2.1　數控機床操作基礎

數控機床生產廠家眾多，所采用的數控系統也不一樣，其操作自然有所不同，但其操作原理卻是大同小異。本節主要介紹數控機床操作的基礎知識，以期通過學習這些基礎知識，達到舉一反三了解數控機床的操作規律的目的。

2.1.1　數控機床的工作模式

數控機床操作面板上按鍵眾多，但對它們的操作不管是直接或是間接，都是以數控機床作為操作目標。數控機床的操作內容多且繁雜，為防止出現誤操作，一般將機床的工作分為幾種工作模式（工作狀態），而將各種操作內容分門別類地劃入相應的工作模式，即要對機床做某些操作，必須先要通過工作模式按鍵，使機床進入相應的工作模式。不同的數控系統或機床生產廠家，對機床工作模式的劃分會有所差異。

數控機床的工作模式一般有：自動模式、編輯模式、MDI模式、手輪模式、點動模式、機床原點復位模式、DNC模式等。

①自動模式：自動模式也稱存儲操作模式或加工模式（Machine），在該模式下可以自動運行存儲器的數控程序，完成對工件的自動切削加工。該模式的操作過程一般是：在編輯模式下，通過數控系統程序操作按鍵，查找調出待加工零件的數控程序（程序激活），然后切換到自動模式，通過操作程序運行鍵，就可自動運行程序進行工件的切削加工。

自動模式也用于程序的仿真檢查。陌生程序運行前必須進行仿真檢查，以保證數控程序的正確性。程序仿真時，先要激活程序，再進入自動模式，然后通過仿真按鍵操作，就可檢查程序語法及其走刀軌跡的正確與否。

數控機床自動運行加工程序前必須要保證：所有的軸已經校準；轉塔刀架已調整；沒有NC或機床錯誤顯示；操作門關閉。進入自動模式的數控程序，不允許對其進行編輯操作。

②編輯模式（EDIT）：進入該模式后，再通過數控系統“程序”按鍵操作，可以在機床上建立、刪除、查看、激活、編輯、存取用戶數控程序。進入編輯模式的程序，不允許啟動運行。

③MDI模式：MDI（Manual Data Input），其字面意思就是手動數據輸入，也稱MDA（Manual Data Automatic）模式，即手動數據自動執行模式。進入該模式后，再通過數控系統“程序”按鍵操作，可以手動輸入部分程序段直接運行。這種模式主要用于機床的維修調整、試切對刀和數控培訓練習。顯然，這些情況下的數控程序一般是不完整的或比較短小的。在FANUC數控系統中，對該模式下的操作有些特殊規定，如：輸入的程序長度有限制，一般不能超過一屏；程序不能永久保存，隨著內存的清零而丟失；程序不能進行仿真演示；該模式下可以直接通過程序運行鍵啟動運行程序，某些循環指令（如G71、G72、G73、G70）不能使用該模式等。

④手輪模式（HANDLE）：在該模式下，可以通過轉動手輪控制機床各坐標軸做步進移動。當轉動手輪時，機床工作臺或主軸刀具會根據手輪發出的電脈沖數目實現相應的步距移動。步距可以通過倍率鍵進行調整，倍率一般有三種，分別是：×1、×10、×100，分別對應的步距是：0.001mm、0.01mm和0.1mm。手輪進給主要用于機床的小距離調整移動和刀具的精確對刀。

⑤點動模式（JOG）：該模式下，可以實現機床各坐標軸的點動進給移動，該操作方式主要用于機床工作臺或主軸刀具的大距離空行程移動，一般在機床調整或對刀過程中使用。

機床對刀一般需要JOG進給和手輪進給互相配合，大距離空行程移動采用JOG進給，接近工件后，再采用手輪進給進行精確對刀。

⑥原點復位模式：在機床啟動中或程序仿真后需要進入該模式，進行機床原點復位操作。通過原點復位操作，機床主要運動部件會回到機床生產廠家設定的參考點，數控系統會讀取機床生產廠家設定的機床坐標值，從而確定機床坐標原點具體位置，建立起機床坐標系。

⑦DNC模式：DNC（Distributed Numerical Control）也稱分布式數控，該模式是基于機床群的計算機控制單元，當數控機床面對多變的加工任務時，如果采用手工輸入數控程序，一是程序眾多時比較耗時耗力，二是操作、編輯及修改不便，再者CNC內存較小，程序比較大時就無法輸入。此時必須通過傳輸（電腦與數控CNC之間的串口聯系，即DNC功能）的方法來完成。

2.1.2　數控系統的功能模塊

數控系統是管理、控制數控機床運行的中樞，為使數控機床的各項操作有條不紊，對應數控機床的各項功能操作，數控系統設置有各司其職的功能管理模塊，主要有：程序模塊、偏置設置模塊、系統設置模塊、位置坐標顯示模塊、數控程序仿真模塊等。這些模塊的功能調用可通過相應的按鍵或組合旋鈕操作實現。

①程序模塊：該模塊用于對用戶數控程序的各項操作管理，如程序的編輯、仿真、運行等。在MDI、編輯、自動模式下可以調用該模塊。

在MDI模式下調用該模塊時，可以輸入部分程序段或短小完整程序，啟動運行以實現機床個別部件的運行或短小程序的運行加工；在編輯模式下調用該模塊時的操作功能，見前述關于“編輯模式”的敘述；在自動模式下調用該模塊時，可以實現數控程序的自動運行加工。

②偏置設置模塊：在運行數控程序加工工件之前，必須對刀具、工件坐標系等進行設置，這些設置一般是在“MDI模式”下，通過調用數控系統“偏置設置模塊”進行的。

③系統設置模塊：該功能模塊用于系統的參數設置和更改，以改變機床的配置、性能等，如機床的軟限位保護、極限運動速度、初始化準備功能指令等。

④位置坐標顯示模塊：在數控加工中，有機械（機床）、編程和工件三種坐標系，而數控系統可以根據需要顯示多種坐標值，如：機械（機床）坐標值與工件坐標值，絕對坐標值與相對坐標值等，以滿足對刀和加工過程中的某些需要。

⑤數控程序仿真模塊：由于數控加工程序一般比較復雜，且不同數控系統或機床廠家，其數控程序功能指令和語法規則并不完全一致。因此依靠人工目視檢查數控程序的正確與否并不可靠，采用機外仿真軟件也不一定符合機床數控系統的要求。這就需要機床本身數控系統提供的“數控程序仿真模塊”對用戶程序加以甄別。該模塊需要在機床的“自動模式”下來對用戶程序進行仿真檢查。

用戶程序仿真時，機床機械部分需要鎖定。某些數控系統具有仿真時機械自動鎖定功能，即調用數控仿真功能時，機床機械部分已經自動鎖定，不需要再操作機械鎖定按鍵；而有些數控系統在調用數控仿真功能時，還需要按下機械鎖定按鍵對機床機械部分進行鎖定。在機床上對數控程序進行仿真時，要特別注意這一問題，以防仿真過程中出現撞車現象。數控機床執行仿真操作后，其輸出屏幕顯示坐標和機械實際位置坐標會發生紊亂，再運行程序前必須進行原點復位操作。

2.1.3　數控機床的操作與控制

數控機床是按照程序運行，對工件進行自動加工。但加工前的許多準備工作以及一些輔助動作是需要手動操作完成的，諸如：機床的開關機、工件在機床上的裝夾和找正、對刀建立工件坐標系、刀具在機床上的安裝、刀具補償設定、緊急停止等。程序運行中的控制也需要手動操作。

（1）數控機床的開關機

作為數字化控制機床，數控機床是由數控系統協調指揮數控機床的運轉，數控機床的某些性能可以通過其系統參數設置加以改變，并且數控機床具有比較完備的自診斷和檢測功能。因此，數控機床的啟、停機過程有別于傳統機床。數控機床一般要先啟動數控系統，以便根據其系統參數設定配置相應功能，同時數控系統也根據機床的安全檢測信號決定機床的操作控制。圖2-1是數控機床的啟動過程。數控機床的停機過程一般是其啟動過程的逆向操作，如圖2-2所示。

（2）對刀

零件加工精度是刀具與工件相互運動位置的反映。因此，當工件和刀具在機床上裝夾完畢后，必須要確定刀位點與工件坐標原點的相互位置，這一操作過程稱為對刀。而將對刀結果告知數控系統的操作，就是建立工件坐標系。

對刀的準確程度將直接影響工件的加工精度。因此，對刀操作是一個重要的環節。為保證對刀精度，需要操作者一定要仔細對刀，規范操作；同時要選擇與工件加工精度要求相匹配的對刀方法和測量儀器。當對精度要求較高時，需要借助專門的機外或機內精密對刀量儀進行對刀。

一般情況下，直接在機床上借助通用簡單量儀進行對刀。這種方法具有簡單、實用的特點，但對刀精度一般較低。

1）用百分表（或千分表）對刀

如圖2-3所示，具體對刀操作方法如下：

①用磁性表座將百分表（或千分表）吸在機床主軸端面上，并低速轉動主軸；

②用手動操作，使旋轉的表頭分別靠近X、Y方向的孔壁上，并使表針產生一個預壓量；

③分別在X、Y方向上微量移動工作臺，使表頭旋轉一周時，其指針的擺動量控制在允許的誤差范圍內，此時可認為主軸回轉軸線與工件孔中心線重合；

④記下此時機床的X、Y值，用坐標設定指令就可以設定工件坐標系。

這種對刀方法，操作麻煩，效率較低，對刀精度主要受工件對刀表面精度和對刀量儀精度的影響。

2）采用碰刀（或試切）方式對刀

當精度要求不高時，可直接利用加工刀具進行對刀，如圖2-4所示。其操作方法步驟如下：

①將刀具安裝在主軸上，并使之中速旋轉；

②分別沿X、Y方向，使刀具靠近工件被測邊，直到與工件表面輕微接觸，見圖2-4（a）；

③保持X、Y坐標不變，沿Z向使刀具離開工件表面，見圖2-4（b）；

④將X、Y坐標值置零；

⑤分別沿X、Y方向，使刀具偏置移動一個刀具半徑值，見圖2-4（c）；

⑥此時的X、Y坐標值就是被測邊的坐標偏置值，對其進行坐標偏置設置即可。

這種方法操作簡單，但精度較低，會在工件表面留下刀痕。為避免工件損傷，可讓刀具離開工件一個距離，用塞尺進行檢測，此時偏置移動距離也應該多一個塞尺厚度。推而廣之，也可以用標準量棒和塊規對刀，如圖2-5所示。

3）采用尋邊器對刀

常見的尋邊器有光電式和機械式兩種。光電式尋邊器一般由柄部和觸頭組成，如圖2-6所示。它們之間有一個固定的電位差。觸頭裝在機床主軸上時，工作臺上的金屬工件與觸頭電位相同，當觸頭與工件表面接觸時就形成回路電流，使內部電路產生光、電信號。其對刀操作的方法步驟如下：

①將尋邊器裝在主軸上，并將尋邊器測頭大致移動到被測工件表面上方；

②將測頭下移到球心低于工件上端面位置，如圖2-6所示；

③沿X（或Y）方向慢速移動測頭，直到測頭接觸工件側面，指示燈亮，然后反向移動到指示燈滅；

④逐級降低移動速度（0.1mm→0.01mm→0.001mm），重復步驟③的操作，直到指示燈長亮為止；

⑤將此時機床坐標X（或Y）值置零，將測頭反向移動到工件另一側面處；

⑥重復步驟④的操作；

⑦記下此時機床X（或Y）坐標值；

⑧將主軸移動到X（或Y）坐標值的一半，此處即為兩側面的對稱面位置。

這種對刀方法操作簡便、直觀、效率高，應用廣泛。根據對刀精度要求的不同，步驟④的操作可以簡化或省略。

機械式尋邊器有上下兩部分、中間通過彈簧連接成一個整體，上部分夾持在機床主軸上，當主軸回轉時，由于離心力的作用，上下部分將會出現偏心，當下部分逐漸靠近工件時，其偏心將會逐漸減小。機械式尋邊器結構簡單、價格便宜。由于其結構特點，不適合在臥式機床上使用。其對刀操作方法與光電式基本相同，不同的是根據測頭離心偏擺進行對刀。如圖2-7所示是機械式尋邊器的對刀原理。

4）刀具Z向對刀

影響刀具Z向對刀數據的因素有：刀具長度、刀柄裝夾長度、Z向坐標零點位置。而加工中心有很多刀具，不同的刀具到坐標系零點的距離不同，它們的長度差異在加工中需要相應的補償。

圖2-8所示為Z軸對刀器對刀，可以對不同的刀具進行Z向坐標零點設定。其操作步驟如下：

①將Z軸對刀器放在工件對刀平面上，進行調零設定；

②選定一把刀具壓Z軸對刀器頂面，使百分表（或千分表）指針指到調零位置；

③設定Z向坐標零點（須考慮Z軸對刀器的高度），見圖2-8；

④依次用其他刀具，重復步驟②的操作，并記下各刀具的Z向坐標值A、B、C，見圖2-9；

⑤用這些值對相應刀具進行補償設置。

這種方法操作簡便，精度較高。對精度不高的Z向對刀，可采用碰刀對刀。

5）機外對刀儀對刀

機外對刀的本質是測量出刀具假想刀尖點到刀具臺基準之間X及Z方向的距離。利用機外對刀儀可將刀具預先在機床外校對好，以便裝上機床后將對刀長度輸到相應刀具補償號即可以使用，如圖2-10所示。

機外對刀儀不僅可以用來測量刀具的長度和直徑，也可以測量刀具的形狀和角度。這些參數對工件的加工質量均有影響，刀庫中存放的刀具應有這些參數的比較詳盡的描述。另外，當刀具損壞需要更換新刀具時，可以用機外對刀儀測出新刀相對于原刀具的偏差，以便進行補償，保證加工的正常進行。

6）機內自動對刀

機內自動對刀是通過刀尖檢測系統實現的，刀尖以設定的速度向接觸式傳感器接近，當刀尖與傳感器接觸并發出信號，數控系統立即記下該瞬間的坐標值，并自動修正刀具補償值。圖2-11所示是自動對刀的原理圖。

運行數控程序對工件加工之前，必須通過上述對刀操作，將刀具的參數和補償值、工件坐標系原點偏置值輸入到數控系統中，以保證加工中數控系統能根據所設定工件坐標系和刀具參數進行正確加工。

（3）工件坐標系建立

工件坐標系的建立方法主要有兩種：一種是采用G50（或G92）指令建立；另一種是通過設置工件坐標系零點的坐標偏移值建立。第一種方法在4.3.3節中有講述；現就第二種工件坐標系設定方法和操作步驟通過下面實例加以說明：

如圖2-12（a）所示工件，現準備將其頂面中心點設為工件坐標系零點。首先通過對刀獲知工件坐標系零點在機床坐標系中的坐標值，如圖2-12（b）所示。

在MDI工作模式下，通過操作數控系統【偏置設置】→【坐標設定】按鍵，進入工件坐標系偏置設置界面，將X1、Y1機床坐標值輸入相應位置，如圖2-13所示。X、Y軸工件坐標系零點設定即告完畢。

然后進行Z軸坐標零點的偏置設定。如圖2-14所示，通過試切（也可采用Z軸設定器）獲知工件頂面在機床坐標系的坐標值Z1。

在MDI工作模式下，通過操作數控系統【偏置設置】→【坐標設定】按鍵，進入工件坐標系偏置設置界面，將Z1機床坐標值輸入相應位置，如圖2-15所示。

至此，工件坐標系零件即告設定完畢。

（4）數控程序的調試運行與控制

對于復雜數控程序，為保證其運行的安全，數控系統除專門設置有仿真模塊功能和相應按鍵外，操作面板還配置有眾多的程序運行控制按鍵，這些按鍵一般集中安排在一起，這一區域稱為程序控制面板，這些按鍵稱為程序控制按鍵，主要有：程序運行、進給保持、程序停止、單段運行、選擇停止、單段跳轉、空運行等按鍵。

①程序運行鍵：按下該鍵，數控程序將自動運行，實現對工件的加工。該按鍵需要在“自動模式”或“MDI模式”下操作。運行程序前必須確保數控程序的正確性。

②進給保持鍵：在“自動模式”或“MDI模式”下運行數控程序時，按下該鍵，主軸轉動不停，但所有進給運動會保持暫停，即切削加工暫停，再次按下“程序運行鍵”，切削加工會繼續進行。

③程序停止鍵：該鍵用來停止正在運行的數控程序。

④單段運行鍵：按下該鍵，可使在“自動模式”或“MDI模式”下運行的程序實現逐段運行，即按一次“程序運行鍵”，數控程序只執行一段。這種程序運行控制方式，主要用于數控程序的試切調試。

⑤選擇停止鍵：這個按鍵需要與數控程序中的M01指令配合使用。在按下該鍵運行數控程序，當程序運行遇到M01指令時，程序運行會暫停，再次按下“程序運行鍵”，程序會繼續運行。

⑥單段跳轉鍵：按下該按鍵運行數控程序時，數控系統會自動跳過標有跳轉符“/”的程序段。這可減少結構尺寸基本相同工件的數控程序編寫。

⑦空運行鍵：也稱干運行，在新程序調試時，可執行機床的“空運行”功能。以檢查程序的正確性。在空運行時，程序可循環運行，但軸進給和冷卻劑功能被禁止，換刀循環保持激活。因此可用來快速檢查一個數控程序的各軸線位置。

（5）其他控制鍵

為配合數控機床工作模式和數控系統模塊功能，數控機床操作面板上還設置有其他一些控制按鍵，主要有：方向選擇、機械鎖定、速度調節、手動控制、系統保護、程序傳輸等按鍵。

①方向選擇鍵：有多少運動軸的機床就有多少方向軸選擇按鍵，這些按鍵在手動進給操作時需要；在某些數控系統的機床啟動回參考點操作時也需要。

在選擇“JOG”操作時，需要按下進給方向的“軸選擇鍵”，才可實現該方向的進給運動；采用“手輪”操作時，需要首先選擇手輪的倍率和模式，還需要按下進給方向的“軸選擇鍵”，再轉動手輪才能實現該方向的進給運動。

②機械鎖定鍵：在對用戶數控程序進行仿真演示或刀路檢查時，需要通過該鍵限制機床的某些軸不運動，以防止錯誤程序導致機床機械部分撞車。

③速度調節鍵：數控加工時，切削速度和進給速度是影響切削加工的兩個關鍵要素，不同編程人員對它們的選擇都會有所不同，選擇不當是難免的。因此，數控機床操作面板一般均專門設置有它們的手動調節鍵（一般為旋鈕），以便在程序運行過程中根據具體加工情況進行手工修調。

④輔助動作控制鍵：數控機床的某些動作并不需要通過數控程序控制，如：加工前工件的裝夾，加工后工件的拆卸等；還有些動作雖然可以用數控程序控制，但在程序運行過程中，有時需要根據具體加工情況手動啟停，如：冷卻液的開停，排屑機構的啟停等。因此，數控機床操作面板上配置有它們的手動操作按鍵。

⑤系統保護：數控系統參數和數控程序的隨意更改，不但會導致機床性能的變化，還會導致加工事故的發生。因此，數控機床一般都設置有安全保護，數控系統一般設置有安全保護密碼，機床面板上也設置有保護鎖。

⑥程序傳輸：數控機床與外部計算機有時需要數據互傳。因此，數控機床上均設置有數據傳輸接口，這些接口的種類有：軟盤驅動器、R-232接口、CF卡接口、網線口等，以及為實現數據傳輸的控制按鍵。

2.1.4　數控機床安全操作常識

機床的安全、可靠運行是生產得以順利進行的保證。工業化大生產的細密分工使安全生產牽涉到多個方面，因此需要多方面共同的努力。首先要有嚴密的制度保障；其次要有精細的技術支持；最后還需要操作人員的技能水平保證。

（1）數控機床安全操作規程

數控機床操作人員必須經過專門的培訓，因為每臺機床的數控系統在組成與結構上都有所不同，所以數控機床操作人員應定機定人，操作人員在使用數控機床之前，應仔細閱讀《說明書》中的有關內容，熟悉數控機床的基本組成與結構，了解所用數控機床的性能，熟練地掌握數控系統和操作面板上各個開關的作用，從而可避免一些因操作不當引起的故障。

（2）對數控機床操作人員的基本要求

數控機床是集傳統機床的機、電、液系統，外加現代的計算機控制、自動檢測等系統于一體的先進制造設備，其伺服系統技術復雜，機床精度要求很高。因此，數控機床的使用不同于簡單的設備，而是一項高技術應用工程。這就要求數控機床的操作、維修和管理人員具有較高的文化水平和業務素質。為此均應進行較為嚴格和系統的技術培訓，由于初次使用數控機床時，多是因為操作技術不熟練，從而引起故障造成機床停機。根據企業使用統計，導致數控機床故障的類別和頻數見表2-1。

由表中數據可知：因操作、保養、調整不當的共有9次，占總故障次數的56.3%。因此數控機床操作人員必須具備以下素質：

①知識面廣。數控機床操作人員應具有一定的理論知識。要懂得一些數控機床電氣方面的知識，要了解數控機床結構并具有很好的機械加工工藝方面的知識。總之，應有比較寬的機、電、液專業知識，一專多能。

②加強數控機床操作方法和技巧的培訓，培養綜合分析和解決問題的能力。

③了解機床整機的性能、工作原理及結構，具有一定的數控機床常規維護能力，具有實驗技能和一般故障的排除能力。

④高度責任心和良好的職業道德。操作人員要有高度的責任感，愛崗如家，做好機床的日常維護和正確使用，從而保證數控機床的正常運行，最大限度地保證和延長數控機床的使用壽命。

（3）對數控工藝和編程的技術要求

①數控加工坐標系的準確理解是正確進行數控編程的首要條件。一定要清楚數控加工三個坐標系——機床坐標系，編程坐標系和工件坐標系。

②正確設計加工工藝，是安全生產的先決條件。要正確地理解和選擇起刀點、下刀點、換刀點、刀位點，進退刀點選擇時要注意，進刀不能撞工件，退刀應先離開工件，正確規劃走刀路線；選擇適當的加工順序和裝夾方法，要遵循先粗后精、先近后遠、內外交叉等一般性原則，編程中應將工件的余量考慮進去，避免事故發生。

③正確理解數控指令和編程規則是數控機床安全生產的技術保證。“G0”指令在進退刀時盡量避免“X、Y、Z”同時移動；差補加工指令中F值單位避免錯亂，以防F值過大，造成或是機床不動，伺服系統報警，或是刀具移動速度非常快（大于G0），出現撞車事故。