數控加工中特殊G、M代碼使用的分析與研究

1 引言

數控文字地址程序段格式中，G代碼、M代碼分別表示準備功能宇和輔助功能字，G、M代碼在不同數控系統中分別表示不同的數控功能，有些數控系統還規定可使用幾套G、M代碼指令，這就為數控加工工藝的制訂，數控加工程序的編制以及加工程序調試增添了許多靈活性，特別是特殊G、M代碼的合理使用，對保證零件的加工質量和精度，防止數控機床各加工軸之間或刀具之間的干涉，提高數控機床的安全、穩定運行具有積極的現實意義。2 數控加工中特殊G、M代碼的使用
延時G04指令
延時G04指令，其作用是人為暫時限制運行的加工程序，在程序中表示為“G04X-，或G04U-，或G04P-”。如“N0050 G04 X1.0”，表示當執行到此程序段時，進給中止1秒后再繼續執行后續程序指令。G04指令中的延時時間在編程時設定，其選擇范圍為“0.001～99999.999秒或轉(用 X或U指令的IS-B增量系統)。1～99999999延時時間單位為0.0001秒或轉(用P指令的IS-C增量系統)”。G04延時指令一般使用的幾種情況為：①對不通孔作深度加工時，刀具送給到規定深度后，用G04指令可使刀具作非進給光整切削加工，然后退刀，保證孔底平整，并使相關表面無毛刺；②溝槽時，在槽底應讓主軸空轉幾轉再退刀。一般退刀槽都不須精加工，采用G04延時指令，有利于槽底光滑，提高零件整體質量；③數控車床上，在工件端面的中心鉆60°的頂尖孔或倒45°角時，為使孔側面、及倒角平整，使用G04指令使工件轉過1轉后再退刀；④車削軸類零件臺肩，在刀具送給運行方向改變時，應在改變運行方向的指令間設置G04指令，以保證軸肩端與工件軸線的垂直度。
除以上一般使用情況，在實際數控加工的使用中，嘗試著一些特殊使用的分析和研究，并從中得到了新啟示：
采用步進電機為進給驅動系統的數控機床，特別是國內改進設計的數控機床，在高精度加工中，為避免頻率變化過快造成對位移精度的影響，常人為將快速點進位G00指令路經分解為2個程序段，段1為快速點進位，段2為直線插補。由于高速點進位運行在開始時為升速，當升到設定的速度頻率時為正常勻速運行，接近到達定位點時為降頻(就是常說的自動升降速)。在段1后如果設置延時G04指令，可保證高速運行降頻完全穩定后，再低速運行，使控制精度得以提高。特別是對于數控鉆床加工時的孔定位特別明顯。
大批量單件加工時間較短的零件加工中，啟動按鈕頻繁使用，為減輕操作者由于疲勞或頻繁按鈕帶來的誤動作，用G04指令代替首件后零件的啟動。延時時間按完成1件零件的裝卸時間設定，在操作人員熟練地掌握數控加工程序后，延時的指令時間可以逐漸縮短，但需保證其一定的安全時間。零件加工程序設計成循環子程序，G04指令就設計在調用該循環子程序的主程序中，必要時設計選擇計劃停止M01指令作為程序的結束或檢查。
數控車床用絲錐攻中心螺紋時，需用彈性筒夾頭攻牙，以保證絲錐攻至螺紋底部時不會崩斷，并在螺紋底部設置G04延時指令，使絲錐作非進給切削加工，延時的時間需確保主軸完全停止，主軸完全停止后按原正轉速度反轉，絲錐按原導程后退。
程序舉例：
M03 S300；攻牙主軸轉速不能太快
G00 XO Z5.0；至工件中心坐標
G32 Z-20.0 F1.0 M05；攻絲完畢后主軸停止
G04 X5.0；絲錐延時5秒作非過給切削加工
G32 Z5.0 M04；主軸反轉，絲錐后退
鎖孔完畢退刀時，為避免退刀時留下螺旋劃痕而影響表面粗糙度，應使鏜刀在孔底作非進給停留，待主軸完全停止后再退刀。退刀時會留下垂直端面的退刀劃痕，一般在鏜孔加工工藝中是允許該退刀劃痕存在的，利用該劃痕還可以判斷所鏜孔的形狀誤差。
在發訊指令后須設置G04指令，以保證有足夠的時間延時，等待發訊指令規定要求的動作開始或完成后，再運行后續程序，以確保加工的可靠性。如換刀位、開啟關閉主軸、潤滑或接通其它信號等。如：瑞士碧瑪泰公司的S-188雙主軸雙刀塔數控車銑中心，配NUM 1050數控系統，在自動拉料時的程序為：
N0160 M60；夾具打開允許
N0170 M169；夾具打開
N0180 G04 FO.3
N0190 G01 ZL1；L1已賦值
N0200 M168；夾具夾緊
N0210 G04 FO.3
在主軸轉速有較大的變化時，可設置G04指令。目的是使主軸轉速穩定后，再進行零件的切削加工，以提高零件的表面質量。
程序舉例：
N0010 S1000 M13；主軸轉、冷卻液開
N0020 T0302
N0030 G01 X32.4 FO.1
N0040 S3500 M03；主軸轉速有較大的變化
N0050 G04 XO 6；延時 0． 6S
N0060 G01 Z-10.0 FO.02
在加工程序中有多種功能順序執行時，必須設置G04指令。如機械手接零件、雙主軸同步、從第1刀塔轉換到第2刀塔加工等等，按動作的復雜程度，設定不同的G04延遲量，以使前一動作完全結束，再進行下一動作，避免干涉。
在銑加工過程中，當加工刀徑相同的圓弧角時，可設置G04指令。可以消除讓刀所帶來的錐度和實際加工的R偏差，但圓弧角的表面質量會下降。
程序舉例：
N0120 G03 X20.5 Y18.6 R6 F100
N0130 G04 XO.5
N0140 G01 Y50.5 F300
在主軸空運行時，用G04設置每檔轉速的時間，編一段熱機程序，讓設備自動運行，可以使熱機的效果更加的良好。如：
N0220 M03 S1000
N0230 G04 X600
N0240 S5000
N0250 G04 X600
N0260 S10000
N0270 G04 X600
返回參考點G26、G27、G28、G29指令
參考點是機床上的一個固定點，通過參考點返回功能刀具可以容易地移動到該位置。參考點主要用作自動換刀或設定坐標系，刀具能否準確地返回參考點，是衡量其重復定位精度的重要指標，也是數控加工保證其尺寸一致性的前提條件。
實際加工中，巧妙利用返回參考點指令，可以提高產品的精度。
對于重復定位精度很高的機床，為了保證主要尺寸的加工精度，在加工主要尺寸之前，刀具可先返回參考點再重新運行到加工位置。如此做法的目的實際上是重新校核一下基準，以確定加工的尺寸精度。
對于多軸聯動機床，特別是多軸多刀塔機床，程序開始段，一般設回參考點指令，避免換刀或多軸聯動加工時出現干涉情況。
四軸以上的加工中心在進行B軸旋轉前，雙主軸車床在主、副軸同步加工前，設置回參考點指令，可防止發生撞刀事故。如：HERMLE 600U五軸五聯動立式加工中心，配Heidenhain i530數控系統，其B軸可±110°旋轉，而刀庫在主軸后面，在B軸旋轉前，都加回參考點指令。
雙主軸車床，只在一主軸加工時，用回參考點指令，使另一主軸在參考點位置，能使程序順利執行并保證加工精度。如 S188雙主軸雙刀塔數控車銑中心，只在一個主軸加工零件時，首先用G28指令，將另一主軸和刀塔返回參考點位置，以便加工順利進行。
對于多軸縱切機床，當因各種原因要封閉某一軸時，用回參考點指令，使此一軸在參考點位置，然后再進行封閉，能保證此軸的位置度。如TONUS DECO2000機床，因加工要求必須封閉X4和Z4軸，在此情況下，在進行系統屏蔽X4和Z4軸之前，執行返回參考點操作。
在修理某一軸的伺服單元時，一般先進行回參考點操作(如有可能)，以避免在該軸失電時，坐標位置的丟失。如美國哈挺公司COBRA 42機床，因X軸電機運轉有雜音需檢查，在檢查前執行返回參考點操作。
相對編程G91與絕對編程G90指令
相對編程是以刀尖所在位置為坐標原點，刀尖以相對于坐標原點進行位移來編程。就是說，相對編程的坐標原點經常在變換，運行是以現刀尖點為基準控制位移，那么連續位移時，必然產生累積誤差。絕對編程在加工的全過程中，均有相對統一的基準點，即坐標原點，所以其累積誤差較相對編程小。
數控車削加工時，工件徑向尺寸的精度比軸向尺寸高，所以在編制程序時，徑向尺寸最好采用絕對編程，考慮到加工時的方便，軸向尺寸采用相對編程，但對于重要的軸向尺寸，也可以采用絕對編程。數控銑床加工時，對于重要的尺寸應采用絕對編程。在數控車銑加工中心加工零件時，一般在車加工時用相對編程，變換為銑加工時，用絕對編程。如：EMCO 332數控車銑中心，配西門子 840D數控系統，雙主軸雙刀塔，在進行車銑加工時的程序：
M06 T10
M38；車方式，默認在G91相對編程
M04 S1000 M08
G95 FO.03
G00 X8.0 YO Z10.0
G00 Z1.0
G01 Z-11.55 FO.01
M06 T13
M39；銑方式，G91相對編程、G90絕對編程
G00 G90 X-L12 Z1；L12已賦值
G01 G90 Z-9.5 F1200
G01 G91 XO.30
G00 G90 Z1
另外，為保證零件的某些相對位置，按照工藝的要求，進行相對編程和絕對編程的靈活使用。
主軸松開夾緊指令
主軸松開和夾緊指令，在正常的情況下，是裝卸零件時使用，但對于多主軸車床來說，還有其他的用途：
用于雙軸同步加工。在加工細長軸類零件時，用主、副軸分別夾持零件的兩端，利用夾套夾緊時的后縮力，使零件處于被拉緊狀態，再進行切削加工，可以防止因讓刀產生錐度，并能提高零件表面的加工質量。
對于數控縱切車床，經過合理地設置主副軸的松開、夾緊指令，多次拉送料，分段多次加工，可以加工比額定行程長數倍的細長零件。筆者就曾在TONUS DECO2000機床(Z軸行程64mm)上用此方法加工出長96mm的φ0.6mm和φ0.8mm臺階軸。
如：TONUS DECO2000機床為數控縱切車床，配基于FUNAC16系統而改進的、具有電子凸輪功能的、專為縱切機床配套的PNT2000(TONUS專利產品)數控系統，其編程方式有別于一般的車、銑，每一工步是技流程在各個框圖中分別編，現僅列主加工工步的程序：
G00 G100 Z1=0 X1=1；主軸旋轉、冷卻、調刀另有工步
G01 X1=0.6 FO.05
G01 Z1=-60.0 FO.02
G01 X1=1.2 FO.05
G00 G100 X1=20
M111；松主軸
G04 XO.4
G01 Z1=0.0 FO.1
M110；主軸第二次夾緊
G04 XO.4
G01 G100 X1=1.2
G01 X=0.8 F=0.05
G01 Z1=-36.0 FO.02
G01 X1=1.2 FO.05
G00 G100 X1=20；轉換到切斷工步。
G53零點漂移指令
在一般情況下，G53～G59等指令，是運用在零件加工過程中需重新建立編程原點的情況下，如多個零件同時加工等，但如合理使用此類指令，可提高機床的效率。
對于大部分數控設備來說，在開機之后，必須進行一段時間的熱機，以消除因主軸或刀塔發熱所帶來的誤差。如果對機床熟悉，就可以在加工程序的開頭設置G53～G59等指令，人為進行補償，可以大幅縮短熱機時間。如 S-188雙主軸雙刀塔數控車銑中心，因控制的軸數較多，如要尺寸完全穩定，每天需空運行2h左右，經一段時間的摸索，現用G53指令，即：G53 XO.04 YO.01。在2h內，每0.5h減少XO.01 YO.005，可將熱機時間控制在0.5h以內。
批量生產，當工作臺可以裝夾數個零件時，在編程中運用G53～G59等指令，定義幾個不同的加工原點，可以一次裝夾加工數個零件，節省換刀時間，提高工作效率。如 VC750型立式加工中心，工作臺為850mm×530mm，所加工零件的坯料為φ160mm，除去裝夾部分，每次可裝4個零件。程序如下：
G54 P1 M98
／G55 P1 M98
／G56 P1 M98
／G57 P1 M98
M99
將要加工的程序編成子程序(P1號)，在調試時不執行帶／的程序，批量生產后再執行。
G79跳轉指令
G79指令為強行跳轉，在車銑復合加工中心的零件加工程序中使用，可以帶來很大的方便。如S-188雙主軸雙刀塔數控車銑中心，配NUM 1050數控系統，帶自動拉料機構，在零件加工程序的編制中，如：
$ G79 N2037
N2037 GO X52.0 Z2.0
加入G79指令，可以很方便地進行各工步程序的調試，免去一般程序每調一步都要從頭找程序段或在每一程序段結束加 M01的麻煩；同時可以直接跳轉到程序結束句進行割斷。
G09減速與精確定位指令
G09指令其功能是在執行下一條程序之前，減速并準確地停止在當前條程序所確定的位置。在精加工時使用，可以使加工的形位尺寸準確，如 S-188雙主軸雙刀塔數控車銑中心，配NUM 1050數控系統：
G01 Z1 FO.02
G01 G09 ZO.5
G01 G09 X9.745 Z-0.4
G01 Z-11.52
3 結束語
數控加工是基于數控程序的自動化加工方式，在實際加工中，對G、M代碼進行深入分析與研究，對傳統加工方法進行變革，需要有較強的程序指令運用能力和豐富的實踐技能。作者從事數控技術教學、數控加工及數控設備的維護近20年，碰到非常多的技術難題，在特殊G、M代碼的使用方面，積累了一定的經驗。在數控加工程序中，用好這些特殊G、M代碼，對提高零件的加工質量和精度，使用、維護好數控機床具有重要意義。