任务一 基础功能代码编程技术
任务导入
数控机床所使用的程序是按照一定的格式以代码的形式编制的，一般称为“加工程序”，目前零件加工程序的编制主要采用以下两种方式：
（1）手工编程。利用一般的计算工具，通过各种数字处理，人工进行刀具轨迹的运算，然后编制数控加工指令。此种方法操作简单，容易掌握，适应性大，一般适用于中等复杂程度或计算量不大的零件轮廓编程，机床操作人员必须要掌握。
（2）自动编程。利用CAD/CAM软件进行零件建模与后置处理，自动生成零件的加工程序。此种方式效率高、适应广、程序质量好，一般适用于CAD/CAM集成系统和柔性制造系统。
一、任务布置
本任务以FANUC Series 0i Mate-TD系统卧式经济型数控车床为主要对象，主要学习数控车床编程的结构、代码的格式以及功能应用，要求掌握FANUC Series 0i Mate-TD系统数控编程的方法。
（一）知识目标
（1）掌握G00、G01、G02/G03、G32等指令的用法。
（2）掌握辅助功能指令M00、M03、M 04、M05的用法。
（3）掌握刀具功能指令T及速度指令F、S的用法。
（4）能够正确选用切削用量。
（二）技能目标
（1）会使用基础功能代码进行零件程序编制。
（2）会进行零件图节点的数学计算。
二、知识链接
（一）数控车床的坐标系
1．机床坐标系的定义
在数控机床上加工零件，机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向和移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫机床坐标系，也叫标准坐标系。
2．机床坐标系中的规定
数控车床的加工动作主要分为刀具的运动和工件的运动两部分。因此，在确定机床坐标系的方向时规定：永远假定刀具相对于静止的工件而运动。
对于机床坐标系的方向，统一规定增大工件与刀具间距离的方向为正方向。
数控机床的坐标系采用右手笛卡尔坐标系，如图2-1所示，右手大拇指的方向为X轴的正方向，食指指向为Y 轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。图中还标示了旋转运动A、B、C轴旋转的正方向。
图2-1 右手笛卡尔坐标系
3．机床坐标系的方向
（1）Z坐标方向。Z坐标的运动由主要传递切削动力的主轴所决定。对任何具有旋转主轴的机床，其主轴及与主轴轴线平行的坐标轴都称为Z坐标轴（简称Z轴）。根据坐标系正方向的确定原则，刀具远离工件的方向为该轴的正方向。
（2）X坐标方向。X坐标一般为水平方向并垂直于Z轴。对工件旋转的机床（如车床），X坐标方向规定在工件的径向上且平行于车床的横导轨。同时也规定其刀具远离工件的方向为X轴的正方向。
（3）Y 坐标方向。Y 坐标垂直于X、Z坐标轴并按照右手笛卡尔坐标系来确定。
前置刀架数控车床的坐标系如图2-2所示。
图2-2 前置刀架数控车床的坐标系
4．机床原点
机床原点（也称为机床零点）是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、调试时就已调整好，一般情况下不允许用户进行更改，因此它是一个固定的点。
机床原点又是数控机床进行加工或位移的基准点。对于机床原点，有一些数控车床将机床原点设在卡盘中心处，还有一些数控机床将机床原点设在刀架位移的正向极限点位置。
5．机床参考点
机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点。通常，数控车床的第一参考点位于刀架正向移动的极限点位置，并由机床挡块来确定其具体的位置。机床参考点与机床原点的距离由系统参数设定，其值可以是零，如果其值为零则表示机床参考点和机床原点重合。
对于大多数数控机床，开机第一步总是先使机床返回参考点（即所谓的机床回零）。当机床处于参考点位置时，系统显示屏上的机床坐标系显示系统参数中设定的数值（即参考点与机床原点的距离值）。开机回参考点的目的就是为了建立机床坐标系，即通过参考点当前的位置和系统参数中设定的参考点与机床原点的距离值（见图2-3中的a和b）来反推出机床原点位置。机床坐标系一经建立后，只要机床不断电，将永远保持不变，且不能通过编程来对它进行改变。
图2-3 机床原点与参考点
图2-3中O为机床原点，O1为机床参考点，a为Z向距离参数值，b为X 向距离参数值。机床上除设立了参考点外，还可用参数来设定第2、3、4参考点，设立这些参考点的目的是为了建立一个固定的点，在该点处数控机床可执行诸如换刀等一些特殊的动作。
6．工件坐标系
（1）工件坐标系。机床坐标系的建立保证了刀具在机床上的正确运动。但是，加工程序的编制通常是针对某一工件并根据零件图样进行的。为了便于尺寸基准相一致，这种针对某一工件并根据零件图样建立的坐标系称为工件坐标系（也称编程坐标系）。
（2）工件坐标系原点。工件坐标系原点也称编程原点，是指工件装夹完成后，选择工件上的某一点作为编程或工件加工的基准点。工件坐标系原点在图中以符号“
”表示。
数控车床工件坐标系的原点选取如图2-4所示。X向一般选在工件的回转中心，而Z向一般选在加工工件的右端面（O点）或左端面（O′点）。
图2-4 工件坐标系原点
（二）数控车床加工程序结构与格式
1．程序段结构
一个完整的程序，一般由程序名、程序内容和程序结束三部分组成。
例如：
（1）程序名
FA N UC系统程序名是O××××。××××是四位正整数，可以为0000～9999，如O2255。程序名一般要求单列一段，且不需要段号。
（2）程序内容
程序内容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。
（3）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．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，如表2-1所示。
表2-1 数控车床程序段格式
例如：N50 G01 X30 Z40 F100；
说明：
（1）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。
（2）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，如下列程序段都是正确的程序段。
N10 G01 X100 F100；
N80 M 05；
（3）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．编程规则
（1）绝对方式与增量方式：在程序段出现U即表示X方向的增量值，出现W即表示Z方向的增量值。同时允许绝对方式与增量方式混合编程。
（2）进给功能：系统默认进给方式为每转进给（即mm/r），若需使用每分进给（mm/min）需进行系统设置或编程指定。
（3）程序名的指定：程序名采用字母O后跟四位数字的格式。子程序文件名遵循同样的命名规则。通常在程序开始指定文件名，程序结束需加M30或M 02指令以结束程序。
（4）G指令简写模式：系统支持G指令简写模式，如将G01简写成G1。
（5）数控车床编程时X和U默认为直径尺寸，若需使用半径方式指定尺寸字，可在系统参数中进行设置。
（三）常用准备功能代码（G代码）
1．编程方式G90、G91
数控系统的位置/运动控制指令可以采用两种坐标方式进行编程，即绝对坐标编程（G90）和相对坐标编程（G91）。
（1）绝对坐标编程。刀具运动过程中所有的刀具位移尺寸都相对于编辑原点的坐标，在程序中用G90指定。
（2）相对坐标编程。程序段中的刀具位移尺寸为增量坐标值，即刀具当前点的坐标值是以前一点坐标为基准而得，是一个增量值，在程序中用G91指定。
2．快速点定位指令G00
定义：G00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求，换句话说，它所移动的轨迹未必是直线。其指令格式为：
G00 X（U）_ Z（W）_；
其中，X（U）:X轴快移终点的绝对（相对）坐标；
Z（W）:Z轴快移终点的绝对（相对）坐标。
注意：
● G00只能用于快速定位，不能用于切削加工。进给功能F所指定的进给速度对G00指令无效。
● 该指令常使用在程序开头和结束处，刀具远离工件时，快速接近工件；程序结束时，刀具快速离开工件。
3．直线插补指令G01
定义：G01指令命令刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。其指令格式为：
G01 X（U）_ Z（W）_ F_；
其中，X（U）:X轴切削终点的绝对（相对）坐标；
Z（W）:Z轴切削终点的绝对（相对）坐标；
F：切削进给率或进给速度，单位为mm/r或mm/min。
G01为模态代码，一经使用持续有效，直到被同组G代码（G00、G02、G03指令）注销。在程序中，第一程序段出现插补指令（直线G01或圆弧插补G02、G03）之前，必须给出F值。
4．圆弧插补指令G02、G03
刀具在指定平面内按给定的进给速度F做圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种，其指令格式为：
其中，X、Z：为绝对编程时，圆弧终点在工件坐标系中的坐标；
U、W：为增量编程时，圆弧终点相对于圆弧起点的位移量；
I、K：圆心相对于圆弧起点的增量（等于圆心的坐标减去圆弧起点的坐标），在绝对、增量编程时都是以增量方式指定，在直径、半径编程时I都是半径值；
R：圆弧半径，取小于180°的圆弧部分，同时编入R与I、K时，R有效；
F：被编程的两个轴的合成进给速度。
使用圆弧插补指令，可以用绝对坐标编程，也可以用相对坐标编程。指令中字母的含义如图2-5所示。
图2-5 G02、G03参数说明
圆弧旋转方向采用右手法则判别。在加工平面内，沿着从加工平面两个坐标轴以外的第3个坐标轴的正方向往负方向看，顺时针用G02表示，逆时针用G03表示，如图2-6所示。
图2-6 G02、G03插补方向
5．暂停指令G04
G04指令用于暂停进给，为非模态指令，它只在本程序段中有效。它可以使刀具作短时间的无进给光整加工，在车槽、钻镗孔时使用，也可用于拐角轨迹控制。其格式为：
G04 P_；或G04 X_；
其中，P：用整数表示暂停时间，单位：ms；
X：用整数表示暂停时间，单位：s（注：此处的X与坐标系中的X轴无关）。
6．螺纹切削指令G32、G33
G32、G33用于加工内、外圆柱螺纹和圆锥螺纹、端面螺纹、单头螺纹和多头螺纹。指令格式为：
G32（G33）X（U）_ Z（W）_ F_；
其中，X、Z：为绝对编程时，有效螺纹终点在工件坐标系中的坐标；
U、W：为增量编程时，有效螺纹终点相对于螺纹切削起点的位移量；
F：螺纹导程，即主轴每转一圈，刀具相对于工件的进给值。
螺纹车削加工为成形车削，且切削进给量较大，刀具强度较差，一般要求分几次进给加工。表2-2所列为常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量推荐值。
表2-2 常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量
注意：
● 螺纹从粗加工到精加工，主轴的转速应保持不变，否则，将发生“乱牙”现象。
● 在没有停止主轴的情况下，停止螺纹的切削将非常危险。
● 在螺纹加工中不使用恒定线速度控制功能。
● 在使用G32/G33切削螺纹时，F指令用于指定螺纹的导程，此时操作面板上进给倍率按钮无效。
如表2-3所示为FANUC Series 0i Mate-TD系统G代码功能。
表2-3 FANUC Series 0i Mate-TD系统G代码功能
（四）辅助功能代码（M代码）
辅助功能指令用M及后面的两位数字表示，所以又叫M代码。它主要用于机床加工操作时的工艺性指令，其特点是靠继电器的通、断来实现控制过程。通常在一个程序段中只允许出现一个M代码。
辅助功能指令有非模态代码和模态代码，非模态代码只在输入的当前程序段有效；模态代码是一组可相互注销的代码，这些模态的M代码在没有输入其他M代码前一直有效。
另外，M代码还可分为前作用M代码和后作用M代码两类。前作用M代码在程序段编制的轴运动之前执行；后作用M代码在程序段编制的轴运动之后执行。
常用的M代码及其功能如表2-4所示。
表2-4 M代码及功能
（五）进给功能（F指令）
F指令表示进给速度，用于控制切削进给量。在程序中有两种使用方法。
1．每分钟进给
编程格式为：
G98 F_；
其中，F：刀具每分钟进给量，单位为mm/min。
例：G98 F100；表示进给量为100mm/min。
2．每转进给
编程格式为：
G99 F_；
其中，F：主轴每转进给量，单位为mm/r。
例：G99 F0.2；表示进给量为0.2mm/r。
每分钟进给量与每转进给量之间的换算关系为：
每分钟进给量=每转进给量×主轴转速
注意：
● 使用G99指令每转进给时，主轴转速低，进给速度会出现不平稳。主轴转速越低，进给也就跟着下降。
● 开机时，系统默认的是前一个使用者使用过的进给指令，因为它是模态指令。
● F为模态指令，在G01、G02、G03方式下，编程的F一直有效，直到新的F值出现。
（六）主轴功能（S指令）
主轴转速功能S表示主轴的转速（单位为r/min）。主轴旋向由M指令指定。
1．最高转速限制
编程格式为：
G50 S_；
其中，S：主轴最高转速（r/min）。
例：G50 S3000；表示最高转速限制为3000r/min。
2．恒线速控制
编程格式为：
G96 S_；
其中，S：主轴恒定的线速度（m/min）。
例：G96 S150；表示切削点线速度控制在150m/min。
3．恒线速取消
编程格式为：
G97 S_；
其中，S：恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。
例：G97 S3000；表示恒线速控制取消后主轴转速为3000r/min。
（七）刀具功能（T指令）
刀具功能T指令指定加工时选用的刀具号以及对应的刀补号。指令格式为：
T××××；
其中，前2位数字指定刀具号，后2位数字指定刀补号。
例：T0102表示选用刀架上的1号刀具，刀补表中的2号刀补值。
注意：
● 刀具号应与刀盘上的刀位号相对应。
● 刀具补偿包括形状补偿和磨损补偿，T指令同时调入刀补寄存器中的补偿值。
● 当一个程序段同时包含T代码与刀具移动指令时，先执行T代码指令，而后执行刀具补偿。
● 刀具号和刀补号不必相同，但为了方便，某些数控车床使用的时候基本一致。
● 在一个程序段中只能有一个T指令有效，当一个程序段中出现两个或两个以上的T指令时，最后一个T指令有效。
三、编程示例
编制如图2-7所示零件外圆、退刀槽以及三角螺纹加工的程序。假设零件材料为LY12铝合金材质，其毛坯已在前道工序进行了粗加工。
图2-7 零件图（一）（单位：mm）
（一）工艺分析
1．确定装夹方式
采用三爪自定心卡盘装夹工件左端不需加工的∅50mm外圆。设工件的右端面中心为工件坐标系的原点。
2．确定数控加工刀具及选择切削用量
T01号刀为93°右手外圆车刀（刀尖角35°）；T02号刀为右手切槽刀（宽度为4mm）; T03号刀为60°右手外螺纹车刀（螺距1.5mm），如表2-5所示。
表2-5 数控加工刀具卡片
（二）数控编程
外轮廓精加工程序、退刀槽加工程序和外螺纹加工程序如表2-6至表2-8所示。
表2-6 外轮廓精加工程序
表2-7 退刀槽加工程
表2-8 外螺纹加工程序
四、技能实训
试编制如图2-8至图2-10所示零件的精加工程序。假设零件材料为LY12铝合金材质，其毛坯已在前道工序进行了粗加工。
图2-8 零件图（二）（单位：mm）
图2-9 零件图（三）（单位：mm）
图2-10 零件图（四）
五、任务评价
根据学生编程格式、代码应用、工艺分析以及切削用量的选择情况，客观进行质量评价，评价表如表2-9所示。各项目配分分别为10分，按“好”计100%、“较好”计80%、“一般”计60%、“差”计40%的比例计算得分。
表2-9 基础功能代码编程质量评价
六、知识拓展
数控机床加工过程中，为了提高加工效率，刀具从起始点或换刀点运动到接近工件部位及加工后退回起始点或换刀点是以G00（快速点定位）方式运动的，速度非常快，产生碰撞的后果是相当严重的，因此设计好退刀路线和换刀点是非常重要的。
（一）退刀路线
考虑退刀路线的原则是：第一，确保安全性，即在退刀过程中不与工件发生碰撞；第二，考虑退刀路线最短，缩短空行程，提高生产效率。
根据刀具加工零件部位的不同，退刀路线的确定也不同。数控车床常用以下三种退刀路线。
1．斜向退刀路线
斜向退刀路线（见图2-11）行程最短，适合于加工外圆表面的偏刀退刀。
图2-11 斜向退刀路线
2．径、轴向退刀路线
径、轴向退刀路线（见图2-12）是指刀具先沿径向垂直退刀，到达指定位置时再沿轴向退刀。切槽加工常采用此类退刀路线。
图2-12 径、轴向退刀路线
3．轴、径向退刀路线
轴、径向退刀路线的顺序与径、轴向退刀路线刚好相反。如图2-13所示的镗孔加工即采用此类退刀路线。
图2-13 轴、径向退刀路线
（二）设置换刀点
设置数控车床刀具的换刀点是编制加工程序过程中必须考虑的问题。换刀点最安全的位置是换刀时刀架或刀盘上的任何刀具都不与工件或机床其他部件发生碰撞的位置。
一般地，在单件小批量生产中，我们习惯把换刀点设置为一个固定点，其位置不随工件坐标系的位置改变而发生变化。换刀点的轴向位置由刀架上轴向伸出最长的刀具（如内孔镗刀、钻头等）决定，换刀点的径向位置则由刀架上径向伸出最长的刀具（如外圆车刀、切槽刀等）决定。
在大批量生产中，为了提高生产效率，减少机床空行程时间，降低机床导轨面磨损，有时候可以不设置固定的换刀点。每把刀各有各的换刀位置。这时，编制和调试换刀部分的程序应该遵循两个原则：第一，确保换刀时刀具不与工件发生碰撞；第二，力求最短的换刀路线，即所谓的“跟随式换刀”。