1.1 数控车削编程基础
1.1.1 FANUC数控系统简介
FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。现在，我国有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC 0、FANUC 16、FANUC 18、FANUC 21等。在这些型号中，FANUC 0系列的使用尤为广泛。
FANUC系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC 0i系统更进一步提高了集成度，在继承数控系统的基础上，还集成了EROM和SRAM模块、PMC模块、存储器和伺服模块，从而体积变得更小，可靠性更高。
FANUC系统有很强的抵抗恶劣环境的能力。其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75％，抗振能力为0.5g（加速度），电网波动为15％～10％。
FANUC系统的性能稳定，操作界面友好，各系列总体结构非常类似，具有基本统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。
FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能，同时提供丰富的信号和编程指令便于用户编制机床的PMC控制程序，增加了程序的灵活性。其次，系统具有很强的DNC功能，通过串行传输接口，可以实现PC与机床之间的数据传输。
1.1.2 数控编程简介
（1）手工编程
手工编程的内容主要有分析图样确定工艺过程、数值计算、编写程序、校对程序和试切。
在数控机床上加工零件，需要根据零件图，分析零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯类型和热处理等情况，选择合适的机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量的大小。在确定工艺过程中，应充分考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，做到加工路线合理、走刀次数少和加工工时短等。此外，还应填写有关的工艺技术文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、走刀路线图等。
根据零件图的几何尺寸及设定的编程坐标系，计算出刀具中心的运动轨迹，得到全部刀位数据。一般数控系统具有直线插补和圆弧插补的功能，对于形状比较简单的平面形零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，只需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心（或圆弧的半径）、两几何元素的交点或切点的坐标值。如果数控系统无刀具补偿功能，则要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段（或圆弧段）逼近实际的曲线或曲面，根据所要求的加工精度计算出其节点的坐标值。
根据加工路线计算出刀具运动轨迹数据和已确定的工艺参数及辅助动作，编程人员可以按照所用数控系统规定的功能指令及程序段格式，逐段编写出零件的加工程序。编写时应注意：第一，程序书写的规范性，应便于表达和交流；第二，在对所用数控机床的性能与指令充分熟悉的基础上，掌握各指令使用的技巧、程序段编写的技巧。
将加工程序输入数控机床的方式有键盘、磁盘、磁带、存储卡、连接上级计算机的DNC接口及网络等。目前常用的方法是通过键盘直接将加工程序输入（MDI方式）到数控机床程序存储器中或通过计算机与数控系统的通信接口将加工程序传送到数控机床的程序存储器中，由机床操作者根据零件加工需要进行调用。现在一些数控机床已经配置大容量存储卡存储加工程序，当作数控机床程序存储器使用，因此数控程序可以事先存入存储卡中。
数控程序必须经过校验和试切，才能进行正式加工。在有图形模拟功能的数控机床上，可以进行图形模拟加工，检查刀具轨迹的正确性，对无此功能的数控机床可进行空运行检验。但这些方法只能检验出刀具运动轨迹是否正确，不能查出对刀误差、由于刀具调整不当或因某些计算误差引起的加工误差及零件的加工精度，所以有必要经过零件加工首件试切的这一重要步骤。当发现有加工误差或不符合图纸要求时，应分析误差产生的原因，以便修改加工程序或采取刀具尺寸补偿等措施，直到加工出合乎图样要求的零件为止。随着数控加工技术的发展，可采用先进的数控加工仿真方法对数控加工程序进行校核。
该方法适合待加工的工件形状简单，编程工作量小，加工程序段不多，出错概率小，经济、及时等情况。
（2）自动编程
数控自动编程是利用计算机和相应的编程软件编制数控加工程序的过程。
现在应用较为普遍的自动编程软件，如MasterCAM、NX、PRO-E（CREO）等。它们在功能、价格、服务等方面各有各的优点，用户需要根据自己的实际情况来选择合适的自动编程软件。
该方法适合待加工的工件形状复杂，如非圆曲线，特别是具有列表曲线及曲面的加工，复杂模具的加工，编程工作量大等情况。
（3）数控程序的组成
一个完整的数控程序由程序号、程序主体和程序结束三部分组成。
例如：O0001；
G99 F0.2；
M03 S600 T0101；
M08；
G00 X41.0 Z2.0；
X38.5；
G01 Z−10.0；
G00 X100.0；
Z100.0；
M30；
1）程序号程序号为程序开始部分，为了区别存储器中的程序，每个程序都有程序编号，在编号前采用程序编号地址码。在FANUC系统中，一般采用英文字母O作为程序编号地址。
2）程序主体程序的主体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某一个完整的加工工步或动作。
3）程序结束程序结束是以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。
（4）程序段格式
每个程序段都由“字”和“；”所组成。每个程序字表示一个功能指令，因此又称为功能字，字又是由地址符和数值所构成，如X（地址符）100.0（数值）。在程序中能作指令的最小单位是字。
不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统将不能接受。故编写程序时，编程人员应严格遵守所针对的数控系统，按照程序段格式进行编程。
程序段格式主要有三种，即固定顺序程序段格式、使用分配符的程序段格式和字地址程序段格式。现在广泛采用的程序段格式是字地址程序段格式。
字地址程序段格式如下：
N__G__X__Y__Z__F__S__T__M__；
（5）数控编程的基本指令
FANUC数控系统是我国数控机床上采用较多的数控系统，其功能指令可以分为准备功能G指令、辅助功能M指令、进给功能F指令、主轴转速S指令及刀具功能T指令。这些功能指令是编制数控程序的基础，一般由功能地址码和数字组成。
1）模态指令 编程中的指令分为模态指令和非模态指令。模态指令是指一经程序执行，便一直有效，直到以后程序中重新指定其他同组指令时才失效，例如G00、G01等，期间相同的模态指令可以省略不写。同样，尺寸功能字如出现前后段重复，则该尺寸功能字也可以省略。而非模态指令，其功能仅在出现的程序段中有效。
2）指令分组 指令分组，是指将系统中相互冲突的代码分为一组，并以编程号区别。同组代码具有相互取代的作用，同一组代码在一个程序段中只能有一个生效，当在同样程序段中出现两个或两个以上的同组代码时，一般以最后输入的代码为准。
3）准备功能G指令 准备功能也称G功能指令或G代码，用于指定机床的运动方式，该地址用于将控制系统预先设置为某种预期状态，或者某种加工模式和状态。准备功能由地址符“G”和两位数字所组成，从G00至G99共100种，如表1-1所示。
表1-1 G代码一览表
注：带*者表示是开机时会初始化的代码。
4）辅助功能 辅助功能也称M功能或M代码。它由地址M和后面的两位数字组成。用来控制机床的各辅助动作及开关状态。常见的辅助功能指令，如表1-2所示。
表1-2 FANUC辅助功能指令
辅助功能一般写在程序段后面。与G代码不同，同一程序中只能有一个M功能。如同一程序段中有多个同组M指令，最后指定的指令有效。辅助指令分为前作用和后作用两类。
常用辅助指令简要说明：
①程序停止指令M00 执行完含有该指令的程序后，主轴的转动、进给等都将停止，可以进行换刀、工件重新装夹等一系列操作。在重新启动机床后，将继续执行后面的程序。
②选择停止指令M01 执行过程和M00相同，不同之处在于只有按下机床控制面板上的“任选停止”开关，该指令才有效，否则机床将继续执行后面的程序。
③程序结束指令M02和M30 这两个功能相似，但作用不同。M02功能将终止程序，但不会回到程序的开头第一个程序段；M30功能同样是终止程序，但能回到程序开头。
④主轴功能M03、M04和M05 顺时针方向旋转使用M03编程，逆时针旋转使用M04编程。M05是主轴停止功能，不管主轴的旋转方向如何，该功能都将停止主轴正转。通常M03或M04与主轴旋转功能S配合使用，如M03 S600；表示主轴正转，主轴转速为600r/min。
⑤M08和M09冷却液开、关 M08表示冷却液开，M09表示冷却液关。
5）主轴控制 用S表示主轴回转转速。如S300表示主轴转速为300r/min。
6）进给功能 用F表示切削中的进给速度。如F100表示进给速度为100mm/min。
7）刀补功能 用D和H加数值分别指定刀具直径和长度补偿量的号码。补偿量是按号码存在内存中的。
8）暂停功能 用P或X加数值构成，可以按指令所给时间延时执行下一程序段。如P1000表示1s暂停。
9）程序号指令 用P加四位以内数值指定子程序号码。
（6）数控车床的坐标系
数控机床的坐标系统包括坐标系、坐标原点和运动方向，对于数控加工及编程，是一个相当重要的概念。标准中规定，直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系表示，其基本坐标轴为X、Y、Z轴，各轴与机床的主要导轨相平行，如图1-1所示大拇指方向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴正方向。为了使编程人员能够在不知道刀具和工件之间如何做相对运动的情况下，经图纸确定加工过程和编程加工程序，假定工件不动，规定数控机床的坐标运动是刀具相对静止工件的运动，其增大工件与刀具之间距离的方向是坐标运动正方向。如果工件相对于刀具运动，则用加“＇”的字母表示，按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反。
图1-1 右手直角笛卡儿坐标系
在数控机床中，根据坐标系原点不同，同时存在着机床坐标系和工件坐标系，如图1-2所示。机床坐标系是机床上固有的坐标系，设有固定的坐标系原点，称为机床零点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床和控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点，也是其他坐标系与坐标值的基准点。机床参考点R是机床制造厂在机床上设置的，通过末端行程开关粗测定，有用测量系统精确测定的一个固定点。它通常位于工作台运行范围的一个角上，即设置在机床各轴靠近正向极限的位置上。它是CNC装置确定机床零点的参考点。通过“回零”操作，可以手动控制，到达参考点。工件坐标系是指在编程时，采用工件上的局部坐标系为坐标系进行编程。在确定工件坐标时，应尽可能将工件的原点选择在工艺定位基准上，这样对保证加工精度有利。如果设计基准和工艺基准不重合，要分析由不重合产生的误差。
图1-2 数控车床的各点关系
除了采用手动方法回参考点，还可以采用编程的方法返回参考点。在FANUC系统中，提供了多个与返回参考点有关的指令。
1）返回参考点校验功能（G27） 程序中的这项功能，用于检查机床是否准确返回参考点。
格式：G27 X（U）__，Z（W）__；
当执行G27指令后，返回各轴参考点指示灯分别点亮。当使用刀具补偿功能时，指示灯是不亮的，所以在取消刀具补偿功能后，才能使用G27指令。当返回参考点校验功能程序段完成，需要使机械系统停止时，必须在下一个程序段后增加M00或M01等辅助功能或在单程序段情况下运行。
2）自动返回参考点（G28）指令 利用这项指令，可以使控轴自动分别返回参考点。
格式：G28 X（U）__，Z（W）__T00；（对于数控车床）
其中，X、Z为中间点位置坐标，指令执行后，所有的受控轴都将快速定位到中间点，然后再从中间点回到参考点。G28指令一般用于自动换刀，所以使用G28指令时，应取消刀具的补偿功能。
3）从参考点自动返回（G29）指令
格式：G29 X（U）__，Z（W）__；（对于数控车床）
这条指令一般跟随在G28指令后使用，指令中的X、Z坐标值是执行完G29后，刀具应达到的坐标点。它的动作顺序是从参考点快速到达G28指令的中间点，再从中间点移动到G29指令的点定位，其动作与G00动作相同。
4）第二参考点返回（G30）指令
格式：G30 X（U）_____，Z（W）_____；（对于数控车床）
G30为第二参考点返回，该功能与G28指令相似。不同之处是刀具自动返回第二参考点，而第二参考点的位置是由参数来设定的，G30指令必须在执行返回第一参考点后才有效。如G30指令后面直接跟G29指令，则刀具将经由G30指定的（坐标值为x，y，z）的中间点移到G29指令的返回点定位，类似于G28后跟G29指令。通常G30指令用于自动换刀位置与参考点不同的场合，而且在使用G30前，同G28一样应先取消刀具补偿。
工件坐标系的建立。在数控系统中，工件坐标系的建立方法有两种方式。
1）使用G92建立单一的工件坐标系 如图1-3所示，为一个一次装夹加工三个相同零件的多程序原点和机床参考点之间关系及偏移的计算方法，采用G92实现原点偏移的有关指令如下。
图1-3 机床参考点的偏移
G90; /*设置绝对坐标系，刀具位于机床参考点
G92 X20.0 Y20.0 Z0.0; /*将程序原点定义在第一个零件上的工作原点A
…… /*加工第一个零件
G00 X0 Y0; /*快速回到程序原点
G92 X20 Y20 Z0; /*将程序原点定义在第二个零件上的工作原点B
…… /*加工第二个零件
G00 X0 Y0; /*快速回到程序原点
G92 X20 Y20; /*将程序原点定义在第三个零件上的工作原点C
2）使用G54～G59建立多个工件坐标系采用G54～G59实现原点偏移的有关指令如下。
①设置G54～G56的原点偏置寄存器：
对第一个零件 G54 X20 Y20 Z0
对第二个零件 G55 X40 Y40 Z0
对第三个零件 G56 X60 Y60 Z0
②然后调用：
G90 G54；
…… /*加工第一个零件
G55；
…… /*加工第二个零件
G56；
…… /*加工第三个零件
（7）绝对坐标系编程与相对坐标编程
移动量的给出有两种方式：绝对指令方式，即终点位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，代码为G90.；增量指令方式，即终点位置是相对于前一位置的增量值及移动方向所给定的，代码为G91.。
使用这两种不同指令时的坐标区别，如图1-4所示。
图1-4 两种指令的方式
（8）刀具补偿
在数控加工过程中，将刀架相关点和刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象由刀具相关点变换到刀尖或刀刃边缘的过程，称为刀具补偿。刀具补偿一般分为刀具的长度补偿和刀具的半径补偿。
在现在的CNC系统中，有的系统已具备三维刀具补偿功能。对应四、五轴联动数控加工，还不具备刀具半径补偿功能，必须在刀位计算时考虑到刀具半径。
1）刀具的半径补偿代码有G40、G41和G42，都是模态代码。G40是用于取消刀具半径补偿功能。G41是相对于刀具前进方向左侧进行补偿，又称为左刀补，如图1-5所示。G42是在相对于刀具前进方向右侧进行补偿，又称右刀补，如图1-6所示。
图1-5 左刀补G41
图1-6 右刀补G42
从刀具的寿命、加工精度、表面粗糙度而言，G41加工的效果好，因而使用较多。
车削刀尖半径补偿与铣削刀具半径补偿一样，也分为左刀补和右刀补。采用刀尖半径补偿时，刀具运动轨迹指的不是刀尖，而是刀尖上刀刃圆弧的中心位置。
2）刀具长度补偿
为了在一次数控加工中使用多把长度不尽相同的刀具，就需要利用刀具的长度补偿功能。对于铣床，刀具的长度补偿功能指令是G43和G44。G43为刀具长度正补偿或离开工件补偿；G44为刀具长度负补偿或趋向于工件补偿。取消刀具长度补偿用G49来指定。在使用刀具长度补偿时，机床操作者必须十分清楚刀具长度补偿的原理和操作。零件数控加工程序假设的是刀尖相对于工件的运动，刀具长度补偿的实质是将相对于工件的坐标由刀具的长度基准点（刀具安装定位点）移动到刀尖（或刀心）位置。
1.1.3数控车床简介
FANUC数控车床是由输入输出装置、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床主体组成，如图1-7所示。
图1-7 数控车床的组成
（1）输入输出装置
输入输出装置主要实现程序的编制和修改、程序和数据的输入及显示、存储和打印等功能。
（2）数控装置
数控装置是由中央处理单元、存储器、总线和相应的软件构成的专用技术机，是数控机床的核心。数控机床的功能强弱，主要由这一部分决定。
（3）伺服系统及检测反馈装置
伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。检测反馈装置由检测部件和相应的测量电路组成。通过检测反馈装置，检测伺服电机或机床执行部件的速度或位移，实现机床的快速响应和灵敏而准确地跟踪指令的功能。
（4）机床主体
机床主体是数控机床的主体，它包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件。为保证机床的高精度、高效率和高自动化加工要求，机床机械结构应具备较高的动态特性、动态刚度、耐磨性以及抗热变形性能。