编程的基本知识
2.1数控编程概述
2.1.1数控程序的定义与编制过程
按照设备的数控控制系统的指令格式，编制一系列可控制加工动作及相关运动过程要求、并准从相关格式的指令集，用于控制零件的加工过程，此指令集可称为“数控加工程序”，编制此指令集的过程称之为“数控编程”。
编制加工程序前，需要对零件的加工工艺进行分析，确定加工工艺路线、加工刀具、工装、数控设备、刀具的运动轨迹、加工参数（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）；然后根据数控机床规定的指令及程序格式编写加工程序单；在把程序记录在相应的介质上（磁盘、硬盘、移动存储介质等）；将程序用指定的方式（手动输入或传输）输入到机床设备上，用于调用加工相应的零件。
2.1.2数控编程分类
数控编程可分为手工编程和自动编程两类
（1）手动编程
指所有的程序编程过程，包括图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序的校验等过程都是以手工的方式完成的。
◆图样分析：
对零件轮廓进行分析，包括零件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、技术要求分析及零件材料等容的分析。
◆确定加工工艺：
确定加工方式、走刀路线，选择定位与夹紧方式、选择刀具、确定加工参数，选择对刀点、换刀点。
◆数值计算：
选择编程原点，对零件图样的数据点进行计算，为编程做好准备。
◆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。
◆制作程序存储介质：
将编好的加工程序存储在制定的介质上，以便于程序的保存和传输。
◆程序校验：
对程序正确与否进行校验，一般用机床模拟运行的方式进行，也可以采用专用的计算机软件进行模拟校验。
（2）自动编程
指用计算机或机床编程器编制数控加工程序的过程，它必须有自动编程系统或自动编程软件。
实现自动编程的方法主要有语言式自动编程系统和图形交互式自动编程、会话式自动编程等编程方式。
目前常用的是图形交互式自动编程方式进行，有集成式的CAD/CAM系统，单独的CAM系统，单独的CAM软件一般需要将零件的数据模型读入后才能进行。
2.2数控车床的编程特点
2.2.1.混合编程
FANUC数控系统的数控车床，是用地址符来指令坐标输入形式的，既可以采用“绝对坐标”编程，也可以采用“增量坐标”编程，还可以采用混合编程。
X、Z表示绝对坐标，U、W表示增量坐标，X（U）、W（Z）表示混合坐标。
有些数控系统（如华中数控系统）的数控车床是用G代码来指令坐标输入形式的（G90：
绝对坐标，G91：
增量坐标），在同一程序段不能采用混合坐标编程。
2.2.2.直径编程
既可以采用“直径编程”，也可以采用“半径编程”，其结果由车床数控系统的部参数或G指令来决定。
所谓“直径编程”，就是X坐标采用直径值编程；“半径编程”，就是X坐标采用半径值编程。
一般情况都“直径量编程”，这是因为回转体零件图纸的径向尺寸标注和加工时的测量都是直径值，也便于编程计算。
2.2.3.具有固定循环加工功能
由于车削的毛坯多为棒料、锻件或铸件，加工余量较大，需要多次走刀加工，而固定循环加工功能可以自动完成多次走刀，因而使程序得到了大大的简化。
但不同的数控系统固定循环加工功能的指令及格式可能不同。
FANUC数控系统的数控车床固定循环加工功能的指令为G90、G94、G92、G70、G71、G72、G73等。
2.2.4.刀尖圆弧半径补偿
在数控编程时，常将车刀刀尖看做一个点，而实际刀尖是一个有半径值的圆弧，为了便于编程和提高加工精度，编程时，按刀尖半径为0进行编制，即直接用零件轮廓进行编程，然后采用G41或G42指令对车刀刀尖的半径进行补偿。
2.2.5.圆弧顺逆的判断
圆弧的顺逆应从垂直圆弧所在平面的坐标轴正向观察判断，顺时针走向的圆弧为顺圆弧（G02），逆时针走向的圆弧为逆圆弧（G03），所以，数控车床，刀架在前和刀架在后的圆弧插补指令如图2.1所示。
（a）图刀架前置（b）图刀架后置
图2.1圆弧顺逆的判断
2.2.6.采用刀具位置补偿
数控车床对刀具的操作和工件坐标系的设定通常采用刀具位置补偿的方法进行设置的。
2.3数控车床的坐标系、工件坐标系、机床参考点
1、数控车床的坐标系
数控机床加工零件过程，是由数控系统发出指令来控制机床的各种指定动作的。
要确定机床运动的方向和移动距离，需要在机床上建立坐标系，此坐标系即称为机床坐标系（也叫标准坐标系）。
机床运动可分为刀具运动和工件运动。
确定机床坐标系方向时规定：
永远假定刀具相对于静止的工件而运动。
坐标系采用符合右手定则规定的笛卡尔坐标系。
旋转运动方向为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转的分别为A、B、C，其正方向按照右旋旋进方向。
数控车床的坐标系如图2.2所示，其中：
（a）为刀架前置的数控车床的坐标系，（b）为刀架后置的数控车床的坐标系，Z轴为传递切削动力的主轴所在的坐标轴。
（a）为刀架前置的数控车床的坐标系（b）为刀架后置的数控车床的坐标系
图2.2数控车床的坐标系
数控车床的坐标系：
主轴方向为Z轴方向，且刀具远离工件为正（远离卡盘的方向）；
垂直主轴方向的方向为X轴的方向，且刀具远离工件为正（刀架前置X轴的方向朝前，刀架后置X轴的方向朝后）；
数控机床坐标系原点也称机械原点，是一个固定点，其位置由制造厂家来确定，一般不允许用户更改。
机床原点又是数控机床进行加工和位移的基准点，数控车床坐标系原点一般位于卡盘端面与主轴轴线的交点上（个别数控车床坐标系原点位于正的极限点上）。
确定坐标轴时，先根据主轴来确定Z轴，再确定X轴，最后确定Y轴。
2、工件坐标系（亦称编程坐标系）：
“工件坐标系”是编程人员根据零件图形状特点和尺寸标注的情况，为了方便计算出编程的坐标值而建立的坐标系，作为编程的基准。
工件坐标系的坐标轴方向必须与机床坐标系的坐标轴方向彼此平行，方向一致。
工件坐标系原点亦称为“编程原点”，一般选择在装夹完成的工件上某一定位点做为编程或加工的基准点，工件坐标系的原点用“”表示。
X方向一般选在工件的回转中心，Z向一般选在加工工件的右端面（O点）或左端面（O’），如图2.2所示。
（a）图刀架前置的工件的坐标系（b）图刀架后置的工件的坐标系
图2.3工件坐标系
3、机床参考点：
“机床参考点”是由机床限位行程开关和基准脉冲来确定的，它与机床坐标系原点有着准确的位置关系。
数控车床的参考点一般位于行程的正的极限点上。
如图2.4所示。
通常机床通过返回参考点的操作来找到机械原点。
所以，开机后，加工前首先要进行返回参考点的操作。
（a）图刀架前置的机床参考点（b）图刀架后置的机床参考点
图2.4机床参考点
2.4数控车床加工程序结构与格式
2.4.1.程序段结构
数控加工程序的定义：
按规定格式的符号、代码描述零件几何形状、加工工艺路线及切削方式的数控指令集。
一个完整的程序，一般由程序号、程序容和程序结束三部分组成。
一般，程序需要个存储名称，这需要对程序存储名称进行专门定义（随后需进行专门培训）。
Fanuc系统的数控加工程序是以“Oxxxx”开头，以“%”结束的若干程序段构成，程序段是以程序段号（可省略），以“；”结束的若干个指令字构成。
（1）程序号及程序说明
FANUC系统程序号是O××××，××××是四位正整数，可以从0000-9999。
如O2255。
程序号一般要求单列一段（行），且不需要程序段号。
程序说明包括加工程序的零件名、工序号、对应设备、工件材料及编制日期、程序版本等信息，Fanuc系统中，注释行在括号的容，即（xxxxxxxxxxx）。
例如：
%
O1202（PV6003732C1006）
（POST604-07/02/11）
（TIGHTENINGPIECEROUGH-MACHINEDTOPJAW/INTERNALCLAMPING/TIGHTENINGFORCE1949）
（TIGHTENINGPIECEFINISH-MACHINEDTOPJAW/INTERNALCLAMPING/TIGHTENINGFORCE468）
（*MAG-M_604*MAT-F316LN*）
（DEFINEOPERATION:
OP20_HARD）
......
N0010G50S800
N0020G40G21G40
N0030T0101
N0040G00X100.0Z100.0
N0050M03S500
N0060M08（冷却液开）....
…….
M05（主轴停）
M09（冷却液关）
M02（程序结束）
M30（程序结束并返回程序首）
%
程序主体
程序主体是由若干个程序段组成的，表示数控机床要完成的全部动作。
每个程序段由一个或多个指令构成，每个程序段一般占一行，用”;”作为每个程序段的结束代码。
.......
G50S800;
N10T0101（FACINGR1.2）;
G97S80M3P11;
G40;
G00X300M8;
Z20;
X290Z5;
Z2.538;
G01X173.02F0.25;
Z4.875;
G00X175.02Z5.875;
X290;;
Z0.2;
G01X173.02;
Z2.538;
G00X175.02Z3.538;
X290;
Z5;
X300;
Z20;
G00X250Z200M9;
M01;
.......
M30
%
（2）程序结束指令。
程序结束指令可用M02或M30。
一般要求单列一段。
2.4.2.程序段格式
现在最常用的是可变程序段格式。
每个程序段由若干个地址字构成，而地址字又由表示地址字的英文字母、特殊文字和数字构成，见表1-2。
表1-2可变程序段格式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
N
G
X
U
Y
V
Z
W
IJK
R
F
S
T
M
程序段号
准备功能
坐标尺寸字
进给功能
主轴功能
刀具功能
辅助功能
例如：
N50G01X30.0Z40.0F100
说明：
（1）程序段号。
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。
（2）程序段容。
程序段的中间部分是程序段的容，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，有时一个程序段可仅含有其中一个或几个功能字，如下列程序段都是正确的程序段。
N10G01X100.0F100；
N80M05；
2.4.3.数控车床的编程指令体系
FANUC0i系统为目前我国数控机床上采用较多的数控系统，其常用的功能指令分为准备功能指令、辅助功能指令及其它功能指令三类。
常用的其他功能指令有刀具功能指令、主轴转速功能指令、进给功能指令，这些功能指令的应用，对简化编程十分有利。
1.准备功能指令（G指令）
常用的准备功能指令见表2-1
表2-1FANUC系统常用准备功能一览表
G指令
组别
功能
程序格式及说明
▲G00
01
快速点定位
G00X（U）Z（W）；
G01
直线插补
G01X（U）Z（W）F；
G02
顺时针方向圆弧插补
G02X（U）Z（W）RF；
G02X（U）Z（W）IKF；
G03
逆时针方向圆弧插补
G04
00
暂停
G04X；或G04U；或G04P；
G20
06
英制输入
G20；
G21
米制输入
G21；
G27
00
返回参考点检查
G27XZ；
G28
返回参考点
G28XZ；
G30
返回第2、3、4参考点
G30P3XZ；
或G30P4XZ；
G32
01
螺纹切削
G32XZF；（F为导程）
G34
变螺距螺纹切削
G34XZFK；
▲G40
07
刀尖半径补偿取消
G40G00X（U）Z（W）；
G41
刀尖半径左补偿
G41G01X（U）Z（W）F；
G42
刀尖半径右补偿
G42G01X（U）Z（W）F；
G50
00
14
坐标系设定或主轴最大速度设定
G50XZ；或
G50S；
G52
局部坐标系设定
G52X__Z__；
G53
选择机床坐标系
G53X__Z__；
▲G54
选择工件坐标系1
G54；
G55
选择工件坐标系2
G55；
G56
选择工件坐标系3
G56；
G57
选择工件坐标系4
G57；
G58
选择工件坐标系5
G58；
G59
选择工件坐标系6
G59；
G65
00
宏程序调用
G65PL<自变量指定>；
G66
12
宏程序模态调用
G66PL<自变量指定>；
▲G67
宏程序模态调用取消
G67；
G70
00
精车循环
G70PQ；
G71
粗车循环
G71UR；
G71PQUWF；
G72
端面粗车复合循环
G72WR；
G72PQUWF；
G73
多重车削循环
G73UWR；
G73PQUWF；
G74
端面深孔钻削循环
G74R；
G74X（U）Z（W）PQRF；
G75
00
外径/径钻孔循环
G75R；
G75X（U）Z（W）PQRF；
G76
螺纹切削复合循环
G76PQR；
G76X（U）Z（W）RPQF；
G90
01
外径/径切削循环
G90X（U）Z（W）F；
G90X（U）Z（W）RF；
G92
螺纹切削复合循环
G92X（U）Z（W）F；
G92X（U）Z（W）RF；
G94
端面切削循环
G94X（U）Z（W）F；
G94X（U）Z（W）RF；
G96
02
恒线速度控制
G96S；
▲G97
取消恒线速度控制
G97S；
G98
05
每分钟进给
G98F；
▲G99
每转进给
G99F；
说明：
①打▲的为开机默认指令。
②00组G代码都是非模态指令。
③不同组的G代码能够在同一程序段中指定。
如果同一程序段中指定了同组G代码，则最后指定的G代码有效。
④G代码按组号显示，对于表中没有列出的功能指令，请参阅有关厂家的编程说明书。
2.辅助功能指令（M指令）
辅助指令也叫M指令或M功能，它由地址M和后面两位数字组成，从M00~M99，共100种。
辅助功能主要控制机床或系统的开、关灯辅助动作的功能指令，例如冷却液的开、关，主轴的正、反转，程序的结束等。
各数控系统和机床的生产厂商不同，M指令也不尽相同，使用时需要参照机床的手册进行。
FANUC系统常用的辅助功能指令见表2-2。
表2-2常用M指令一览表
序号
指令
功能
序号
指令
功能
1
M00
程序暂停
7
M30
程序结束并返回程序头
2
M01
程序选择停止
8
M08
冷却液开
3
M02
程序结束
9
M09
冷却液关
4
M03
主轴顺时针方向旋转
10
M98
调用子程序
5
M04
主轴逆时针方向旋转
11
M99
返回主程序
6
M05
主轴停止
12
M12/M13
卡盘松/紧
为保证程序以正确的次序执行，有很多M指令，最好以单独程序段进行编程。
对于分度功能的机床，M指令还用于指定第二辅助功能，及分度功能。
3.坐标功能
坐标功能字用来设定机床各坐标的位置量，它一般用X/Y/Z/U/V/W/P/Q/R（用于指定直线坐标尺寸和A/B/C/D/E（用于指定角度坐标值）及I/J/K（用于指定圆心坐标位置尺寸值）等地址为首，在地址符后跟“+”或“-”及一串数字。
增量值：
X轴，用地址U；Z轴，用地址W；C轴，用地址H；Y轴，用地址V。
X100.00,Y20.5,A+30,I-10.0
4.刀具功能（T功能）
刀具功能是指系统进行选刀或换刀的功能指令，亦称为T指令。
刀具功能用地址T及后缀的数字来表示，常用的刀具功能指令方式有T4位数法和T2位数法。
（1）T4位数法：
T地址符后跟4为数字表示，可同时指定刀具号和刀具补偿号，头两位指定刀具号，后两位指定刀具补偿的存储器号，刀具号与刀具补偿存储器号不一定相同。
T0101表示选用1号刀和1号刀具补偿存储器中的补偿值；
T0506表示选用5号刀和6号刀具补偿存储器中的补偿值。
（2）T2位数法：
T地址符后跟2位数字表示。
T2位数法只能指定刀具号，刀具补偿存储器号有其它代码选择（如D或H代码）。
例如：
T02D03表示选用2号刀，半径（直径）补偿用3号半径（直径补偿）存储器中的补偿值。
目前，Fanuc系统和国产数控车床系统用T4位数法，而绝大多数的加工中心及Simens系统数控车床采用的是T2位数法。
5.进给功能（F功能、G98/G99）
用来指定刀具相对工件的运动速度的功能称之为“进给功能（或F功能）”，它由F地址符合后缀数字组成，根据加工需要，可分为“每分钟进给”和“每转进给”两种。
（1）每分钟进给G98
直线运动单位为mm/min，主轴回转，则其单位为°/min。
每分钟进给通过“准备功能指令”G98（数控铣床及部分数控车床用G94）来指定，其值为大于0的常数，例如
G98G01X20.0F100（进给速度为100mm/min）
（2）每转进给G99（一般为系统缺省状态）
在镗孔、加工螺纹及部分精加工中，常用每转进给来指定进给速度，其单位为mm/r，通过准备功能指令G99（数控铣床及部分数控系统用G95）来指定，例如：
G99G01X20.0F0.2（进给速度为0.2mm/r）
6.主轴功能（S功能、G96/G97）
用来控制主轴转速的功能称为主轴功能，亦称S功能，由S地址符和后缀数值组成，根据的需要，主轴转速可分为线速度V和转速S两种。
（1）恒主轴转速指令（G97Sxxx）
转速单位为r/min，用“准备功能指令”G97来指定，其值为大于0的常数（缺省为G97），同时，也为取消“恒线速度指令”，指令的格式如下：
G97S1000（主轴转速为1000r/min）
（2）恒线速度（G96Sxxxx）
为保证表面加工质量，转速度常用恒线速度来指定，其单位为m/min，用准备功能指令G96来指定。
指令格式为：
G96S100主轴转速为100m/min
线速度V与转速S有如下换算关系：
V=πDn/1000
N=1000v/πD
其中，V-线速度m/miin
D-切削位置直径，mm
n-主轴转速，r/min
采用恒线速度编程时，注意，为防止转速过高引起事故，一般需要对转速进行限制，即需要预先对最大转速进行限定（Fanuc系统的转速限制指令为G50Sxxx）。
（3）G50：
限制主轴最高转速指令
编程格式：
G50Sxxxx
例：
G50S3000表示主轴最高转速为3000r/min
在加工过程中，也可通过机床操作面板上的主轴倍率开关对主轴转速积习难改修正，其调整围为50%-120%。
2.4.4.数控车床编程规则
1.绝对坐标与增量坐标（G90/G91）
◆Fanuc系统中的绝对与增量坐标的表示
直接以X、Z组成的坐标功能字表示绝对坐标值，而用U、W组成的坐标功能字表示增量坐标，绝对坐标值表示坐标原点到该点之间的矢量值，而增量坐标值表示是前一点到该点的矢量值。
举例说明。
、
◆Simens中的绝对坐标与增量坐标
绝对坐标用G90进行设置。
G90X20Z10;
增量坐标用G91进行设置。
G91X25Z3
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