6.2.1 字符编码标准与加工程序指令标准化
以前广泛采用数控穿孔纸带作为加工程序信息输入介质。纸带上表示代码的字符及其穿孔编码标准有EIA（美国电子工业协会）制定的EIA RS—244和ISO（国际标准化协会）制定的ISO RS841两种标准。国际上大都采用ISO代码，由于EIA代码发展较早，已有的数控机床中有一些是应用EIA代码的，现在我国规定新产品一律采用ISO代码。也有一些机床，具有两套译码功能，既可采用ISO代码也可采用EIA代码。目前，绝大多数数控系统采用通用计算机编码，并提供与通用微型计算机完全相同的文件格式保存、传送数控加工程序。因此，纸带已逐步被现代化的信息介质所取代。
除了字符编码标准外，更重要的是加工程序指令的标准化，主要包括准备功能码（G代码）、辅助功能码（M代码）及其他指令代码。我国机械工业制定了有关G代码和M代码的JB/T 3208—1999（已作废）标准，它与国际上使用的ISO 1056—1975E标准基本一致。
6.2.2 数控机床坐标系
1）坐标轴
为了保证程序的通用性，国际标准化组织对数控机床的坐标和方向制定了统一的标准。参照国际标准化组织标准，我国也颁布了《数字控制机床坐标和运动方向的命名》［JB/T 3051—1999（已作废）］标准，规定直线运动的坐标轴用x、y、z表示，围绕x、y、z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。对各坐标轴及运动方向规定的内容和原则如下。
（1）刀具相对于静止工件运动的原则。编程人员在编程时不必考虑是刀具移向工件，还是工件移向刀具，只需根据零件图样进行编程。规定假定工件是永远静止的，而刀具相对于静止的工件运动。
（2）标准坐标系各坐标轴之间的关系。在机床上建立一个标准坐标系，以确定机床的运动方向和移动的距离，这个标准坐标系也称机床坐标系。机床坐标系中x、y、z轴的关系用右手直角笛卡儿法则确定，如图6-4所示。为保证编程方便，使坐标轴的名称和正、负方向都符合右手法则，图中大拇指的指向为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。围绕x、y、z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C的方向用右手螺旋法则确定。以大拇指指向＋x、＋y、＋z方向，则其余手指握轴的旋转方向为＋A、＋B、＋C方向。
图6-4 右手坐标系
（3）机床部件的运动方向。机床某一部件运动的正方向，是使刀具远离工件的方向。
①z轴方向 平行于机床主轴的刀具运动方向为z向。
②x轴方向 x轴沿水平方向，垂直于z轴并平行于工件的装夹平面。
③y轴方向 y轴垂直于x、z轴。当＋x、＋z确定以后，按右手笛卡儿法则即可确定＋y方向。
无论哪一种数控机床，都规定z轴为平行于其主轴中心线的坐标轴。如果一台机床有多根主轴，应选择垂直于工件装夹面的主要轴为z轴。x轴通常与主要切削进给方向平行。旋转坐标轴A、B、C的方向分别对应x、y、z轴按右手螺旋方向确定。图6-5所示为数控机床坐标轴示例。
图6-5 数控机床的坐标轴
2）坐标系
在坐标系中坐标轴的方向确定以后，接着确定坐标原点的位置，只有坐标原点确定后，坐标系统才算确定了。加工程序就在这个坐标系内运行。如果坐标原点不同，即使是执行同一段程序，刀具在机床上的加工位置也是不同的。
由于数控系统类型不同，所规定的建立坐标系的方法也不同。
（1）机床坐标系。机床坐标系的坐标原点在机床上某一点，它是固定不变的，机床出厂时已确定。此外，机床的基准点、换刀点、托板的交换点、机床限位开关或挡块的位置都是机床上固有的点，这些点在机床坐标系中都是固定点。
机床坐标系是最基本的坐标系，是在机床回参考点操作完成以后建立的。一旦建立起来，不受控制程序和设定新坐标系的影响，只受断电的影响。
（2）工件坐标系。工件坐标系是程序编制人员在编程时使用的。程序编制人员以工件上的某一点为坐标原点，建立一个新坐标系。在这个坐标系内编程可以简化坐标计算，减少错误，缩短程序长度。但在实际加工中，操作者在机床上装好工件之后要测量该工件坐标系的原点和基本机床坐标系原点的距离，并把测得的距离在数控系统中预先设定好，这个设定值称为工件零点偏置。在刀具移动时，工件坐标系零点偏置便自动加到按工件坐标系编写的程序坐标值上。对于编程者来说，只是按图纸上的坐标来编程，而不必事先去考虑该工件在机床坐标系中的具体位置，如图6-6所示。
图6-6 工件坐标系
6.2.3 数控加工程序的结构与格式
数控机床每完成一个工件的加工，就需执行一个完整的程序，每个程序由许多程序段组成。每个程序段由序号、若干字和结束符号组成，每个字又由字母和数字组成。有些字母表示某种功能，如G代码、M代码；有些字母表示坐标，如X、Y、Z、U、V、W、A、B、C；还有一些表示其他功能的符号。程序段格式是指程序段的书写规则。常用的程序段格式有字地址可变程序段格式、固定顺序程序段格式、用分隔符的程序段格式三种，现在一般使用字地址可变程序段格式。
下面就是一个字地址可变程序段格式的程序段例子：
字地址可变程序段由顺序号字、各种功能字、程序段结束符组成，字的排列顺序要求不严格，数据字的位数根据需要可多可少，不需要的字及与前一程序段相同的续效字可以不写，因而程序段的长度可变。该格式的优点是程序简洁、直观，便于检查和修改，因此目前被广泛采用。
一段程序包括如下三部分。
（1）程序标号字。程序标号字也称为程序段号，用于识别和区分程序段的标号。用地址码N和后面的若干位数字来表示。例如，N008就表示该程序段的标号为008。在大部分数控系统中，对所有的程序段都标号，也可以只对一些特定的程序段标号。程序段标号为程序査找提供了方便的条件，特别对程序跳转来说，程序段标号就是必要的。
注意：程序段标号与程序的执行顺序无关，不管有无标号，程序都是按排列的先后次序执行。通常标号是按程序的排列次序给出的。
（2）程序段的结束符号。日本FANUC中使用“；”做程序段的结束符号，但有些系统使用的是“*”或“LF”。任何一个程序段都必须有结束符号，没有结束符号的语句是错误语句。计算机不执行含有错误的程序段。
（3）程序段的主体部分。一段程序中，除序号和结束符号外的其余部分是程序主体部分。主体部分规定一段完整的加工过程，包含各种控制信息和数据。它由一个以上功能字组成，主要的功能字有准备功能字、坐标字、辅助功能字、进给功能字、主轴功能字和刀具功能字等。
注意：对于程序段中的坐标字，一些数控系统区分使用小数点输入数值与无小数点输入数值。小数点可用于距离、时间和速度等量。对于距离，小数点的位置单位是mm或in；对于时间，小数点的位置单位是s。无小数点时输入数值与参数的最小设定单位有关，代表最小设定单位的整数倍。
6.2.4 功能字
在数控机床加工中，常用准备功能字、辅助功能字、进给功能字、主轴转速功能字、刀具功能字、辅助功能字等来控制各种加工操作。
1）准备功能字
准备功能字即G功能字。G功能字是使数控机床做某种操作的指令，用地址G和两位数字来表示，从G00～G99共100种（见表6-1）。有时，G功能字可能还带有小数位。它们中许多已经被定为工业标准代码。G代码有模态和非模态之分。模态G代码一旦执行就一直有效，直到被同一模态组的另一个G代码取代为止。非模态G代码只在它所在的程序段内有效。
表6-1 G代码表
（续表）
（续表）
注：①指定功能代码中，凡有小写字母a、b、c、…指示的，为同一类型的代码。在程序中，这种功能指令为保持型的，可以为同类字母的指令所代替。
②“不指定”代码，即在将来修订标准时，可能对它规定功能。
③“永不指定”代码，即在本标准内，将来也不指定。
④“○”符号表示功能仅在所出现的程序段内有用。
⑤“＃”符号表示若选作特殊用途，必须在程序格式解释中说明。
⑥功能栏（ ）内的内容，是为便于对功能的理解而附加的说明，一切内容以部颁标准为准。
常用的G功能字有如下几种：
（1）绝对、相对坐标指令G90、G91。数控加工中刀具的位移由坐标值表示，而坐标值有绝对坐标和相对坐标两种表达方式。使用指令G90/G91可以分别设定绝对坐标编程和相对坐标编程。
（2）快速定位指令G00。在加工过程中，常需要刀具空运行到某一点，为下一步加工做好准备，利用指令G00可以使刀具快速移动到目标点。
（3）直线插补指令G01。该指令用来指定直线插补，以切削加工任意斜率的平面或空间直线。
（4）圆弧插补指令G02、G03。G02为顺圆插补，G03为逆圆插补，以实现在指定平面内按设定的进给速度沿圆弧轨迹切削。圆弧顺时针（或逆时针）旋转的判别方式为：在右手直角坐标系中，沿x、y、z三轴中非圆弧所在平面（如Oxy平面）的轴（如z轴）正向往负向看去，顺时针方向用G02，反之用G03。
（5）刀具半径补偿指令G40、G41、G42。用G41/G42指令可以分别指定左（右）侧刀具半径补偿，即从刀具运动方向看去，刀具中心在工件的左（右）侧建立刀具半径补偿，如图6-7所示，在加工中自动加上所需的偏置量；利用G40指令可以撤销刀具半径补偿，为系统的初始状态。
图6-7 刀具半径补偿
刀具半径补偿的优越性如下：①可直接按零件轮廓编程，不必考虑刀具的半径值，从而简化编程；②当刀具磨损或重磨后，刀具半径减小，只需手工输入新的半径值，而不必修改程序；③可用同一程序（或稍作修改），甚至同一刀具进行粗、精加工。
（6）刀具长度补偿指令G43、G44、G49。利用G43/G44可以建立刀具正（负）向长度补偿，分别指定在刀具长度方向上（z轴）增加（正向）或减少（负向）一个刀具长度补偿值；利用G49指令可以撤销刀具长度补偿，为系统的初始状态。
数控铣床在切削过程中不可避免地存在刀具磨损问题，譬如钻头长度变短、铣刀半径变小等，这时加工出的工件尺寸也会随之变化。如果系统具有刀具尺寸补偿功能，可修改长度补偿参数值，使加工出的工件尺寸仍然符合图纸要求，否则就得重新编写数控加工程序。
2）坐标字
坐标字由坐标名、带“＋”“－”符号的绝对坐标值（或增量坐标值）构成。坐标名有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K等。符号“＋”可以省略。
表示坐标名的英文字母的含义如下所示：
（1）X、Y、Z：坐标系的主坐标字符。
（2）A、B、C：分别对应绕x、y、z坐标轴的转动坐标。
（3）U、V、W：分别对应平行于x、y、z坐标轴的第二坐标字符。
（4）P、Q、R：分别对应平行于x、y、z坐标轴的第三坐标字符。
（5）I、J、K：圆弧中心坐标字符，是圆弧的圆心对圆弧起点的增量坐标，分别对应平行于x、y、z轴的增量坐标。
3）进给功能字
进给功能字（F字）由地址码F和后面表示进给速度值的若干位数字构成。用它规定直线插补G01和圆弧插补G02/G03方式下刀具中心的进给运动速度。进给速度是指沿各坐标轴方向速度的矢量和。进给速度的单位取决于数控系统的工作方式和用户的规定，它可以是mm/min、in/min、（°）/min、r/min、mm/r、in/r。
4）主轴转速功能字
主轴转速功能字（S字）用来规定主轴转速，它由S字母后面的若干位数字组成，其数值就是主轴的转速值，单位是r/min。例如，S300表示主轴的转速为300 r/min。
5）刀具功能字
刀具功能字（T字）后接若干位数值，数值是刀具编号。例如，选3号刀具时，刀具功能字为T3。
6）辅助功能字
辅助功能字（M字）后接2位数值，共有M00～M99共100种（表6-2），它们中的大部分已经标准化（符合ISO标准），通常称它们为M代码。
表6-2 M代码表
（续表）
（续表）
注：①功能（ ）内的内容，是为了便于对功能的理解而附加的说明。
②“＃”表示如选作特殊用途，必须在程序说明中标明。
③M90～M99可指定为特殊用途。
④“不指定”代码，即将来修订标准时，可能对它规定功能。
如在同一程序段中既有辅助功能代码，又有坐标运动指令，控制系统将根据机床参数来决定以下几种执行顺序：①辅助功能代码与坐标移动指令同时执行；②在执行坐标移动指令之前执行辅助功能，通常称为前置；③在坐标移动指令完成以后执行辅助功能，称为后置。
每一个辅助功能（M代码）的执行顺序在数控机床的编程手册中都有明确的规定。
和G代码一样，M代码分成模态和非模态两种。模态M代码一旦执行就一直保持有效，直到同一模态组的另一个M代码执行为止。非模态M代码只在它所在的程序段内有效。M代码也可以分成两大类，一是基本M代码，另一类是用户M代码。基本M代码是由数控系统定义的，用户M代码则是由数控机床制造商定义的。下面仅対数控系统最基本的几个M代码作一介绍。
（1）M00：程序暂停指令。当程序执行到含有M00的程序段时，先执行该程序段前的其他指令，最后执行M00指令，但不返回程序开始处，再启动后，接着执行后面的程序。
（2）M01：可选择程序停止指令。M01和M00相同，只不过是M01要求外部有一个控制开关，如果这个外部可选择停止开关处于关的位置，控制系统就忽略该程序段中的M01。
（3）M02：程序结束指令。指令M00和M02均使系统从运动进入停顿状态。二者的区别在于：M00指令只是使系统暂时停顿，并将所有模态信息保存在专门的数据区中，系统处于进给保持状态，按启动键后程序继续往下执行；M02指令则结束加工程序的运行。M00指令主要用于在加工过程中测量工件尺寸、重新装夹工件及手动变速等固定的手工操作；M02指令则是程序结束的标志。
（4）M30：程序结束并再次从头开始执行指令。M30和M02的不同之处：当使用纸带阅读机输入执行零件程序时，若遇到M30，不但停止零件程序的执行，纸带还会自动倒带到程序的开始，再次启动时，该零件程序就再次从头开始执行。
（5）M03、M04、M05：分别为主轴正转、主轴反转、主轴停止指令。
（6）M06：换刀指令。
（7）M98：子程序调用指令。
（8）M99：子程序返回到主程序指令。
7）刀具偏置字
刀具偏置字通常分为D字和H字两种。在程序中，D字后接一个数值是刀具半径的偏置号码，它是刀具半径偏置值的地址。当利用刀具补偿指令（G41、G42）激活时，就可调出刀具半径的补偿值。H字后接一个数值是刀具长度的偏置号码，刀具长度偏置值是地址。当编程使z轴坐标运动时，可利用相应的代码（G43、G44）调出刀具长度的偏置值。
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