数控编程.docx

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数控编程

数控加工的特点

（1）柔性自动化，具有广泛的适应性。

（2）精度高，质量稳定。

（3）生产效率高。

（4）能实现复杂零件的加工。

（5）减轻劳动强度，改善劳动条件。

（6）有利于现代化生产与管理。

数控机床的初始投资及维护费用较高，对操作与管理人员的素质要求较高。

第一章数控加工编程基础

第一节程序编制的概念、方法和步骤

一、程序编制的概念和方法

1、程序编制的概念

数控编程就是根据零件图纸要求的图形尺寸和技术要求，确定零件加工的工艺过程、工艺参数、机床运动以及刀具等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言代码记录在程序单上的全过程。

第一章数控加工编程基础

1、数控机床程序编制的具体步骤与要求

分析零件图样工艺处理数学处理编写程序单制作控制介质程序校验数控机床修改

1.零件图纸分析阶段

在分析零件图纸阶段，主要是分析零件的材料、形状、尺寸、公差、表面质量及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，适宜在哪类数控机床上加工以及哪个型号的数控机床上加工。

除了图纸上的信息，还应该收集一些图纸上没有涵盖的要求，比如零件加工的数量、前道工序的加工和后续加工、磨削余量、装配特征等。

收集这些信息可以为后面的步骤提供足够的资料。

2.工艺分析处理阶段工艺分析处理阶段是一个非常重要的环节，它的好坏直接影响着加工程序的质量。

工艺分析处理阶段的主要任务是确定零件加工工艺过程。

换言之，就是确定零件的加工方法（如采用的工夹具、刀具、装夹定位方法等）、加工顺序（如钻孔顺序、粗精加工顺序等）、加工路线（如对刀点、走刀路线等）和加工用量（如走刀速度、主轴转速、切削宽度和深度、精加工余量等）等工艺参数。

3.数学处理阶段

数学处理阶段是根据零件图纸和确定的加工路线，计算出走刀轨迹和每个程序段所需数据。

对于形状简单的零件轮廓，需要计算出零件轮廓相邻几何元素的交点或切点的坐标值，圆弧还需要知道圆弧半径或中心点坐标值。

对于形状复杂的零件，需要用小直线段或圆弧逼近，根据要求的精度计算出节点坐标值。

自由曲线、曲面及组合曲面的数据计算量大并且复杂，使用手工编程几乎是不可能的，必须使用计算机自动编程。

4.程序编制及输入阶段

程序编制阶段是根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用量，结合数控系统的加工指令和程序段格式，使用手工或自动编程的方式逐段编写出零件加工程序单，再将编好的程序通过手工输入或通讯传输的方式输入数控机床的数控系统。

在使用手工编程时，应尽量使用数控系统提供的固定循环指令，这样既可以减少编程量，同时又便于查找错误。

5.程序校验和首件试加工

加工程序必须经过校验和试加工检验合格后，才能够进入正式加工。

一般来说，对于手工输入的程序可以使用机床数控系统中图形模拟功能，在机床屏幕上显示走刀轨迹来检查程序的错误。

对于自动编程的程序，可以在计算机模拟软件中做三维模拟加工来检查程序的错误，不必在机床数控系统中模拟。

通过了程序的模拟，并不一定代表程序是正确的，必须在数控机床上进行首件试加工。

只有试加工零件通过检验部门检验合格后，才可以确认程序无误。

对于毛坯成本较低大批量生产的零件，可以直接使用毛坯进行试加工。

对于毛坯成本较昂贵单件小批量生产的零件，则可以使用蜡件或木件进行试加工。

试加工后发现有错误，可以修改程序单或采取尺寸补偿等措施进行修正。

第一章数控加工编程基础手工编程

2.编程方法自动编程手工编程

手工编程从分析零件图纸、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单直到程序校核，整个过程主要由人手工来完成。

自动编程主要由计算机完成编制零件加工程序全部过程的编程方法称为自动编程。

采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。

第二节程序的结构与格式

一、程序结构

数控加工程序是由一系列机床数控装置能辨识的指令有序结合而构成的。

一般数控系统加工程序可分为主程序和子程序。

但不论是主程序还是子程序，每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结束符等几个部分组成。

程序结构

（1）程序号不同的数控系统程序号地址码有所区别。

通常FANUC系统用“O”，SINUMERIK系统用“%”，而AB8400系统用“P”作为程序号的地址码。

编程时一定要根据机床系统参考手册的规定写指令，否则系统是不会执行的。

（2）程序内容是整个程序的核心，它由若干程序段组成，每个程序段有一个或多个指令构成，用来描述机床要完成的指定动作。

（3）程序结束符FANUC数控系统的结束符为“%”SIEMENS数控系统的结束符为“RET”有的数控系统没有程序结束符。

二、程序段格式

数控机床程序是由若干个“程序段”（BLOCK）组成，每个程序段由按一定顺序和规定排列的“字”（WORD）组成。

程序段格式是指一个程序段中各字的排列顺序及其表达形式。

程序段的格式可分为地址格式、分隔顺序格式、固定程序段格式和可变程序段格式等。

JB3832—1985《数控机床轮廓和点位切削加工可变程序段格式》中推荐用可变程序段格式。

所谓可变程序段格式，就是程序段的长短，随字地址数和字长（位数）都是可变的。

下面是一个程序段的通式：

N__G__X__Y__Z__……F__S__M__……LF

三、字与字的功能类别

N顺序号字--用地址N后面加上1～9999中任意数字表示。

F进给功能字

G准备功能字--使数控机床作好某种操作准备的指令。

S主轴功能字

M辅助功能字--固定循环及子程序的重复次数、暂停时间

XYZ尺寸字--给定机床各坐标轴位移的方向和数据。

T刀具功能字--刀具补偿号指令、刀具选择

第三节数控机床的坐标系

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。

数控机床的坐标系包括坐标原点、坐标轴和运动方向。

统一规定数控机床坐标轴名称及其运动的正、负方向，可使编制的程序简便，并使所编制的程序对同类型机床有互换性。

目前国际上已采用统一的标准坐标系。

一、坐标系及运动方向

1刀具相对于静止工件而运动的原则

2标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐标系

3X、Y、Z的正方向，是增大工件和刀具之间距离的方向.

在确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，然后确定X轴和Y轴，最后确定其它轴。

（1）Z轴的确定定

平行于主轴轴线，对于没有主轴的机床规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z坐标。

（数控龙门刨床）②如果机床有一系列主轴，则应尽可能垂直于工件装夹面为Z轴。

③如果机床主轴能摆动，在摆动范围内只与标准坐标系中的一个平行时，则这个坐标就是Z坐标，如果在摆动范围内能与基本坐标中的多个坐标相平行时，则取垂直于工件装夹面的方向作为Z坐标的方向。

④Z轴的正方向是使刀具远离工件的方向

（2）X轴的确定

X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。

确定X轴的方向时，要考虑两种情况：

1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：

Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。

（3）Y轴的确定

在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。

（4）工件固定刀具移动时的旋转坐标与X、Y、Z对应为A、B、C方向右手螺旋

（5）附加轴如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它的坐标，可分别制定为P、Q、R。

（6）工件固定，刀具移动时采用上面规定的法则；如果工件移动，刀具固定的坐标轴，则用带“′”的字母表示，根据相对运动关系，其方向恰好与相应刀具运动坐标轴的方向相反。

二．坐标系的原点

（1）机床坐标系、机床原点及参考点

机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。

机床坐标系各坐标和运动正方向按前述标准坐标系规定设定。

机床原点就是机床坐标系的原点。

它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。

机床坐标系是通过回参考点操作来确立的，参考点是确立机床坐标系的参照点。

机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。

机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。

因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。

每次开机启动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴返回参考点，进行一次位置校准，以消除上次运动所带来的位置误差。

（a）数控车床的原点

在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。

（b）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z三个直线坐标轴正方向的极限位置上，如图所示，图中O1即为立式数控铣床的机床原点。

但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机础

（2）工件坐标系

数控机床坐标系是进行设计和加工的基准，但有时利用机床坐标系编制零件的加工程序并不方便。

如果选择工件上某一点作为工件零点，以工件零点为原点且平行于机床坐标轴X、Y、Z建立一个新坐标系，就称工件坐标系。

编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。

加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机床原点之间的距离，这个距离称为工件原点偏置。

偏置值需预存到数控系统中，在加工时，工件原点偏置值能自动加到工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。

工件零点的选择原则：

工作坐标系的零点由操作者或编程者自由选择。

其选择原则如下：

（1）工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。

这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。

（2）能使工件方便测量和检验。

（3）尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

（4）对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。

三、绝对坐标系和增量坐标系

数控编程通常都是按照组成图形的线段或圆弧的端点的坐标来进行的。

当运动轨迹的终点坐标是相对于线段的起点来计量的话，称之为相对坐标或增量坐标表达方式。

若按这种方式进行编程，则称之为相对坐标编程。

当所有坐标点的坐标值均从某一固定的坐标原点计量的话，就称之为绝对坐标表达方式，按这种方式进行编程即为绝对坐标编程。

数控加工工艺与图形的数学处理

第一节数控加工的工艺设计

在数控机床加工前，要将机床的运动过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序。

所以在编程之前必须正确地确定加工方案，进行工艺设计。

数控加工工艺的主要包括下列内容：

（1）选择并决定零件的数控加工内容；

（2）零件图样的数控加工工艺分析；（3）数控加工工艺路线设计；（4）数控加工工序设计；（5）编制数控加工工艺文件。

一、数控加工工艺内容的选择选择并决定对某个零件进行数控加工后，并不等于要加工该零件的所有加工内容，而可能只是对其中的一部分进行数控加工。

在选择数控加工内容时，一般可按下列顺序考虑：

（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择的内容。

（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择的内容。

（3）通用机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富余能力的基础上进行选择。

一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，产品质量、生产效率与综合经济效益等方面都会得到明显提高。

相比之下，下列一些加工内容则不宜选择数控加工：

（1）需要通过较长时间占机调整的加工内容，如零件的粗加工，特别是铸、锻毛坯零件的基准平面、定位面等部位的加工等。

（2）不能在工件一次装夹中完成的其他零星加工表面，采用数控加工又很麻烦，效果不明显，可安排普通机床补加工。

（3）按某些特定的制造依据（如样板、样件、模胎等）加工的型面轮廓，因为取数据难，易与检验依据发生矛盾，增加了编程难度。

二、数控加工工艺性分析

结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。

1,尺寸标注应符合数控加工的特点

在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。

因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。

2.几何要素的条件应完整、准确

在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。

因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。

3、定位基准可靠

在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。

因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。

如下图所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一工艺凸台。

三、数控加工工艺路线的设计

数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。

因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好。

数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题：

1,工序的划分

根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：

（1）以一次安装、加工作为一道工序。

（2）以同一把刀具加工的内容划分工序（3）以加工部位划分工序（4）以粗、精加工划分工序

2、顺序的安排

顺序安排一般应按以下原则进行：

1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；2）先进行内腔加工，后进行外形加工；3）以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数；4）在同一次安装中加工多道工序时，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。

3、数控加工工艺与普通工序的衔接

数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。

因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等。

四、数控加工工序的设计

在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后，即可进行数控加工工序的设计。

数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。

1.确定走刀路线和安排工步顺序

走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。

走刀路线是编写程序的依据之一。

确定走刀路线时应注意以下几点：

1）寻求最短加工路线

如加工下图所示零件上的孔系。

中图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。

若改用右图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。

2）最终轮廓一次走刀完成

为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。

如下图为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。

但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。

所以如采用中图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。

右图也是一种较好的走刀路线方式。

3）选择切入切出方向

考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如右图所示。

4）选择使工件在加工后变形小的路线

对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。

安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。

1.定位基准与夹紧方案的确定

在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：

（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；

（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面；（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；

2,夹具的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：

一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。

除此之外，还应考虑下列几点：

（1）当零件加工批量小时，尽量采用组合夹具、可调式夹具及其它通用夹具。

（2）当中批或成批生产时，才考虑采用专用夹具，但应力求结构简单。

（3）夹具要开敞，其定位、夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞）。

（4）装卸零件要方便、可靠，以缩短准备时间。

有条件时，批量较大的零件应采用气动或液压夹具、多工位夹具。

通用夹具是指已经标准化、无需调整或稍加调整就可以用来装夹不同工件的夹具。

如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳和万能分度头等。

这类夹具主要用于单件小批生产

通用具夹的选用

液压三爪卡盘：

用于回转工件的自动装卡四爪单动卡盘：

用于非回转体或偏心件的装卡平口钳分固定侧与活动侧，固定侧与底面作为定位面，活动侧用于夹紧4、刀具的选择

在选择数控机床所用刀具时应注意以下几个方面：

（1）良好的切削性能

（2）较高的精度（3）先进的刀具材料

1.确定刀具与工件的相对位置

在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系（即确定刀尖点在工件坐标系中的位置）。

同时，还要考虑每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置，这些都需要通过对刀来解决。

所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。

“刀位点”是指刀具的定位基准点。

圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点.

“对刀点”是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。

对刀点的选择原则如下：

（1）所选的对刀点应使程序编制简单；

（2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；（3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；（4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。

所以对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的（即确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位置）。

换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。

对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。

为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。

2、确定切削用量

编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。

在选择切削用量时要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。

背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。

对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。

切削速度、进给速度等参数的选择与普通机床加工基本相同。

粗加工时首先选择一个尽可能大的背吃刀量；其次根据机床动力和刚性的限制条件选择一个较大的进给量；最后根据刀具寿命确定最佳的切削速度。

精加工时首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取一个较小的进给量；最后在保证刀具寿命的前提下，尽可能选择较高的切削速度。

五、数控加工技术文件的编写

填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。

这些技术文件既是数控加工的依据、产品验收的依据，也是操作者遵守、执行的规程。

数控加工技术文件主要有：

数控加工工序卡片、数控加工走刀路线图、数控刀具卡片等。

以下提供了常用文件格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计。

1、数控加工工序卡片

数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是：

工序简图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明（如：

所用机床型号、程序编号、刀具半径补偿、镜向对称加工方式等）及切削参数（即程序编入的主轴转速、进给速度、最大背吃刀量或宽度等）的选择，详见附表。

1、数控加工走刀路线图在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如：

从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。

为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的符号来表示，详见附表。

第二节程序编制中的数学处理

编程时的数学处理就是根据被加工零件图样，按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差，计算出编程时所需数据的过程。

其中，主要是计算零件轮廓或刀具中心轨迹的基点和节点坐标。

一、基点

零件的轮廓是由许多不同的几何要素所组成，如直线、圆弧、二次曲线等，各几何要素之间的连接点称为基点。

基点坐标是编程中必需的重要数据。

A、B、C、D、E为基点。

二、节点

数控系统一般只能作直线插补和圆弧插补的切削运动。

如果工件轮廓是非圆曲线，数控系统就无法直接实现插补，而需要通过一定的数学处理。

数学处理的方法是，用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线，逼近线段与被加工曲线交点称为节点。

例如，对下图所示的曲线用直线逼近时，其交点A、B、C、D、E、F等即为节点。

第三章数控编程常用指令概述

第一节概述

1、模态代码模态代码又称续效代码。

模态代码一旦在一个程序段中指定，便保持到以后的程序段中出现同组的另一个代码时才失效。

2、非模态代码非模态代码只在所出现的程序段内有效。

第二节与坐标和坐标系有关的指令

一、绝对尺寸指令和增量尺寸指令

绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出。

增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出。

在加工程序中，绝对尺寸指令和增量尺寸指令有两种表达方法。

1、G功能字指定G90指定尺寸值为绝对尺寸。

G91指定尺寸值为增量尺寸。

2、用尺寸字的地址符指定（本课程中车床部分使用）绝对尺寸的尺寸字的地址符用X、Y、Z增量尺寸的尺寸字的地址符用U、V、W

二、工件坐标系设定指令G92

编程格式为：

G92X_Z_；如图所示，P点是开始加工时刀尖的起始点。

欲设定XOZ为工件坐标系，则程序段为：

G92X121.8Z33.9；设定X'O'Z为工件坐标系，则程序段为：

G92X121.8Z109.7；工件旋转中心工件原点O109.7X′O′33