2.1　数控机床操作基础

数控机床生产厂家众多，所采用的数控系统也不一样，其操作自然有所不同，但其操作原理却是大同小异。本节主要介绍数控机床操作的基础知识，以期通过学习这些基础知识，达到举一反三了解数控机床的操作规律的目的。

2.1.1　数控机床的工作模式

数控机床操作面板上按键众多，但对它们的操作不管是直接或是间接，都是以数控机床作为操作目标。数控机床的操作内容多且繁杂，为防止出现误操作，一般将机床的工作分为几种工作模式（工作状态），而将各种操作内容分门别类地划入相应的工作模式，即要对机床做某些操作，必须先要通过工作模式按键，使机床进入相应的工作模式。不同的数控系统或机床生产厂家，对机床工作模式的划分会有所差异。

数控机床的工作模式一般有：自动模式、编辑模式、MDI模式、手轮模式、点动模式、机床原点复位模式、DNC模式等。

①自动模式：自动模式也称存储操作模式或加工模式（Machine），在该模式下可以自动运行存储器的数控程序，完成对工件的自动切削加工。该模式的操作过程一般是：在编辑模式下，通过数控系统程序操作按键，查找调出待加工零件的数控程序（程序激活），然后切换到自动模式，通过操作程序运行键，就可自动运行程序进行工件的切削加工。

自动模式也用于程序的仿真检查。陌生程序运行前必须进行仿真检查，以保证数控程序的正确性。程序仿真时，先要激活程序，再进入自动模式，然后通过仿真按键操作，就可检查程序语法及其走刀轨迹的正确与否。

数控机床自动运行加工程序前必须要保证：所有的轴已经校准；转塔刀架已调整；没有NC或机床错误显示；操作门关闭。进入自动模式的数控程序，不允许对其进行编辑操作。

②编辑模式（EDIT）：进入该模式后，再通过数控系统“程序”按键操作，可以在机床上建立、删除、查看、激活、编辑、存取用户数控程序。进入编辑模式的程序，不允许启动运行。

③MDI模式：MDI（Manual Data Input），其字面意思就是手动数据输入，也称MDA（Manual Data Automatic）模式，即手动数据自动执行模式。进入该模式后，再通过数控系统“程序”按键操作，可以手动输入部分程序段直接运行。这种模式主要用于机床的维修调整、试切对刀和数控培训练习。显然，这些情况下的数控程序一般是不完整的或比较短小的。在FANUC数控系统中，对该模式下的操作有些特殊规定，如：输入的程序长度有限制，一般不能超过一屏；程序不能永久保存，随着内存的清零而丢失；程序不能进行仿真演示；该模式下可以直接通过程序运行键启动运行程序，某些循环指令（如G71、G72、G73、G70）不能使用该模式等。

④手轮模式（HANDLE）：在该模式下，可以通过转动手轮控制机床各坐标轴做步进移动。当转动手轮时，机床工作台或主轴刀具会根据手轮发出的电脉冲数目实现相应的步距移动。步距可以通过倍率键进行调整，倍率一般有三种，分别是：×1、×10、×100，分别对应的步距是：0.001mm、0.01mm和0.1mm。手轮进给主要用于机床的小距离调整移动和刀具的精确对刀。

⑤点动模式（JOG）：该模式下，可以实现机床各坐标轴的点动进给移动，该操作方式主要用于机床工作台或主轴刀具的大距离空行程移动，一般在机床调整或对刀过程中使用。

机床对刀一般需要JOG进给和手轮进给互相配合，大距离空行程移动采用JOG进给，接近工件后，再采用手轮进给进行精确对刀。

⑥原点复位模式：在机床启动中或程序仿真后需要进入该模式，进行机床原点复位操作。通过原点复位操作，机床主要运动部件会回到机床生产厂家设定的参考点，数控系统会读取机床生产厂家设定的机床坐标值，从而确定机床坐标原点具体位置，建立起机床坐标系。

⑦DNC模式：DNC（Distributed Numerical Control）也称分布式数控，该模式是基于机床群的计算机控制单元，当数控机床面对多变的加工任务时，如果采用手工输入数控程序，一是程序众多时比较耗时耗力，二是操作、编辑及修改不便，再者CNC内存较小，程序比较大时就无法输入。此时必须通过传输（电脑与数控CNC之间的串口联系，即DNC功能）的方法来完成。

2.1.2　数控系统的功能模块

数控系统是管理、控制数控机床运行的中枢，为使数控机床的各项操作有条不紊，对应数控机床的各项功能操作，数控系统设置有各司其职的功能管理模块，主要有：程序模块、偏置设置模块、系统设置模块、位置坐标显示模块、数控程序仿真模块等。这些模块的功能调用可通过相应的按键或组合旋钮操作实现。

①程序模块：该模块用于对用户数控程序的各项操作管理，如程序的编辑、仿真、运行等。在MDI、编辑、自动模式下可以调用该模块。

在MDI模式下调用该模块时，可以输入部分程序段或短小完整程序，启动运行以实现机床个别部件的运行或短小程序的运行加工；在编辑模式下调用该模块时的操作功能，见前述关于“编辑模式”的叙述；在自动模式下调用该模块时，可以实现数控程序的自动运行加工。

②偏置设置模块：在运行数控程序加工工件之前，必须对刀具、工件坐标系等进行设置，这些设置一般是在“MDI模式”下，通过调用数控系统“偏置设置模块”进行的。

③系统设置模块：该功能模块用于系统的参数设置和更改，以改变机床的配置、性能等，如机床的软限位保护、极限运动速度、初始化准备功能指令等。

④位置坐标显示模块：在数控加工中，有机械（机床）、编程和工件三种坐标系，而数控系统可以根据需要显示多种坐标值，如：机械（机床）坐标值与工件坐标值，绝对坐标值与相对坐标值等，以满足对刀和加工过程中的某些需要。

⑤数控程序仿真模块：由于数控加工程序一般比较复杂，且不同数控系统或机床厂家，其数控程序功能指令和语法规则并不完全一致。因此依靠人工目视检查数控程序的正确与否并不可靠，采用机外仿真软件也不一定符合机床数控系统的要求。这就需要机床本身数控系统提供的“数控程序仿真模块”对用户程序加以甄别。该模块需要在机床的“自动模式”下来对用户程序进行仿真检查。

用户程序仿真时，机床机械部分需要锁定。某些数控系统具有仿真时机械自动锁定功能，即调用数控仿真功能时，机床机械部分已经自动锁定，不需要再操作机械锁定按键；而有些数控系统在调用数控仿真功能时，还需要按下机械锁定按键对机床机械部分进行锁定。在机床上对数控程序进行仿真时，要特别注意这一问题，以防仿真过程中出现撞车现象。数控机床执行仿真操作后，其输出屏幕显示坐标和机械实际位置坐标会发生紊乱，再运行程序前必须进行原点复位操作。

2.1.3　数控机床的操作与控制

数控机床是按照程序运行，对工件进行自动加工。但加工前的许多准备工作以及一些辅助动作是需要手动操作完成的，诸如：机床的开关机、工件在机床上的装夹和找正、对刀建立工件坐标系、刀具在机床上的安装、刀具补偿设定、紧急停止等。程序运行中的控制也需要手动操作。

（1）数控机床的开关机

作为数字化控制机床，数控机床是由数控系统协调指挥数控机床的运转，数控机床的某些性能可以通过其系统参数设置加以改变，并且数控机床具有比较完备的自诊断和检测功能。因此，数控机床的启、停机过程有别于传统机床。数控机床一般要先启动数控系统，以便根据其系统参数设定配置相应功能，同时数控系统也根据机床的安全检测信号决定机床的操作控制。图2-1是数控机床的启动过程。数控机床的停机过程一般是其启动过程的逆向操作，如图2-2所示。

（2）对刀

零件加工精度是刀具与工件相互运动位置的反映。因此，当工件和刀具在机床上装夹完毕后，必须要确定刀位点与工件坐标原点的相互位置，这一操作过程称为对刀。而将对刀结果告知数控系统的操作，就是建立工件坐标系。

对刀的准确程度将直接影响工件的加工精度。因此，对刀操作是一个重要的环节。为保证对刀精度，需要操作者一定要仔细对刀，规范操作；同时要选择与工件加工精度要求相匹配的对刀方法和测量仪器。当对精度要求较高时，需要借助专门的机外或机内精密对刀量仪进行对刀。

一般情况下，直接在机床上借助通用简单量仪进行对刀。这种方法具有简单、实用的特点，但对刀精度一般较低。

1）用百分表（或千分表）对刀

如图2-3所示，具体对刀操作方法如下：

①用磁性表座将百分表（或千分表）吸在机床主轴端面上，并低速转动主轴；

②用手动操作，使旋转的表头分别靠近X、Y方向的孔壁上，并使表针产生一个预压量；

③分别在X、Y方向上微量移动工作台，使表头旋转一周时，其指针的摆动量控制在允许的误差范围内，此时可认为主轴回转轴线与工件孔中心线重合；

④记下此时机床的X、Y值，用坐标设定指令就可以设定工件坐标系。

这种对刀方法，操作麻烦，效率较低，对刀精度主要受工件对刀表面精度和对刀量仪精度的影响。

2）采用碰刀（或试切）方式对刀

当精度要求不高时，可直接利用加工刀具进行对刀，如图2-4所示。其操作方法步骤如下：

①将刀具安装在主轴上，并使之中速旋转；

②分别沿X、Y方向，使刀具靠近工件被测边，直到与工件表面轻微接触，见图2-4（a）；

③保持X、Y坐标不变，沿Z向使刀具离开工件表面，见图2-4（b）；

④将X、Y坐标值置零；

⑤分别沿X、Y方向，使刀具偏置移动一个刀具半径值，见图2-4（c）；

⑥此时的X、Y坐标值就是被测边的坐标偏置值，对其进行坐标偏置设置即可。

这种方法操作简单，但精度较低，会在工件表面留下刀痕。为避免工件损伤，可让刀具离开工件一个距离，用塞尺进行检测，此时偏置移动距离也应该多一个塞尺厚度。推而广之，也可以用标准量棒和块规对刀，如图2-5所示。

3）采用寻边器对刀

常见的寻边器有光电式和机械式两种。光电式寻边器一般由柄部和触头组成，如图2-6所示。它们之间有一个固定的电位差。触头装在机床主轴上时，工作台上的金属工件与触头电位相同，当触头与工件表面接触时就形成回路电流，使内部电路产生光、电信号。其对刀操作的方法步骤如下：

①将寻边器装在主轴上，并将寻边器测头大致移动到被测工件表面上方；

②将测头下移到球心低于工件上端面位置，如图2-6所示；

③沿X（或Y）方向慢速移动测头，直到测头接触工件侧面，指示灯亮，然后反向移动到指示灯灭；

④逐级降低移动速度（0.1mm→0.01mm→0.001mm），重复步骤③的操作，直到指示灯长亮为止；

⑤将此时机床坐标X（或Y）值置零，将测头反向移动到工件另一侧面处；

⑥重复步骤④的操作；

⑦记下此时机床X（或Y）坐标值；

⑧将主轴移动到X（或Y）坐标值的一半，此处即为两侧面的对称面位置。

这种对刀方法操作简便、直观、效率高，应用广泛。根据对刀精度要求的不同，步骤④的操作可以简化或省略。

机械式寻边器有上下两部分、中间通过弹簧连接成一个整体，上部分夹持在机床主轴上，当主轴回转时，由于离心力的作用，上下部分将会出现偏心，当下部分逐渐靠近工件时，其偏心将会逐渐减小。机械式寻边器结构简单、价格便宜。由于其结构特点，不适合在卧式机床上使用。其对刀操作方法与光电式基本相同，不同的是根据测头离心偏摆进行对刀。如图2-7所示是机械式寻边器的对刀原理。

4）刀具Z向对刀

影响刀具Z向对刀数据的因素有：刀具长度、刀柄装夹长度、Z向坐标零点位置。而加工中心有很多刀具，不同的刀具到坐标系零点的距离不同，它们的长度差异在加工中需要相应的补偿。

图2-8所示为Z轴对刀器对刀，可以对不同的刀具进行Z向坐标零点设定。其操作步骤如下：

①将Z轴对刀器放在工件对刀平面上，进行调零设定；

②选定一把刀具压Z轴对刀器顶面，使百分表（或千分表）指针指到调零位置；

③设定Z向坐标零点（须考虑Z轴对刀器的高度），见图2-8；

④依次用其他刀具，重复步骤②的操作，并记下各刀具的Z向坐标值A、B、C，见图2-9；

⑤用这些值对相应刀具进行补偿设置。

这种方法操作简便，精度较高。对精度不高的Z向对刀，可采用碰刀对刀。

5）机外对刀仪对刀

机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输到相应刀具补偿号即可以使用，如图2-10所示。

机外对刀仪不仅可以用来测量刀具的长度和直径，也可以测量刀具的形状和角度。这些参数对工件的加工质量均有影响，刀库中存放的刀具应有这些参数的比较详尽的描述。另外，当刀具损坏需要更换新刀具时，可以用机外对刀仪测出新刀相对于原刀具的偏差，以便进行补偿，保证加工的正常进行。

6）机内自动对刀

机内自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。图2-11所示是自动对刀的原理图。

运行数控程序对工件加工之前，必须通过上述对刀操作，将刀具的参数和补偿值、工件坐标系原点偏置值输入到数控系统中，以保证加工中数控系统能根据所设定工件坐标系和刀具参数进行正确加工。

（3）工件坐标系建立

工件坐标系的建立方法主要有两种：一种是采用G50（或G92）指令建立；另一种是通过设置工件坐标系零点的坐标偏移值建立。第一种方法在4.3.3节中有讲述；现就第二种工件坐标系设定方法和操作步骤通过下面实例加以说明：

如图2-12（a）所示工件，现准备将其顶面中心点设为工件坐标系零点。首先通过对刀获知工件坐标系零点在机床坐标系中的坐标值，如图2-12（b）所示。

在MDI工作模式下，通过操作数控系统【偏置设置】→【坐标设定】按键，进入工件坐标系偏置设置界面，将X1、Y1机床坐标值输入相应位置，如图2-13所示。X、Y轴工件坐标系零点设定即告完毕。

然后进行Z轴坐标零点的偏置设定。如图2-14所示，通过试切（也可采用Z轴设定器）获知工件顶面在机床坐标系的坐标值Z1。

在MDI工作模式下，通过操作数控系统【偏置设置】→【坐标设定】按键，进入工件坐标系偏置设置界面，将Z1机床坐标值输入相应位置，如图2-15所示。

至此，工件坐标系零件即告设定完毕。

（4）数控程序的调试运行与控制

对于复杂数控程序，为保证其运行的安全，数控系统除专门设置有仿真模块功能和相应按键外，操作面板还配置有众多的程序运行控制按键，这些按键一般集中安排在一起，这一区域称为程序控制面板，这些按键称为程序控制按键，主要有：程序运行、进给保持、程序停止、单段运行、选择停止、单段跳转、空运行等按键。

①程序运行键：按下该键，数控程序将自动运行，实现对工件的加工。该按键需要在“自动模式”或“MDI模式”下操作。运行程序前必须确保数控程序的正确性。

②进给保持键：在“自动模式”或“MDI模式”下运行数控程序时，按下该键，主轴转动不停，但所有进给运动会保持暂停，即切削加工暂停，再次按下“程序运行键”，切削加工会继续进行。

③程序停止键：该键用来停止正在运行的数控程序。

④单段运行键：按下该键，可使在“自动模式”或“MDI模式”下运行的程序实现逐段运行，即按一次“程序运行键”，数控程序只执行一段。这种程序运行控制方式，主要用于数控程序的试切调试。

⑤选择停止键：这个按键需要与数控程序中的M01指令配合使用。在按下该键运行数控程序，当程序运行遇到M01指令时，程序运行会暂停，再次按下“程序运行键”，程序会继续运行。

⑥单段跳转键：按下该按键运行数控程序时，数控系统会自动跳过标有跳转符“/”的程序段。这可减少结构尺寸基本相同工件的数控程序编写。

⑦空运行键：也称干运行，在新程序调试时，可执行机床的“空运行”功能。以检查程序的正确性。在空运行时，程序可循环运行，但轴进给和冷却剂功能被禁止，换刀循环保持激活。因此可用来快速检查一个数控程序的各轴线位置。

（5）其他控制键

为配合数控机床工作模式和数控系统模块功能，数控机床操作面板上还设置有其他一些控制按键，主要有：方向选择、机械锁定、速度调节、手动控制、系统保护、程序传输等按键。

①方向选择键：有多少运动轴的机床就有多少方向轴选择按键，这些按键在手动进给操作时需要；在某些数控系统的机床启动回参考点操作时也需要。

在选择“JOG”操作时，需要按下进给方向的“轴选择键”，才可实现该方向的进给运动；采用“手轮”操作时，需要首先选择手轮的倍率和模式，还需要按下进给方向的“轴选择键”，再转动手轮才能实现该方向的进给运动。

②机械锁定键：在对用户数控程序进行仿真演示或刀路检查时，需要通过该键限制机床的某些轴不运动，以防止错误程序导致机床机械部分撞车。

③速度调节键：数控加工时，切削速度和进给速度是影响切削加工的两个关键要素，不同编程人员对它们的选择都会有所不同，选择不当是难免的。因此，数控机床操作面板一般均专门设置有它们的手动调节键（一般为旋钮），以便在程序运行过程中根据具体加工情况进行手工修调。

④辅助动作控制键：数控机床的某些动作并不需要通过数控程序控制，如：加工前工件的装夹，加工后工件的拆卸等；还有些动作虽然可以用数控程序控制，但在程序运行过程中，有时需要根据具体加工情况手动启停，如：冷却液的开停，排屑机构的启停等。因此，数控机床操作面板上配置有它们的手动操作按键。

⑤系统保护：数控系统参数和数控程序的随意更改，不但会导致机床性能的变化，还会导致加工事故的发生。因此，数控机床一般都设置有安全保护，数控系统一般设置有安全保护密码，机床面板上也设置有保护锁。

⑥程序传输：数控机床与外部计算机有时需要数据互传。因此，数控机床上均设置有数据传输接口，这些接口的种类有：软盘驱动器、R-232接口、CF卡接口、网线口等，以及为实现数据传输的控制按键。

2.1.4　数控机床安全操作常识

机床的安全、可靠运行是生产得以顺利进行的保证。工业化大生产的细密分工使安全生产牵涉到多个方面，因此需要多方面共同的努力。首先要有严密的制度保障；其次要有精细的技术支持；最后还需要操作人员的技能水平保证。

（1）数控机床安全操作规程

数控机床操作人员必须经过专门的培训，因为每台机床的数控系统在组成与结构上都有所不同，所以数控机床操作人员应定机定人，操作人员在使用数控机床之前，应仔细阅读《说明书》中的有关内容，熟悉数控机床的基本组成与结构，了解所用数控机床的性能，熟练地掌握数控系统和操作面板上各个开关的作用，从而可避免一些因操作不当引起的故障。

（2）对数控机床操作人员的基本要求

数控机床是集传统机床的机、电、液系统，外加现代的计算机控制、自动检测等系统于一体的先进制造设备，其伺服系统技术复杂，机床精度要求很高。因此，数控机床的使用不同于简单的设备，而是一项高技术应用工程。这就要求数控机床的操作、维修和管理人员具有较高的文化水平和业务素质。为此均应进行较为严格和系统的技术培训，由于初次使用数控机床时，多是因为操作技术不熟练，从而引起故障造成机床停机。根据企业使用统计，导致数控机床故障的类别和频数见表2-1。

由表中数据可知：因操作、保养、调整不当的共有9次，占总故障次数的56.3%。因此数控机床操作人员必须具备以下素质：

①知识面广。数控机床操作人员应具有一定的理论知识。要懂得一些数控机床电气方面的知识，要了解数控机床结构并具有很好的机械加工工艺方面的知识。总之，应有比较宽的机、电、液专业知识，一专多能。

②加强数控机床操作方法和技巧的培训，培养综合分析和解决问题的能力。

③了解机床整机的性能、工作原理及结构，具有一定的数控机床常规维护能力，具有实验技能和一般故障的排除能力。

④高度责任心和良好的职业道德。操作人员要有高度的责任感，爱岗如家，做好机床的日常维护和正确使用，从而保证数控机床的正常运行，最大限度地保证和延长数控机床的使用寿命。

（3）对数控工艺和编程的技术要求

①数控加工坐标系的准确理解是正确进行数控编程的首要条件。一定要清楚数控加工三个坐标系——机床坐标系，编程坐标系和工件坐标系。

②正确设计加工工艺，是安全生产的先决条件。要正确地理解和选择起刀点、下刀点、换刀点、刀位点，进退刀点选择时要注意，进刀不能撞工件，退刀应先离开工件，正确规划走刀路线；选择适当的加工顺序和装夹方法，要遵循先粗后精、先近后远、内外交叉等一般性原则，编程中应将工件的余量考虑进去，避免事故发生。

③正确理解数控指令和编程规则是数控机床安全生产的技术保证。“G0”指令在进退刀时尽量避免“X、Y、Z”同时移动；差补加工指令中F值单位避免错乱，以防F值过大，造成或是机床不动，伺服系统报警，或是刀具移动速度非常快（大于G0），出现撞车事故。