数控车床编程与技能训练
教学课题： 课题一 数控编程基础知识
知识目标：
[1] 了解数控车床的编程概念和掌握数控编程的基本步骤；
[2] 掌握数控机床坐标系的设定；
[3] 掌握数控程序的结构与格式；
技能目标：
[1] 掌握程序编制的过程及方法；
[2] 熟悉“编程序”主菜单的操作界面；
[3] 了解刀具补偿的相关概念及熟悉“刀偏表”、“刀补表”功能子菜单的操作界面和使用；
[4] 熟练掌握对刀操作的方法和技巧；
课题一 数控编程基础知识
1.1概述
数控车床品种繁多，结构多异，但仍有很多相同之处。本章将以武汉华中数控公司生产的CJK6032数控车床为例，介绍数控车床的编程方法及其操作使用方法和注意事项。
该车床为两坐标连续控制的数控车床，数控系统为HCNC —1T 系统，其人机界面、操作面板、操作步骤及编程方法与当前主流数控系统基本一致。
1.1.1 数控车削加工的对象
数控车床可进行平面任意曲线的加工，可车削圆柱、圆锥螺纹，适合于加工形状复杂的盘类或轴类零件。
1.1.2 数控程序编制的定义
编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。
1.1.3 数控程序编制的内容及步骤
数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。数控程序的编制应该有如下几个过程：
(1) 分析零件图纸。要分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，或适宜在哪类数控机床上加工。有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面。
(2) 确定工艺过程。确定零件的加工方法(如采用的工夹具、装夹定位方法等) 和加工路线(如对刀点、走刀路线) ，并确定加工用量等工艺参数(如切削进给速度、主轴转速、切削宽度和深度等) 。
(3) 数值计算。根据零件图纸和确定的加工路线，算出数控机床所需输入数据，如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点，用直线或圆弧逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点和切点等的计算。
(4) 编写程序单。根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用量，结合数控系统的程序段格式编写零件加工程序单。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、工件安装和零点设定卡片等。
(5) 制备控制介质。按程序单将程序内容记录在控制介质(如穿孔纸带) 上作为数控装置的输入信息。应根据所用机床能识别的控制介质类型制备相应的控制介质。
(6) 程序调试和检验。可通过模拟软件来模拟实际加工过程，或将程序送到机床数控装置后进行空运行，或通过首件加工等多种方式来检验所编制出的程序，发现错误则应及时修正，一直到程序能正确执行为止。
1.1.4 程序编制方法
数控程序的编制方法有手工编程和自动编程两种。
(1) 手工编程。从零件图样分析及工艺处理、数值计算、书写程序单、制穿孔纸带直至程序的校验等各个步骤，均由人工完成，则属手工编程。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件来说，编程计算较简单，程序量不大，手工编程即可实现。但对于形状复杂或轮廓不是由直线、圆弧组成非圆曲线零件；或者是空间曲面零件即使由简单几何元素组成，但程序量很大，因而计算相当繁琐，手工编程困难且易出错，则必须采用自动编程的方法。
(2) 自动编程。编程工作的大部分或全部由计算机完成的过程称自动编程。编程人员只要根据零件图纸和工艺要求，用规定的语言编写一个源程序或者将图形信息输入到计算机中，由计算机自动地进行处理，计算出刀具中心的轨迹，编写出加工程序清单，并自动制成所需控制介质。由于走刀轨迹可由计算机自动绘出，所以可方便地对编程错误作及时修正。
1.2数控机床的坐标系与原点
为了保证数控机床的正确运动，避免工作的不一致性，简化编程和便于培训编程人员，ISO 和我国都统一了数控机床坐标轴的代码及其运动的正、负方向，这给数控系统和机床的设计、使用和维修带来了极大的方便。
1.2.1 坐标系的确定原则
我国机械工业部1982年颁布了JB3052—82标准，其中规定的命名原则如下： ⑴ 刀具相对于静止工件而运动的原则 这一原则使编程人员能在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就可依据零件图样，确定机床的加工过程。
⑵ 标准坐标(机床坐标) 系的规定 在数控机床上，机床的动作是由数控系统来控制的，为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和运动的距离，这就需要建立一个坐标系才能实现，这个坐标系就称为机床坐标系。
标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系，如图1-1所示。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。图1-2、图1-3分别给出了卧式车床和立式铣床的标准坐标系。根据右手螺旋方法，我们可以很方便地确定出A 、B 、C 三个旋转坐标的方向。
图1-1 右手笛卡尔直角坐标系
⑶ 运动方向 数控机床的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1-2 数控车床 图1-3 数控立式升降台铣床
1.2.2 坐标轴的指定
1、Z 坐标
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、磨床和其它成形表面的机床是主轴带动工件旋转；对于铣床、镗床、钻床等是主轴带动刀具旋转。如图1-2、图1-3所示。如果没有主轴(如牛头刨床) ，Z 轴垂直于工件装夹平面。
Z 坐标的正方向为刀具远离工件的方向。
2、 X坐标
X 坐标一般是水平的，它平行于工件的装夹平面。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，且平行于横向滑板，刀具离开工件旋转中心的方向为X 轴正方向，如图1-2所示。对于刀具旋转的机床(如铣床、镗床、钻床等) ，从刀具向立柱看，右手方向为X 运动的正方向，如图1-3所示。
3、Y 坐标
Y 坐标垂直于X 、Z 坐标轴。Y 运动的正方向根据X 和Z 坐标的正方向，按右手笛卡尔直角坐标系来判断。
1.2.3 编程坐标系
编程坐标系是编程人员在编程过程中使用的，由编程人员以工件图样上的某一固定点为原点所建立的坐标系，又称为工件坐标系或工作坐标系，编程尺寸都按工件的尺寸确定。
1.2.4 坐标系的原点
在确定了机床各坐标轴及方向后，还应进一步确定坐标系原点的位置。
1、机床原点
机床原点是指在机床上设置的一个固定的点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来了，是数控机床进行加工运动的基准参考点。在数控车床上，一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。如图1-4a 所示。图中O 1
即为机床
编程原点是指根据加工零件图样选定的编制零件程序的原点，即编程坐标系的原点。如图1-4b 中所示的O 2点。
⒊ 加工原点
加工原点也称程序原点。是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床原点坐标系中的位置。在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后的加工原点及程序要求进行自动加工的。加工原点如图1-4a 中的O 3所示。
⒋ 机床参考点
机床参考点是指刀架中心退离距机床原点最远的一个固定点。该点在机床制造厂出厂时已调好，并将数据已输入到数控系统中。一般在车床上使用参考点。
1.3 数控程序的构成
1.3.1 程序的结构与格式
1、程序的结构
程序号
程序 程序内容
程序结束
2、程序段格式
字-地址程序段格式
程序段格式 使用分隔符的程序段格式
固定程序段格式
1.3.2编程格式
一、数控编程中的有关规则及代码
为了满足设计、制造、维修、和普及的需要，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面，国际上已形成了两种通用的标准，即国际标准化组织(ISO)标准和美国电子工程协会(EIA)标准。我国机械工业部根据ISO 标准制定了JB3050—82《数字控制机床用的七单位编码字符》、JB3051—82《数字控制坐标和运动方向的命名》、JB3208—83《数字控制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》。但是由于各个数控机床生产厂家所用的标准尚未完全统一，其所用的代码、指令及其含义不完全相同，因此，在数控编程时必须按所用数控机床编程
手册中的规定进行。目前，数控系统中常用的代码有ISO 代码和EIA 代码。
二、字与字的功能类别
字是程序字的简称，在这里它是机床数字控制的专门术语。它的定义是：一套有规定次序的字符，可以作为一个信息单元存储、传递和操作，如X160就是一个“字”。一个字所含的字符个数叫做字长。常规加工程序中的字都是 由一个英文字母与随后的若干位10进制数字组成。这个英文字母称为地址符。地址符与后续数字间可加正、负号。 程序字按其功能的不同可分为7种类型，它们分别称为顺序号字、准备功能字、尺寸字、进给功能字、主轴转速功能字、刀具功能字和辅助功能字。
1、顺序号字
它也叫程序段号或程序段序号。顺序号位于程序段之首，它的地址符是N ，后续数字一般2～4位。顺序号可以用在主程序、子程序和宏程序中。
⑴ 顺序号的作用 首先顺序号可用于对程序的校对和检索修改。其次在加工轨迹图的几何节点处标上相应程序段的顺序号，就可直观地检查程序。顺序号还可作为条件转向的目标，更重要的是，标注了程序段号的程序可以进行程序段的复归操作，这是指操作可以回到程序的(运行) 中断处重新开始，或加工从程序的中途开始的操作。
⑵ 顺序号的使用规则 数字部分应为正整数。顺序号的数字可以不连续，也不一定从小到大顺序排列。一般都将第一程序段冠以N10，以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样，在调试程序时如需要在N10和N20之间加入两个程序段，就可以用N11、N12。
2、准备功能字
准备功能字地址符是G ，所以又称G 功能或G 指令。它的定义是建立机床或控制系统工作方式的一种命令。准备功能字中的后续数字大多为两位正整数。随着数控机床功能的增加，G00～G99已不够用，所以有些数控系统的G 功能字中的后续数字已经使用三位数。
3、尺寸字
尺寸字也叫尺寸指令。尺寸字在程序段中主要用来指令机床上刀具运动到达的坐标位置，表示暂停时间等的指令也列入其中。尺寸字由地址符、+、-符号及绝对(或增量) 数值构成。尺寸字的“+”可省略。尺寸字的地址码有X 、Y 、Z 、U 、V 、W 、P 、Q 、R 、A 、B 、C 、I 、J 、K 、D 、H 等。
4、进给功能字
进给功能字地址符是F ，所以又称F 功能或F 指令。它的功能是指令切削的进给速度。由地址符和后续若干位数字构成。对于车床，可分为每分钟进给和主轴每转进给两种。
5、主轴转速功能字
主轴转速功能字用来指定主轴的转速，单位为r/min，地址符使用S ，所以又称为S 功能或S 指令。
6、刀具功能字
刀具功能字用地址符T 及随后的数字表示，所以也称为T 功能或T 指令。T 指令的功能含义主要是用来指定加工时使用的刀具号。对于车床，其后的数字还兼作指定刀具长度(含X 、Z 两个方向) 补偿和刀尖半径补偿用。
在车床上，T 之后的数字分2位、4位和6位三种。对两位数字的来说，一般前
位数字代表刀具(位) 号，后位数字代表刀具长度补偿号。其它两种以后将结合不同的数控系统进行介绍。
7、辅助功能字
辅助功能字由地址符M 及随后的1～3位数字组成，所以也称为M 功能或M 指令。它用来指令数控机床辅助装置的接通和断开，表示机床各种辅助动作及其状态。
三、程序的结构
一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
例如 %0001 程序号
N01 G92 X60 Z20
N02 S02 M03
程序内容
N03 GOO X45 Z5
N04 G01 Z-60
N05 G26
N06 M30 程序结束
⑴ 程序号 程序号即为程序的开始部分，为了区别存储器中的程序，每个程序都要有程序编号，在编号前采用程序编号地址符。FANUC 系统一般采用英文字母O 作为程序编号地址符，而其它系统有的采用P 、%及“：”等。
⑵ 程序内容 程序内容部分是整个程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，它表示数控机床要完成的全部动作。
⑶ 程序结束 程序结束是以程序结束指令M03或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。
四、程序段格式
零件的加工程序是由程序段组成的，每个程序段由若干个程序字组成，每个程序字是控制系统的具体指令。
程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则。通常有三种格式：字-地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式，最常用的是字-地址程序段格式。
字-地址程序段格式如下：
字-地址程序段格式由语句号字、数据字和程序段结束符组成。各字前有地址，字的排列顺序要求不严格，数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一级程序段
相同的续效字可以不写。该格式的优点是程序简短、直观以及容易检查和修改。因
此，该格式目前被广泛使用。
例如：N30 G01 X35 Z-60 F200 S350 T22 M30
程序段结束符是写在每一程序段后，表示程序结束。当用EIA 标准代码时，结束符为“CR ”；用ISO 标准代码时为“NL ”或“LF ”；有的用符号“：”或“*”表示；有的直接回车即可。
1.4 数控车床的对刀
1.4.1 刀具补偿的相关基本概念
刀具的补偿包括刀具的偏置和磨损补偿，刀尖半径补偿。刀具的偏置和磨损补偿，是由T 代码指定的功能，而不是由 G 代码规定的准备功能。
刀具偏置补偿可以使刀具快速移动，使刀具与工件的距离和上一把刀保持一致。寻找各刀需要长度补偿的过程称为对刀。
对刀方法主要有：一般对刀、机外对刀仪对刀、ATC 对刀和自动对刀四种。经济型数控车床都采用一般对刀。一般对刀是指在机床上作手动对刀。手动对刀是通过试切零件来对刀。手动对刀要较多地占用机床时间，此方法用在数控车床上较为落后。
1.4.2 刀具偏置补偿和刀具磨损补偿
我们编程时，设定刀架上各刀在工作位时，其刀尖位置是一致的。但由于刀具的几何形状、及安装的不同，其刀尖位置是不一致的，其相对于工件原点的距离也是不同的。因此需要将各刀具的位置值进行比较或设定，称为刀具偏置补偿。刀具偏置补偿可使加工程序不随刀尖位置的不同而改变。刀具偏置补偿有两种形式：
1、相对补偿
如图图1-5所示，在对刀时，确定一把刀为标准刀具，并以其刀尖位置A 为依据建立坐标系。这样，当其它各刀转到加工位置时，刀尖位置B 相对标刀刀尖位置A 就会出现偏置，原来建立的坐标系就不再适用，因此应对非标刀具相对于标准刀具之间的偏置值△x 、△z 进行补偿。使刀尖位置B 移至位置A 。本系统是通过控制机床拖板的移动实现补偿的。
图1-5 刀具偏置的相对补偿形式
标刀偏置值为机床回到机床零点时，工件坐标系零点相对于工作位上标刀刀尖位置的有向距离。
2、绝对补偿
即机床回到机床零点时，工件坐标系零点，相对于刀架工作位上各刀刀尖位置的有向距离。当执行刀偏补偿时，各刀以此值设定各自的加工坐标系。见图1-6。
图1-6 刀具偏置的绝对补偿形式
刀具使用一段时间后磨损，也会使产品尺寸产生误差，因此需要对其进行补偿。该补偿与刀具偏置补偿存放在同一个寄存器的地址号中。各刀的磨损补偿只对该刀有效（包括标刀）。
刀具的补偿功能由T 代码指定，其后的4 位数字分别表示选择的刀具号和刀具偏置补偿号。T 代码的说明如下：
TXX + XX
刀具号 刀具补偿号
刀具补偿号是刀具偏置补偿寄存器的地址号，该寄存器存放刀具的X 轴和Z 轴偏置补偿值、刀具的X 轴和Z 轴磨损补偿值。
T 加补偿号表示开始补偿功能。补偿号为00 表示补偿量为0，即取消补偿功能。 系统对刀具的补偿或取消都是通过拖板的移动来实现的。
补偿号可以和刀具号相同，也可以不同，即一把刀具可以对应多个补偿号（值）。 如图1-7所示，如果刀具轨迹相对编程轨迹具有X 、Z 方向上补偿值(由X ，Z 方向上的补偿分量构成的矢量称为补偿矢量) ，那么程序段中的终点位置加或减去由T 代码指定的补偿量(补偿矢量) 即为刀具轨迹段终点位置。
图1-7 经偏置磨损补偿后的刀具轨迹
例21 如图1-8，先建立刀具偏置磨损补偿，后取消刀具偏置磨损补偿。
图1-8 刀具偏置磨损补偿编程
1.4.3 刀尖半径补偿
在数控车削编程中为了编程方便，把刀尖看作一个尖点，数控程序中刀具的运动轨迹即为该假想尖点的运动轨迹。实际上刀尖并不是尖
的，而是具有一定的圆角半径，如图1-9所示，因而使编
程假想的情况与实际情况相符合。为了考虑刀尖圆角半径
的影响，在数控系统中引入刀尖半径补偿，在数控程序编
写完成后，将已知刀尖半径值输入刀具补偿表中，程序运
行时数控系统会自动根据对应刀具半径值对刀具的实际
运动轨迹进行补偿。数控加工中一般都使用可转位刀片，
每种刀片的刀尖圆角半径是一定的，选定了刀片的型号，
对应刀片的刀尖圆角半径即可确定。 图1-9 假想刀尖半径
1.5 对刀操作
刀具偏置补偿可以使刀具快速移动，使刀具与工件的距离和上一把刀保持一致。寻找各刀需要长度补偿的过程称为对刀。
对刀方法主要有：一般对刀、机外对刀仪对刀、ATC 对刀和自动对刀四种。经济型数控车床都采用一般对刀。一般对刀是指在机床上作手动对刀。手动对刀是通过试切零件来对刀。手动对刀要较多地占用机床时间，此方法用在数控车床上较为落后。
下面，我们以华中世纪星数控系统为例讲解对刀方法。
刀具偏置补偿数据的设置有两种方法：一种是手工填写，另一种是采用试切法，由系统自动生成。
图1-10 刀偏表编辑
1.5.1 试切法确定刀具偏置值
试切法指的是通过试切，由试切直径和试切长度来计算刀具偏置值的方法。根据是否采用标准刀具它又可以分为绝对刀偏法和相对刀偏法。
⒈绝对刀偏法
绝对刀偏法是指，每一把刀具独立建立自己的补偿偏置值，如图1-10中该值将会反映到工件坐标系上(注绝对刀偏法时不存在标准刀具) 。
绝对刀偏法对刀的具体步骤如下：
(1) 用光标键↑、↓将蓝色亮条移动到要设置刀具的行；
(2) 用刀具试切工件的外径，然后沿Z 轴方向退刀（注意：在此过程中不要移动X 轴）；
(3) 测量试切后的工件外径，将它手工填入图1-10 中的“试切直径”这一栏。这样，X 偏置就设置好了；
(4) 用刀具试切工件的端面，然后沿X 轴方向退刀；
(5) 计算试切工件端面到该刀具要建立的工件坐标系的零点位置的有向距离，将该值填入到图1-10中的“试切长度”这一栏。这样这把刀的Z 偏置就设置好了。
如果要设置其余的刀具，就重复以上步骤。
注意：
(1) 对刀前，机床必须先回机械零点；
(2) 试切工件端面到该刀具要建立的工件坐标系的零点位置的有向距离也就是试切工件端面在要建立的工件坐标系中的Z 轴坐标值；
(3) 设置的工件坐标系X 轴零点偏置=机床坐标系X 坐标-试切直径，因而试切工件外径后，不得移动X 轴；
(4) 设置的工件坐标系Z 轴零点偏置=机床坐标系Z 坐标-试切长度，因而试切工件端面后，不得移动Z 轴。
⒉ 相对刀偏法
相对刀偏法是指有标准刀具，而其余的每一把刀具的偏置是相对于标准刀具的偏置。该值将不会反映到工件坐标系上，此时只建立一个由标刀确定的工件坐标系。其具体操作步骤如下：
(1) 先将标刀对刀。如果我们要选择作为标刀的刀具已经是标刀，我们就要将光标键↑、↓移到标刀位置，按F5 键取消标刀，否则填入“试切直径”和“试切长度”参数时，系统会出现如图1-11所示提示：
图1-11 相对刀偏法标刀对刀提示
(2) 按照绝对对刀法(共五个步骤) ，对好要作为标刀的刀具偏置，建立该刀具所确定的工件坐标系；
(3) 设置标刀；按光标键↑、↓移动蓝色亮条到已对好刀的刀具位置，按F5 键设置该刀具为标刀，如图1-12所示。
图1-12 标刀选择
(4)选择要对刀的刀具，按光标键↑、↓移动蓝色亮条到要对刀的刀具位置；
(5)按照绝对对刀法(共五个步骤) ，对好所选的刀具偏置。
如果要设置其余的刀具，就重复以上(4)、(5)步骤。这样就对好所有的刀具偏置。
注意：
在填写非标刀具的试切长度时，是指非标刀具试切工件端面在标刀已建立工件坐标系中的Z 轴坐标值。
1.5.2 直接填写刀具偏置值
直接填写刀具偏置值就是参照标准刀具来直接填写刀具偏置值。其步骤如下：
(1) 执行相对刀偏中的步骤(1)、(2)、(3)填好标刀的偏置；
(2) 系统在手摇工作方式下，用基准刀具对准工件的一基准点，如图1-13的A 点；
(3) 按F1“ X 轴置零”，则屏幕上显示的X 轴坐标清零，按F2“Z 轴置零”则
屏幕上显示的Z 轴坐标清零，按F3“ XZ 置零”则屏幕上显示的X Z 轴坐标清零；
(4) 使刀具退刀：
(5) 选择要对刀的刀具，按光标键↑、↓移动蓝色亮条到要对刀的刀具位置，手动换刀。同样旋转手摇脉冲发生器，使刀尖对基准点A 。这时屏幕上显示的坐标值，就是该刀对基准刀的偏置值△X 、△Z ；
(6) 将△X 、△Z 分别填入已选刀具的X 偏置和Z 偏置。
图1-13 测量刀偏数据
1.5.3 刀补的校验
所有刀具对刀完成后，要进行刀补的校验。校验步骤如下：
⑴ 编写一个校验刀补的程序，在单段方式下执行该程序，建立起加工坐标系； ⑵ 对一号刀具进行试切和测量，看测量的试切直径与面板上的工件坐标系X 轴显示的坐标值是否一致（注意：测量退刀时只退Z 轴，不能退X 轴）。一致，则说明一号刀具X 轴的刀补值准确；反之，则说明一号刀具X 轴的刀补值不准确；
⑶ 执行G00 Z0，再执行G01 X10 F80，看刀尖是否完全与已加工端面重合。重合，则说明一号刀具Z 轴的刀补值准确；反之，则说明一号刀具Z 轴的刀补值不准确；
⑷ 对所有已完成对刀的刀具依次重复⑴、⑵、⑶步骤，即完成刀补的校验。 刀补值不正确，必须重新对刀。
1.5.4 容易产生的问题和注意事项
⑴ 对刀时，需要将主轴正转，否则无法试车削。
⑵ 手动退刀时应注意方向性，避免刀具撞上工件。
⑶ 所有刀具对刀完毕后，应校验各把刀的刀补是否正确。
⑷ 注意在换刀前必须将刀具退到换刀安全区域，否则执行换刀时刀具会和工件发生碰撞。
思考与练习
⑴ 熟悉“刀偏表”功能子菜单的操作界面，并练习“刀偏表”功能子菜单的操作。
⑵ 练习华中世纪星HNC-21T 数控系统的手动对刀操作，并熟练掌握。
⑶ 教师讲解和演示操作结束后，学生分组练习，每一位同学都必须熟练掌握对刀操作。
数控车床编程与技能训练
教学课题： 课题一 数控编程基础知识
知识目标：
[1] 了解数控车床的编程概念和掌握数控编程的基本步骤；
[2] 掌握数控机床坐标系的设定；
[3] 掌握数控程序的结构与格式；
技能目标：
[1] 掌握程序编制的过程及方法；
[2] 熟悉“编程序”主菜单的操作界面；
[3] 了解刀具补偿的相关概念及熟悉“刀偏表”、“刀补表”功能子菜单的操作界面和使用；
[4] 熟练掌握对刀操作的方法和技巧；
课题一 数控编程基础知识
1.1概述
数控车床品种繁多，结构多异，但仍有很多相同之处。本章将以武汉华中数控公司生产的CJK6032数控车床为例，介绍数控车床的编程方法及其操作使用方法和注意事项。
该车床为两坐标连续控制的数控车床，数控系统为HCNC —1T 系统，其人机界面、操作面板、操作步骤及编程方法与当前主流数控系统基本一致。
1.1.1 数控车削加工的对象
数控车床可进行平面任意曲线的加工，可车削圆柱、圆锥螺纹，适合于加工形状复杂的盘类或轴类零件。
1.1.2 数控程序编制的定义
编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。
1.1.3 数控程序编制的内容及步骤
数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。数控程序的编制应该有如下几个过程：
(1) 分析零件图纸。要分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，或适宜在哪类数控机床上加工。有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面。
(2) 确定工艺过程。确定零件的加工方法(如采用的工夹具、装夹定位方法等) 和加工路线(如对刀点、走刀路线) ，并确定加工用量等工艺参数(如切削进给速度、主轴转速、切削宽度和深度等) 。
(3) 数值计算。根据零件图纸和确定的加工路线，算出数控机床所需输入数据，如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点，用直线或圆弧逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点和切点等的计算。
(4) 编写程序单。根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用量，结合数控系统的程序段格式编写零件加工程序单。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、工件安装和零点设定卡片等。
(5) 制备控制介质。按程序单将程序内容记录在控制介质(如穿孔纸带) 上作为数控装置的输入信息。应根据所用机床能识别的控制介质类型制备相应的控制介质。
(6) 程序调试和检验。可通过模拟软件来模拟实际加工过程，或将程序送到机床数控装置后进行空运行，或通过首件加工等多种方式来检验所编制出的程序，发现错误则应及时修正，一直到程序能正确执行为止。
1.1.4 程序编制方法
数控程序的编制方法有手工编程和自动编程两种。
(1) 手工编程。从零件图样分析及工艺处理、数值计算、书写程序单、制穿孔纸带直至程序的校验等各个步骤，均由人工完成，则属手工编程。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件来说，编程计算较简单，程序量不大，手工编程即可实现。但对于形状复杂或轮廓不是由直线、圆弧组成非圆曲线零件；或者是空间曲面零件即使由简单几何元素组成，但程序量很大，因而计算相当繁琐，手工编程困难且易出错，则必须采用自动编程的方法。
(2) 自动编程。编程工作的大部分或全部由计算机完成的过程称自动编程。编程人员只要根据零件图纸和工艺要求，用规定的语言编写一个源程序或者将图形信息输入到计算机中，由计算机自动地进行处理，计算出刀具中心的轨迹，编写出加工程序清单，并自动制成所需控制介质。由于走刀轨迹可由计算机自动绘出，所以可方便地对编程错误作及时修正。
1.2数控机床的坐标系与原点
为了保证数控机床的正确运动，避免工作的不一致性，简化编程和便于培训编程人员，ISO 和我国都统一了数控机床坐标轴的代码及其运动的正、负方向，这给数控系统和机床的设计、使用和维修带来了极大的方便。
1.2.1 坐标系的确定原则
我国机械工业部1982年颁布了JB3052—82标准，其中规定的命名原则如下： ⑴ 刀具相对于静止工件而运动的原则 这一原则使编程人员能在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就可依据零件图样，确定机床的加工过程。
⑵ 标准坐标(机床坐标) 系的规定 在数控机床上，机床的动作是由数控系统来控制的，为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和运动的距离，这就需要建立一个坐标系才能实现，这个坐标系就称为机床坐标系。
标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系，如图1-1所示。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。图1-2、图1-3分别给出了卧式车床和立式铣床的标准坐标系。根据右手螺旋方法，我们可以很方便地确定出A 、B 、C 三个旋转坐标的方向。
图1-1 右手笛卡尔直角坐标系
⑶ 运动方向 数控机床的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1-2 数控车床 图1-3 数控立式升降台铣床
1.2.2 坐标轴的指定
1、Z 坐标
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、磨床和其它成形表面的机床是主轴带动工件旋转；对于铣床、镗床、钻床等是主轴带动刀具旋转。如图1-2、图1-3所示。如果没有主轴(如牛头刨床) ，Z 轴垂直于工件装夹平面。
Z 坐标的正方向为刀具远离工件的方向。
2、 X坐标
X 坐标一般是水平的，它平行于工件的装夹平面。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，且平行于横向滑板，刀具离开工件旋转中心的方向为X 轴正方向，如图1-2所示。对于刀具旋转的机床(如铣床、镗床、钻床等) ，从刀具向立柱看，右手方向为X 运动的正方向，如图1-3所示。
3、Y 坐标
Y 坐标垂直于X 、Z 坐标轴。Y 运动的正方向根据X 和Z 坐标的正方向，按右手笛卡尔直角坐标系来判断。
1.2.3 编程坐标系
编程坐标系是编程人员在编程过程中使用的，由编程人员以工件图样上的某一固定点为原点所建立的坐标系，又称为工件坐标系或工作坐标系，编程尺寸都按工件的尺寸确定。
1.2.4 坐标系的原点
在确定了机床各坐标轴及方向后，还应进一步确定坐标系原点的位置。
1、机床原点
机床原点是指在机床上设置的一个固定的点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来了，是数控机床进行加工运动的基准参考点。在数控车床上，一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。如图1-4a 所示。图中O 1
即为机床
编程原点是指根据加工零件图样选定的编制零件程序的原点，即编程坐标系的原点。如图1-4b 中所示的O 2点。
⒊ 加工原点
加工原点也称程序原点。是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床原点坐标系中的位置。在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后的加工原点及程序要求进行自动加工的。加工原点如图1-4a 中的O 3所示。
⒋ 机床参考点
机床参考点是指刀架中心退离距机床原点最远的一个固定点。该点在机床制造厂出厂时已调好，并将数据已输入到数控系统中。一般在车床上使用参考点。
1.3 数控程序的构成
1.3.1 程序的结构与格式
1、程序的结构
程序号
程序 程序内容
程序结束
2、程序段格式
字-地址程序段格式
程序段格式 使用分隔符的程序段格式
固定程序段格式
1.3.2编程格式
一、数控编程中的有关规则及代码
为了满足设计、制造、维修、和普及的需要，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面，国际上已形成了两种通用的标准，即国际标准化组织(ISO)标准和美国电子工程协会(EIA)标准。我国机械工业部根据ISO 标准制定了JB3050—82《数字控制机床用的七单位编码字符》、JB3051—82《数字控制坐标和运动方向的命名》、JB3208—83《数字控制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》。但是由于各个数控机床生产厂家所用的标准尚未完全统一，其所用的代码、指令及其含义不完全相同，因此，在数控编程时必须按所用数控机床编程
手册中的规定进行。目前，数控系统中常用的代码有ISO 代码和EIA 代码。
二、字与字的功能类别
字是程序字的简称，在这里它是机床数字控制的专门术语。它的定义是：一套有规定次序的字符，可以作为一个信息单元存储、传递和操作，如X160就是一个“字”。一个字所含的字符个数叫做字长。常规加工程序中的字都是 由一个英文字母与随后的若干位10进制数字组成。这个英文字母称为地址符。地址符与后续数字间可加正、负号。 程序字按其功能的不同可分为7种类型，它们分别称为顺序号字、准备功能字、尺寸字、进给功能字、主轴转速功能字、刀具功能字和辅助功能字。
1、顺序号字
它也叫程序段号或程序段序号。顺序号位于程序段之首，它的地址符是N ，后续数字一般2～4位。顺序号可以用在主程序、子程序和宏程序中。
⑴ 顺序号的作用 首先顺序号可用于对程序的校对和检索修改。其次在加工轨迹图的几何节点处标上相应程序段的顺序号，就可直观地检查程序。顺序号还可作为条件转向的目标，更重要的是，标注了程序段号的程序可以进行程序段的复归操作，这是指操作可以回到程序的(运行) 中断处重新开始，或加工从程序的中途开始的操作。
⑵ 顺序号的使用规则 数字部分应为正整数。顺序号的数字可以不连续，也不一定从小到大顺序排列。一般都将第一程序段冠以N10，以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样，在调试程序时如需要在N10和N20之间加入两个程序段，就可以用N11、N12。
2、准备功能字
准备功能字地址符是G ，所以又称G 功能或G 指令。它的定义是建立机床或控制系统工作方式的一种命令。准备功能字中的后续数字大多为两位正整数。随着数控机床功能的增加，G00～G99已不够用，所以有些数控系统的G 功能字中的后续数字已经使用三位数。
3、尺寸字
尺寸字也叫尺寸指令。尺寸字在程序段中主要用来指令机床上刀具运动到达的坐标位置，表示暂停时间等的指令也列入其中。尺寸字由地址符、+、-符号及绝对(或增量) 数值构成。尺寸字的“+”可省略。尺寸字的地址码有X 、Y 、Z 、U 、V 、W 、P 、Q 、R 、A 、B 、C 、I 、J 、K 、D 、H 等。
4、进给功能字
进给功能字地址符是F ，所以又称F 功能或F 指令。它的功能是指令切削的进给速度。由地址符和后续若干位数字构成。对于车床，可分为每分钟进给和主轴每转进给两种。
5、主轴转速功能字
主轴转速功能字用来指定主轴的转速，单位为r/min，地址符使用S ，所以又称为S 功能或S 指令。
6、刀具功能字
刀具功能字用地址符T 及随后的数字表示，所以也称为T 功能或T 指令。T 指令的功能含义主要是用来指定加工时使用的刀具号。对于车床，其后的数字还兼作指定刀具长度(含X 、Z 两个方向) 补偿和刀尖半径补偿用。
在车床上，T 之后的数字分2位、4位和6位三种。对两位数字的来说，一般前
位数字代表刀具(位) 号，后位数字代表刀具长度补偿号。其它两种以后将结合不同的数控系统进行介绍。
7、辅助功能字
辅助功能字由地址符M 及随后的1～3位数字组成，所以也称为M 功能或M 指令。它用来指令数控机床辅助装置的接通和断开，表示机床各种辅助动作及其状态。
三、程序的结构
一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
例如 %0001 程序号
N01 G92 X60 Z20
N02 S02 M03
程序内容
N03 GOO X45 Z5
N04 G01 Z-60
N05 G26
N06 M30 程序结束
⑴ 程序号 程序号即为程序的开始部分，为了区别存储器中的程序，每个程序都要有程序编号，在编号前采用程序编号地址符。FANUC 系统一般采用英文字母O 作为程序编号地址符，而其它系统有的采用P 、%及“：”等。
⑵ 程序内容 程序内容部分是整个程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，它表示数控机床要完成的全部动作。
⑶ 程序结束 程序结束是以程序结束指令M03或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。
四、程序段格式
零件的加工程序是由程序段组成的，每个程序段由若干个程序字组成，每个程序字是控制系统的具体指令。
程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则。通常有三种格式：字-地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式，最常用的是字-地址程序段格式。
字-地址程序段格式如下：
字-地址程序段格式由语句号字、数据字和程序段结束符组成。各字前有地址，字的排列顺序要求不严格，数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一级程序段
相同的续效字可以不写。该格式的优点是程序简短、直观以及容易检查和修改。因
此，该格式目前被广泛使用。
例如：N30 G01 X35 Z-60 F200 S350 T22 M30
程序段结束符是写在每一程序段后，表示程序结束。当用EIA 标准代码时，结束符为“CR ”；用ISO 标准代码时为“NL ”或“LF ”；有的用符号“：”或“*”表示；有的直接回车即可。
1.4 数控车床的对刀
1.4.1 刀具补偿的相关基本概念
刀具的补偿包括刀具的偏置和磨损补偿，刀尖半径补偿。刀具的偏置和磨损补偿，是由T 代码指定的功能，而不是由 G 代码规定的准备功能。
刀具偏置补偿可以使刀具快速移动，使刀具与工件的距离和上一把刀保持一致。寻找各刀需要长度补偿的过程称为对刀。
对刀方法主要有：一般对刀、机外对刀仪对刀、ATC 对刀和自动对刀四种。经济型数控车床都采用一般对刀。一般对刀是指在机床上作手动对刀。手动对刀是通过试切零件来对刀。手动对刀要较多地占用机床时间，此方法用在数控车床上较为落后。
1.4.2 刀具偏置补偿和刀具磨损补偿
我们编程时，设定刀架上各刀在工作位时，其刀尖位置是一致的。但由于刀具的几何形状、及安装的不同，其刀尖位置是不一致的，其相对于工件原点的距离也是不同的。因此需要将各刀具的位置值进行比较或设定，称为刀具偏置补偿。刀具偏置补偿可使加工程序不随刀尖位置的不同而改变。刀具偏置补偿有两种形式：
1、相对补偿
如图图1-5所示，在对刀时，确定一把刀为标准刀具，并以其刀尖位置A 为依据建立坐标系。这样，当其它各刀转到加工位置时，刀尖位置B 相对标刀刀尖位置A 就会出现偏置，原来建立的坐标系就不再适用，因此应对非标刀具相对于标准刀具之间的偏置值△x 、△z 进行补偿。使刀尖位置B 移至位置A 。本系统是通过控制机床拖板的移动实现补偿的。
图1-5 刀具偏置的相对补偿形式
标刀偏置值为机床回到机床零点时，工件坐标系零点相对于工作位上标刀刀尖位置的有向距离。
2、绝对补偿
即机床回到机床零点时，工件坐标系零点，相对于刀架工作位上各刀刀尖位置的有向距离。当执行刀偏补偿时，各刀以此值设定各自的加工坐标系。见图1-6。
图1-6 刀具偏置的绝对补偿形式
刀具使用一段时间后磨损，也会使产品尺寸产生误差，因此需要对其进行补偿。该补偿与刀具偏置补偿存放在同一个寄存器的地址号中。各刀的磨损补偿只对该刀有效（包括标刀）。
刀具的补偿功能由T 代码指定，其后的4 位数字分别表示选择的刀具号和刀具偏置补偿号。T 代码的说明如下：
TXX + XX
刀具号 刀具补偿号
刀具补偿号是刀具偏置补偿寄存器的地址号，该寄存器存放刀具的X 轴和Z 轴偏置补偿值、刀具的X 轴和Z 轴磨损补偿值。
T 加补偿号表示开始补偿功能。补偿号为00 表示补偿量为0，即取消补偿功能。 系统对刀具的补偿或取消都是通过拖板的移动来实现的。
补偿号可以和刀具号相同，也可以不同，即一把刀具可以对应多个补偿号（值）。 如图1-7所示，如果刀具轨迹相对编程轨迹具有X 、Z 方向上补偿值(由X ，Z 方向上的补偿分量构成的矢量称为补偿矢量) ，那么程序段中的终点位置加或减去由T 代码指定的补偿量(补偿矢量) 即为刀具轨迹段终点位置。
图1-7 经偏置磨损补偿后的刀具轨迹
例21 如图1-8，先建立刀具偏置磨损补偿，后取消刀具偏置磨损补偿。
图1-8 刀具偏置磨损补偿编程
1.4.3 刀尖半径补偿
在数控车削编程中为了编程方便，把刀尖看作一个尖点，数控程序中刀具的运动轨迹即为该假想尖点的运动轨迹。实际上刀尖并不是尖
的，而是具有一定的圆角半径，如图1-9所示，因而使编
程假想的情况与实际情况相符合。为了考虑刀尖圆角半径
的影响，在数控系统中引入刀尖半径补偿，在数控程序编
写完成后，将已知刀尖半径值输入刀具补偿表中，程序运
行时数控系统会自动根据对应刀具半径值对刀具的实际
运动轨迹进行补偿。数控加工中一般都使用可转位刀片，
每种刀片的刀尖圆角半径是一定的，选定了刀片的型号，
对应刀片的刀尖圆角半径即可确定。 图1-9 假想刀尖半径
1.5 对刀操作
刀具偏置补偿可以使刀具快速移动，使刀具与工件的距离和上一把刀保持一致。寻找各刀需要长度补偿的过程称为对刀。
对刀方法主要有：一般对刀、机外对刀仪对刀、ATC 对刀和自动对刀四种。经济型数控车床都采用一般对刀。一般对刀是指在机床上作手动对刀。手动对刀是通过试切零件来对刀。手动对刀要较多地占用机床时间，此方法用在数控车床上较为落后。
下面，我们以华中世纪星数控系统为例讲解对刀方法。
刀具偏置补偿数据的设置有两种方法：一种是手工填写，另一种是采用试切法，由系统自动生成。
图1-10 刀偏表编辑
1.5.1 试切法确定刀具偏置值
试切法指的是通过试切，由试切直径和试切长度来计算刀具偏置值的方法。根据是否采用标准刀具它又可以分为绝对刀偏法和相对刀偏法。
⒈绝对刀偏法
绝对刀偏法是指，每一把刀具独立建立自己的补偿偏置值，如图1-10中该值将会反映到工件坐标系上(注绝对刀偏法时不存在标准刀具) 。
绝对刀偏法对刀的具体步骤如下：
(1) 用光标键↑、↓将蓝色亮条移动到要设置刀具的行；
(2) 用刀具试切工件的外径，然后沿Z 轴方向退刀（注意：在此过程中不要移动X 轴）；
(3) 测量试切后的工件外径，将它手工填入图1-10 中的“试切直径”这一栏。这样，X 偏置就设置好了；
(4) 用刀具试切工件的端面，然后沿X 轴方向退刀；
(5) 计算试切工件端面到该刀具要建立的工件坐标系的零点位置的有向距离，将该值填入到图1-10中的“试切长度”这一栏。这样这把刀的Z 偏置就设置好了。
如果要设置其余的刀具，就重复以上步骤。
注意：
(1) 对刀前，机床必须先回机械零点；
(2) 试切工件端面到该刀具要建立的工件坐标系的零点位置的有向距离也就是试切工件端面在要建立的工件坐标系中的Z 轴坐标值；
(3) 设置的工件坐标系X 轴零点偏置=机床坐标系X 坐标-试切直径，因而试切工件外径后，不得移动X 轴；
(4) 设置的工件坐标系Z 轴零点偏置=机床坐标系Z 坐标-试切长度，因而试切工件端面后，不得移动Z 轴。
⒉ 相对刀偏法
相对刀偏法是指有标准刀具，而其余的每一把刀具的偏置是相对于标准刀具的偏置。该值将不会反映到工件坐标系上，此时只建立一个由标刀确定的工件坐标系。其具体操作步骤如下：
(1) 先将标刀对刀。如果我们要选择作为标刀的刀具已经是标刀，我们就要将光标键↑、↓移到标刀位置，按F5 键取消标刀，否则填入“试切直径”和“试切长度”参数时，系统会出现如图1-11所示提示：
图1-11 相对刀偏法标刀对刀提示
(2) 按照绝对对刀法(共五个步骤) ，对好要作为标刀的刀具偏置，建立该刀具所确定的工件坐标系；
(3) 设置标刀；按光标键↑、↓移动蓝色亮条到已对好刀的刀具位置，按F5 键设置该刀具为标刀，如图1-12所示。
图1-12 标刀选择
(4)选择要对刀的刀具，按光标键↑、↓移动蓝色亮条到要对刀的刀具位置；
(5)按照绝对对刀法(共五个步骤) ，对好所选的刀具偏置。
如果要设置其余的刀具，就重复以上(4)、(5)步骤。这样就对好所有的刀具偏置。
注意：
在填写非标刀具的试切长度时，是指非标刀具试切工件端面在标刀已建立工件坐标系中的Z 轴坐标值。
1.5.2 直接填写刀具偏置值
直接填写刀具偏置值就是参照标准刀具来直接填写刀具偏置值。其步骤如下：
(1) 执行相对刀偏中的步骤(1)、(2)、(3)填好标刀的偏置；
(2) 系统在手摇工作方式下，用基准刀具对准工件的一基准点，如图1-13的A 点；
(3) 按F1“ X 轴置零”，则屏幕上显示的X 轴坐标清零，按F2“Z 轴置零”则
屏幕上显示的Z 轴坐标清零，按F3“ XZ 置零”则屏幕上显示的X Z 轴坐标清零；
(4) 使刀具退刀：
(5) 选择要对刀的刀具，按光标键↑、↓移动蓝色亮条到要对刀的刀具位置，手动换刀。同样旋转手摇脉冲发生器，使刀尖对基准点A 。这时屏幕上显示的坐标值，就是该刀对基准刀的偏置值△X 、△Z ；
(6) 将△X 、△Z 分别填入已选刀具的X 偏置和Z 偏置。
图1-13 测量刀偏数据
1.5.3 刀补的校验
所有刀具对刀完成后，要进行刀补的校验。校验步骤如下：
⑴ 编写一个校验刀补的程序，在单段方式下执行该程序，建立起加工坐标系； ⑵ 对一号刀具进行试切和测量，看测量的试切直径与面板上的工件坐标系X 轴显示的坐标值是否一致（注意：测量退刀时只退Z 轴，不能退X 轴）。一致，则说明一号刀具X 轴的刀补值准确；反之，则说明一号刀具X 轴的刀补值不准确；
⑶ 执行G00 Z0，再执行G01 X10 F80，看刀尖是否完全与已加工端面重合。重合，则说明一号刀具Z 轴的刀补值准确；反之，则说明一号刀具Z 轴的刀补值不准确；
⑷ 对所有已完成对刀的刀具依次重复⑴、⑵、⑶步骤，即完成刀补的校验。 刀补值不正确，必须重新对刀。
1.5.4 容易产生的问题和注意事项
⑴ 对刀时，需要将主轴正转，否则无法试车削。
⑵ 手动退刀时应注意方向性，避免刀具撞上工件。
⑶ 所有刀具对刀完毕后，应校验各把刀的刀补是否正确。
⑷ 注意在换刀前必须将刀具退到换刀安全区域，否则执行换刀时刀具会和工件发生碰撞。
思考与练习
⑴ 熟悉“刀偏表”功能子菜单的操作界面，并练习“刀偏表”功能子菜单的操作。
⑵ 练习华中世纪星HNC-21T 数控系统的手动对刀操作，并熟练掌握。
⑶ 教师讲解和演示操作结束后，学生分组练习，每一位同学都必须熟练掌握对刀操作。