CNC коды: Экспертная статья

Сфера металлообработки и деревообработки, а также всё более широкое применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ) в современном промышленном производстве, делают важной задачу глубокого понимания того, как формируются и интерпретируются CNC коды. Именно CNC коды (чаще всего называемые G-кодами и M-кодами, хотя это далеко не все разновидности) позволяют оператору или программному обеспечению (CAM-системе) описывать траектории, режимы резания, инструменты и дополнительную логику работы станка.

Большинство производств в машиностроении, приборостроении, авиационной и автомобилестроительной отраслях применяют CNC коды для точного воспроизведения геометрии деталей, сокращения времени обработки и повышения качества. Но сами по себе CNC коды представляют лишь одну из ступеней: перед этим обычно проектируются 3D-модели деталей (CAD — Computer Aided Design), далее создаются управляющие программы при помощи CAM-систем (Computer Aided Manufacturing), и в финале сгенерированные постпроцессором CNC коды загружаются на станок с ЧПУ, где непосредственно и выполняются.

В данной статье будут рассмотрены базовые и расширенные группы кодов, описаны их особенности, а также дано общее представление о различных реализациях у популярных производителей систем ЧПУ (Fanuc, Siemens, Haas, Heidenhain, Mazak и др.). Мы уделим внимание базовой структуре программы, системам координат, типам кадров, циклам обработки и ряду других ключевых аспектов, связанных с CNC кодами.

Общие сведения о CNC кодах

Что такое CNC коды?

CNC коды — это набор текстовых инструкций, которые интерпретируются управляющей системой станка. Каждый блок (или кадр) в программе указывает, что именно станок должен сделать: переместить инструмент, включить шпиндель, задать скорость подачи, сменить инструмент и т. д. Технически, это последовательность строк, каждая из которых начинается (чаще всего) с адреса и числового параметра. Например:

\[ G01 \; X100.0 \; Y50.0 \; F300 \]

что означает линейное перемещение в точку (X=100, Y=50) с подачей (F) 300 мм/мин.

В большинстве случаев в CNC кодах содержатся:

1. G-коды (подготовительные функции) — определяют, какой тип перемещения будет выполнен (линейный, круговой, прерывистый и т. п.), какой цикл обработки использовать (сверление, зенкерование, расточка), а также задают режимы интерпретации координат (абсолютный или относительный), систему координат, компенсацию радиуса инструмента и прочие аспекты.
2. M-коды (вспомогательные функции) — отвечают за действия, связанные со станком в целом: включение/выключение шпинделя, охлаждения (СОЖ), конец программы, остановка программы, пауза и т. п.
3. T-коды (коды инструмента) — указывают, какой инструмент использовать при обработке.
4. S-коды (скорость шпинделя) — задают скорость вращения шпинделя, обычно в оборотах в минуту (RPM).
5. F-коды (скорость подачи) — определяют скорость перемещения инструмента относительно заготовки при рабочем ходе.
6. H-, D-коды — указывают корректоры инструмента (H — по длине, D — по диаметру).
7. Прочие коды, специфические для отдельных производителей или требуемой логики (например, K, J, I для задания смещений при круговых интерполяциях, P — для задержек по времени и т. д.).

Общая структура программы

Типичная программа на языке CNC кодов для станка с ЧПУ может выглядеть следующим образом:

%
O0001 (Имя программы)
N1 G90 G54 G00 X0 Y0 (Установка абсолютного режима, выбор системы координат G54, быстрый перемещение в точку X0, Y0)
N2 M03 S1000 (Включение шпинделя по часовой стрелке, скорость 1000 об/мин)
N3 G43 H01 Z5.0 M08 (Поднятие корректоров по длине инструмента H01, перемещение в Z=5 мм, включение СОЖ)
N4 G01 Z-5.0 F100 (Линейное перемещение в глубину Z=-5 мм со скоростью подачи 100 мм/мин)
N5 X50.0 Y25.0 (Перемещение по плоскости X-Y)
N6 G00 Z100 (Быстрый подъем в безопасное положение)
N7 M09 (Выключение СОЖ)
N8 M30 (Конец программы)
%

% – символы начала и конца программы в некоторых системах (необязательны, но часто встречаются).
O0001 – номер (имя) программы.
N1, N2, N3... – номера строк (не обязательны, но помогают ориентироваться внутри длинных программ).
G90 – установка абсолютной системы координат.
G54 – выбор рабочей системы координат (смещённой относительно базовой).
M03, M08, M09 и т. д. – вспомогательные M-коды.
S1000, F100 – значения скорости шпинделя и подачи.
G43 H01 – вызов корректора инструмента по длине H01.
G00, G01 – быстрые и рабочие (линейные) перемещения.

Это лишь упрощённый пример, иллюстрирующий принципы построения. Реальные промышленные программы могут содержать сотни и тысячи строк, с циклическими вызовами, макропараметрами и дополнительными логическими конструкциями. Тем не менее, общая идея одинакова: каждый кадр (строка) описывает набор функций и координат, которые станок интерпретирует последовательно.

G-коды: основные и расширенные

Классификация G-кодов

G-коды, или подготовительные коды, определяют, как должна выполняться интерполяция (линейная, круговая, резьбонарезная) и какие режимы включены в текущий момент. Чаще всего G-коды делятся на следующие группы:

1. G-коды движения (G00, G01, G02, G03 и т. д.).
2. G-коды установки координатных режимов (G90, G91, G92 и т. д.).
3. G-коды выбора циклов обработки (G73, G81, G82, G83, G84 и т. д.).
4. G-коды выбора системы координат (G54, G55, G56, G57, G58, G59).
5. G-коды компенсации (G40, G41, G42 – компенсация радиуса фрезы, G43, G44, G49 – компенсация длины инструмента и др.).
6. Специальные G-коды (G65 – вызов макроса, G68 – поворот системы координат, G80 – отмена цикла и т. д.).

Основные G-коды движения

• G00 – быстрое перемещение (Rapid Traverse). Станок перемещается в заданную точку максимальной возможной скоростью, без учёта режимов подачи. Используется для перемещений «без нагрузки».
• G01 – линейная интерполяция (Linear Interpolation). Перемещение происходит по прямой с заданной скоростью подачи F. Применяется при большинстве операций металлообработки.
• G02 / G03 – круговая интерполяция по часовой / против часовой стрелки (Circular Interpolation CW / CCW). Позволяет выполнять дуги или окружности, задавая радиус (R) либо смещения I, J, K относительно начальной точки дуги.

Режимы координат

• G90 – абсолютный режим. Координаты указываются относительно выбранной нулевой точки детали (заготовки), которая задаётся системой координат, например G54.
• G91 – относительный (инкрементальный) режим. Каждая новая точка задаётся относительно текущего положения инструмента.

Системы координат

• G54 – G59 – набор рабочих систем координат. В большинстве станков доступно 6 основных рабочих смещений, но могут быть и дополнительные (например, G54.1 P1 … P300).
• G53 – возврат к «машинным» координатам (Machine Coordinate System), определённым исходно производителем станка.

Циклы обработки

В фрезерной обработке и сверлении (а также в токарной с некоторыми отличиями) широко используют циклы сверления, зенковки, нарезания резьбы и пр. Они начинают действовать по вызову одного из G-кодов (G73, G81, G82, G83 и т. д.) и продолжаются до тех пор, пока не будут отменены G80.

Например:

• G81 – простой цикл сверления без пауз;
• G82 – сверление с паузой в нижней точке для зенковки;
• G83 – сверление с периодическим выходом для отвода стружки (глубокие отверстия).

Компенсация инструмента

• G43, G44, G49 – компенсация длины инструмента (в плюс, в минус, отмена).
• G41, G42 – компенсация радиуса инструмента (слева и справа от контура). Используется, чтобы фреза шла не строго по траектории детали, а с учётом собственного диаметра.

Использование компенсации инструмента позволяет снизить риск брака и упростить корректировку процесса при износе фрез. Оператор может просто подкорректировать таблицу инструментов, не меняя геометрические команды G-кода.

M-коды: функциональные коды станка

M-коды, называемые вспомогательными или управляющими, отвечают за включение/выключение различных подсистем и функций станка, а также управляют общим ходом программы. Хотя точный набор M-кодов может отличаться в зависимости от производителя ЧПУ, общепринятыми считаются следующие:

• M00 – безусловная остановка программы. Станок останавливает шпиндель, подачу, охлаждение. Возобновление работы – с интерфейса станка.
• M01 – условная (опциональная) остановка. Станок остановится только, если на панели управления активирована опция Optional Stop.
• M02 – завершение программы (старый формат, иногда заменяется M30).
• M03 / M04 / M05 – включение шпинделя по часовой / против часовой стрелки и остановка шпинделя соответственно.
• M06 – команда на смену инструмента (чаще всего в паре с T-кодом).
• M07 / M08 / M09 – включение минимального (или туманного) охлаждения, включение основного охлаждения (СОЖ), выключение охлаждения.
• M30 – завершение программы с «перемоткой» в начало (rewind). Современная замена M02.
• M98 / M99 – вызов подпрограммы (M98) и возврат из подпрограммы (M99).
• M47 – перезапуск программы с начала (не на всех контроллерах).

Важнейшая роль M-кодов — организация технологического процесса и контроль над оборудованием. Также они помогают оптимизировать работу и обеспечивать безопасность оператора (например, останавливать станок в критических ситуациях).

Дополнительные коды и функции

Помимо G- и M-кодов, которые являются базовыми кирпичиками CNC кодов, существуют и другие буквы-адреса и специальные функции:

1. T-код (Tool) – номер инструмента. Например, T01 — инструмент № 1. На токарных станках при смене инструмента может использоваться дополнительная команда (M06), однако в некоторых системах (Fanuc для токарных) формат T0101 указывает сразу и инструмент, и корректоры.
2. S-код (Spindle speed) – скорость вращения шпинделя, например S1000 (1000 об/мин). В программе часто указывается вместе с M03 или M04.
3. F-код (Feed) – скорость подачи, например F200 означает 200 мм/мин. В токарных станках иногда указывается в мм/оборот (G95).
4. H и D-коды – корректоры длины (H) и радиуса (D) инструмента. Например, G43 H01 или G41 D01.
5. I, J, K – параметры для круговой интерполяции (смещения от начальной точки дуги до её центра).
6. R – радиус дуги или глубина в циклах сверления (зависит от контроллера).
7. P – часто используется для указания времени задержки, номера подпрограммы при M98 или шага при нарезании резьбы.
8. Q – в циклах сверления с выходом (например, G73, G83) определяет глубину одного шага «прокачки» при сверлении.

Понимание и грамотное использование всех этих кодов позволяют значительно повысить гибкость управляющих программ.

Системы координат и смещения

Машинные координаты

Любой станок с ЧПУ обладает т. н. машинной системой координат (Machine Coordinates), которая определяется нулевыми точками по осям X, Y, Z (а при наличии и A, B, C). Она является эталонной для системы ЧПУ и не может быть произвольно изменена оператором.

Рабочие координаты

Для удобства обработки деталей оператор устанавливает рабочие системы координат (Work Offsets) — это сдвиги относительно машинных координат. Наиболее часто используются G54, G55, G56, G57, G58, G59. Например, если деталь установлена так, что её левый нижний угол находится в точке (X=200, Y=300) относительно машинного нуля, то можно запрограммировать G54 как (X=0, Y=0) в этой зоне, и все G-коды будут работать в «локальной» системе.

Использование измерительного щупа

В современных станках широко распространено использование измерительного щупа (Touch Probe) для автоматического определения и установки рабочих смещений. Результат измерений записывается в регистры G54…G59, упрощая подготовку к работе и снижая риск ошибок.

Программные циклы и циклы обработки

Встроенные циклы

В дополнение к «ручному» написанию кадров G00/G01 для каждой операции во многих контроллерах существует библиотека встроенных циклов. Например, стандартные циклы сверления (G81, G82, G83) или для токарных станков — циклы обработки наружных/внутренних поверхностей и нарезания резьбы (G71, G72, G76 и т. д.).

Циклы повторения (Loop)

Многие системы (Fanuc, Siemens) позволяют использовать команды повторения или циклы loop для многократного воспроизведения одинаковых блоков кода. Это облегчает программирование ряда отверстий, пазов, карманов без обращения к CAM.

Подпрограммы

Управляющие программы станков с ЧПУ могут состоять из основной программы и набора подпрограмм, которые вызываются при помощи M98 Pxxxx, где xxxx — номер подпрограммы. Возврат в основную программу выполняется по M99. Это упрощает структуру больших программ и повышает их удобство сопровождения.

Параметрическое программирование и макросы

Общая идея

Помимо стандартных G- и M-кодов, многие контроллеры (Fanuc, Siemens, Haas) поддерживают так называемое макропрограммирование (Custom Macro B и аналоги). Оно позволяет использовать переменные, арифметику, операторы ветвления и циклы, что расширяет возможности CNC кодов и облегчает автоматизацию.

Например, можно объявить переменные #1, #2 и т. д., где #1 хранит координату X отверстия, #2 — координату Y. Затем, используя циклы WHILE или IF, создавать адаптивные программы.

Типовые возможности макросов

Использование макросов в программировании станков с ЧПУ существенно расширяет возможности стандартных G- и M-кодов. Это позволяет автоматизировать сложные операции, повысить гибкость программирования и оптимизировать рабочие процессы. Рассмотрим подробнее основные функциональные возможности макросов:

Арифметика

Макросы позволяют выполнять математические вычисления прямо внутри программы, используя переменные. Это полезно для автоматического расчета координат, параметров резания или других значений. Примеры:

• Сложение: #3 = #1 + #2 — результат сложения переменных #1 и #2 записывается в #3.
• Извлечение квадратного корня: #4 = SQRT[#1] — вычисляется квадратный корень из значения переменной #1 и сохраняется в #4.
• Другие операции: доступны вычитание, умножение, деление, возведение в степень (**), тригонометрические функции (SIN, COS, TAN) и логарифмы.

Пример применения:
Если требуется просверлить ряд отверстий, расположенных под углом друг к другу, координаты каждой точки можно вычислить в реальном времени с помощью тригонометрии.

Логические операторы

Логические операторы позволяют добавлять в программу условия, циклы и переходы. Это особенно полезно для создания адаптивных программ, которые изменяются в зависимости от ситуации. Основные операторы:

• IF: выполняет блок команд, если условие истинно.

  IF [#1 GT 10] THEN GOTO 100

  Если значение переменной #1 больше 10, управление перейдет к строке с меткой N100.
• GOTO: выполняет переход на строку с заданной меткой. Используется для организации циклов и ветвлений.
• WHILE...DO-END: цикл с условием выполнения.

  
  WHILE [#1 LE 5] DO 1
    G01 X[#1*10]
    #1 = #1 + 1
  END 1
      

  Пока #1 меньше или равно 5, инструмент будет двигаться по координате X с шагом, равным #1 * 10.

Обращение к системным переменным

Системные переменные предоставляют доступ к важным данным, которые можно использовать в макросах:

• Переменные хранения: Например, #500, #501, #502 и далее используются для записи и хранения пользовательских значений, которые остаются в памяти даже после выключения станка.
• Переменные состояния: Например, переменные #1001, #1002 и выше позволяют считывать данные с датчиков, состояния осей и других системных параметров. Это полезно для контроля процесса или получения обратной связи от станка.

Пример:
Если датчик определяет наличие заготовки, можно настроить выполнение обработки только при истинном значении:

IF [#1001 EQ 1] THEN M03

 

Подпрограммы

Подпрограммы позволяют упрощать сложные программы за счет повторного использования заранее созданных блоков кода. Их вызов осуществляется через макрокоманды:

• G65: стандартный вызов подпрограммы с передачей параметров.

  G65 P1000 A10.0 B20.0

  Здесь подпрограмма с именем P1000 будет выполнена с параметрами A=10.0 и B=20.0.
• G66: выполнение подпрограммы в модальном режиме, то есть она будет выполняться при каждом движении до её отмены.
• G67: отмена модального вызова подпрограммы.

Использование подпрограмм позволяет избежать дублирования кода, упрощает его сопровождение и делает программы более читабельными. Например, если требуется обработать несколько одинаковых отверстий в разных местах, подпрограмма с параметрами координат позволяет сократить основной код.

Эти возможности делают макросы мощным инструментом для сложного и эффективного программирования на станках с ЧПУ.

Преимущества параметрического подхода

1. Гибкость: легко адаптировать программу под разные размеры заготовки, меняя лишь несколько переменных.
2. Автоматизация: за счёт условий и циклов уменьшается количество ручного вмешательства.
3. Повышение надёжности: меньше риск допустить опечатки и ошибки в повторяющихся блоках кода.

Утилиты и средства проверки CNC кодов

Перед запуском программы на реальном станке крайне важно убедиться в её правильности. Для этого применяют различные инструменты:

• Встроенные симуляторы в системах ЧПУ (графическая визуализация траектории, имитация работы).
• Внешние верификаторы (VeriCut, NC-Checker и др.), которые анализируют CNC коды на коллизии, ошибки синтаксиса и выходы за габариты станка.
• Средства CAD/CAM-систем (Mastercam, NX CAM, SolidCAM, PowerMill), имеющие встроенные модули проверки траектории и постпроцессоры для популярных контроллеров.

Использование подобных инструментов значительно снижает риск дорогостоящих ошибок и аварий.

Особенности использования CNC кодов на различных контроллерах

Fanuc

Контроллеры Fanuc широко распространены и поддерживают классический набор G-/M-кодов (ISO G-code). Имеются некоторые отличия в формате подпрограмм (Oxxxx, M98, M99), нумерации корректоров (например, T0101 на токарном) и т. д. Макросы (Custom Macro B) обладают расширенными функциями.

Siemens (Sinumerik)

Siemens Sinumerik использует язык ShopMill/ShopTurn, обладающий более высокоуровневым синтаксисом. Однако в режиме G-code он довольно схож с Fanuc. У Siemens есть расширенные циклы, именованные переменные и продвинутые возможности для пятиосевой обработки.

Haas

Система Haas близка к Fanuc, но имеет специфические коды (M96/M97) для условного перехода, отличия в макросах (диапазон переменных может быть #100…#199 и т. д.). Интерфейс Haas-станков ориентирован на удобство оператора, включая графическую симуляцию.

Heidenhain

Heidenhain применяет собственный диалоговый язык (например, TNC 640). Вместо G-кодов используются команды типа L, F, S, M и т. д. Однако существует и ISO-режим, позволяющий работать с классическими G-/M-кодами.

Mazak (Mazatrol)

Mazak разработал систему диалогового программирования Mazatrol, где пользователь задаёт технологические параметры (тип инструмента, глубину резания, размеры) и машина сама генерирует движение. Но при необходимости Mazak-станки могут работать и в ISO-формате (G-коды).

Таким образом, хотя CNC коды во многом универсальны, при работе с разными контроллерами важно учитывать их специфику.

Безопасность и передовой опыт

Проверка программы на холостом ходу

Перед обработкой дорогой заготовки или сложной детали рекомендуется выполнить «сухой прогон» (Dry Run) — без подачи инструмента в материал, но с наблюдением за траекторией перемещения. Часто используется режим Single Block, чтобы исполнение шло построчно.

Использование лимитов

В станках предусмотрены «жёсткие» и «мягкие» лимиты (Hard/Soft Limits). Важно правильно задавать рабочие смещения, чтобы избежать выхода инструмента за пределы станка.

Правильное задание инструментов

В программе должны корректно указываться T-коды и соответствующие M-коды (M06), чтобы избежать установки неверного инструмента и возможного повреждения заготовки.

Система охлаждения и удаление стружки

Работа станка с ЧПУ обычно предполагает интенсивное охлаждение зоны резания. Ошибка в M-кодах, отвечающих за включение/выключение СОЖ, может привести к перегреву инструмента, повреждению детали или браку резьбы.

Знание CNC кодов как преимущество

CNC коды — это фундаментальный «язык» взаимодействия оператора, управляющего ПО и станка с ЧПУ. Хотя в основе большинства контроллеров лежат единые стандарты (G-коды и M-коды по ISO), у разных производителей имеется немало особенностей синтаксиса, дополнительных функций и макровозможностей.

Обладая глубокими знаниями о CNC кодах, можно:

• Правильно управлять оборудованием, снижая риск брака и простоя.
• Создавать гибкие, параметрические программы, улучшая производительность.
• Обеспечивать безопасность и долгий срок службы как инструмента, так и самого станка.

В условиях растущей конкуренции в сфере промышленной обработки грамотное владение CNC кодами является ключевым фактором успеха. Подчеркнём, что при работе с конкретным станком важно всегда обращаться к документации на ЧПУ, чтобы учесть все нюансы реализации G-/M-кодов, но базовые принципы — организация кадров, режимы перемещения, системы координат, вспомогательные команды — неизменны и составляют фундамент современного машиностроения.