G-code语言详解

 

1. G-code 是什么？

G-code，全称为 Geometric Code，是一种用于控制数控（Computer Numerical Control, CNC）机床和3D打印机等自动化设备的编程语言。它并非像Python或Java那样的通用编程语言，而是一种声明式、指令式的机器语言。G-code 的本质是告诉机器“要做什么”：去哪里、以多快的速度移动、何时打开或关闭主轴等。

G-code 诞生于20世纪50年代末期，由麻省理工学院（MIT）开发，并于1980年代被美国国家标准协会（ANSI）和国际标准化组织（ISO）标准化。尽管存在不同的方言，但其核心指令集在世界范围内是通用的。

2. G-code 的核心概念

要理解 G-code，必须掌握其几个核心概念：

2.1 坐标系与轴向

所有 G-code 指令都依赖于一个笛卡尔坐标系来定义空间位置。通常，这些坐标轴定义如下：

• X 轴：横向运动，通常代表机器工作台的宽度。

• Y 轴：纵向运动，通常代表机器工作台的深度。

• Z 轴：垂直运动，通常代表刀具或喷头的高度。

除了这三个基本轴，一些更复杂的机器还可能包含旋转轴，如 A、B、C 轴。

2.2 绝对坐标与相对坐标

这是 G-code 中最重要的概念之一，由不同的指令控制：

• 绝对坐标 (G90)：这是默认模式。所有运动指令都参考机器的零点或工件的零点。例如，如果机器零点在左下角，G1 X100 Y50 意味着移动到 X=100mm, Y=50mm 的绝对位置，无论当前位置在哪里。

• 相对坐标 (G91)：所有运动指令都参考当前位置。例如，如果你在 (100, 50) 的位置，执行 G91 G1 X10 Y20，机器将向 X 方向移动 10mm，向 Y 方向移动 20mm，最终到达 (110, 70) 的位置。

2.3 模态与非模态指令

• 模态指令 (Modal)：一旦被激活，会一直保持其状态，直到被另一个指令覆盖。大多数 G-code 指令都是模态的。例如，G90 和 G91 就是模态指令，一旦选择，所有后续的 G1 指令都会遵循该坐标系。

• 非模态指令 (Non-modal)：只在执行的那一行起作用，不影响后续指令。例如，G4 (暂停) 指令就是非模态的。

3. G-code 中的关键指令

G-code 主要由两大类指令组成：G指令和M指令。

3.1 G-code 指令 (通用代码)

G-code 指令主要用于控制机器的几何运动和运动模式。

• G0：快速定位 (Rapid Positioning)。以机器的最大速度从当前点移动到目标点。不用于切削或挤出材料，只用于空闲移动。

• G1：直线插补 (Linear Interpolation)。以指定的进给速率（Feed Rate, F）从当前点直线移动到目标点。这是最常用的切削或挤出指令。

  • 示例: G1 X100 Y50 F600

    • G1：直线移动。

    • X100 Y50：目标位置。

    • F600：进给速度为 600 mm/min。

• G2 / G3：圆弧插补 (Arc Interpolation)。用于在 XY 平面绘制圆弧。

  • G2：顺时针圆弧。

  • G3：逆时针圆弧。

  • 语法: G2/G3 X<end_X> Y<end_Y> I<center_X> J<center_Y> F<rate>。

    • I 和 J 代表圆心相对于起点的偏移量。

• G4：暂停 (Dwell)。让机器暂停指定时间，通常用于等待温度稳定或冷却。

  • 语法: G4 P<milliseconds> 或 G4 S<seconds>。

• G17 / G18 / G19：坐标平面选择 (Plane Selection)。用于定义圆弧插补或刀具补偿的平面。

  • G17：XY 平面（最常用）。

  • G18：XZ 平面。

  • G19：YZ 平面。

• G20 / G21：单位选择 (Unit Selection)。

  • G20：以英寸为单位。

  • G21：以毫米为单位（最常用）。

• G28：回零 (Return to Home)。快速移动到机器的机械原点。

• G90 / G91：坐标模式 (Coordinate Mode)。

  • G90：绝对坐标模式。

  • G91：相对坐标模式。

• G92：设定当前位置 (Set Position)。将机器的当前位置强制设置为指定坐标，通常用于定义工件零点。

  • 示例: G92 X0 Y0 Z0 将当前位置定义为 (0, 0, 0)。

3.2 M-code 指令 (杂项代码)

M-code 指令用于控制机器的辅助功能，通常与运动无关。

• M3 / M4：主轴控制 (Spindle Control)。

  • M3：顺时针启动主轴。

  • M4：逆时针启动主轴。

  • 示例: M3 S1000 启动主轴并设定转速为 1000 RPM。

• M5：主轴停止 (Spindle Stop)。

• M7 / M8：冷却液控制 (Coolant Control)。

  • M7：启动雾化冷却。

  • M8：启动泛流冷却。

• M9：冷却液停止 (Coolant Stop)。

• M30：程序结束并复位 (Program End and Rewind)。

3D打印机特有的M指令:

• M104：设置喷头温度 (Set Extruder Temperature)。

• M109：等待喷头温度 (Wait for Extruder Temperature)。

• M140：设置加热床温度 (Set Bed Temperature)。

• M190：等待加热床温度 (Wait for Bed Temperature)。

4. G-code 程序结构与示例

一个典型的 G-code 程序由一系列行（称为“块”）组成。每一行都包含一个或多个指令和参数。

示例：在 CNC 铣床上雕刻一个 50mm x 50mm 的正方形

(正方形雕刻程序)
N10 G21 G90 (设定单位为毫米, 坐标系为绝对坐标)
N20 G17 (选择XY平面)
N30 G28 (返回原点)
N40 G0 Z5 (快速移动到Z轴5mm高度，避免碰撞)
N50 G0 X0 Y0 (快速移动到工件零点，即X=0, Y=0)
N60 M3 S12000 (启动主轴，转速12000 RPM)
N70 G4 S5 (等待5秒，让主轴达到指定转速)
N80 G1 Z-1 F300 (以300 mm/min的速度下刀，Z轴深度为-1mm)
N90 G1 X50 F600 (以600 mm/min的速度移动到X=50，绘制第一条边)
N100 G1 Y50 (移动到Y=50，绘制第二条边)
N110 G1 X0 (移动到X=0，绘制第三条边)
N120 G1 Y0 (移动到Y=0，绘制第四条边)
N130 G0 Z5 (抬刀到安全高度)
N140 M5 (停止主轴)
N150 M30 (程序结束并复位)

程序语法要点：

• 行号 (N)：可选，通常用于易于查找和编辑。

• 指令与参数：每行可以包含多个指令，例如 G21 G90。

• 注释：括号内的文本 (...) 或分号 ; 后面的文本会被机器忽略，但对于人类阅读至关重要。

5. G-code 与通用编程语言的区别

特性	G-code	通用编程语言（如 Python）
范式	声明式、命令式	过程式、面向对象、函数式
目的	机器控制，定义运动和操作	解决通用计算问题
可读性	低，需要专门知识	高，语法更接近自然语言
功能	局限于运动、输入/输出	丰富，有循环、条件判断、数据结构等
执行环境	CNC 控制器、3D打印机固件	操作系统、虚拟机

6. 优缺点分析

6.1 优点

• 行业标准：G-code 是 CNC 和自动化制造领域的通用语言，几乎所有相关设备都支持。

• 高精度控制：它提供了对机器运动的绝对、底层控制，能够实现毫米甚至微米级的精确度。

• 简洁高效：每个指令都对应一个明确的机器动作，没有多余的抽象层，执行效率高。

• 人机可读：尽管不如高级语言直观，但由于其结构简单，技术人员可以手动修改和调试。

6.2 缺点

• 可读性差：对于复杂的几何图形，G-code 文件会变得非常庞大且难以手动编写和理解，这需要 CAM (Computer-Aided Manufacturing) 软件来生成。

• 缺乏控制流：G-code 不支持常见的编程结构，如循环、条件语句或变量，这使得它无法处理复杂的逻辑。

• 机器特定方言：尽管有通用标准，但不同机器（如 Fanuc、Haas、Marlin）的 G-code 仍存在细微差异，需要针对性调整。

7. 总结

G-code 是一种独特且不可或缺的编程语言。它不是为了人类编写复杂逻辑而设计的，而是作为一种机器指令集，实现了从数字模型到物理现实的精确转换。在自动化制造、快速原型制作和教育等领域，G-code 依然是连接数字世界与物理世界的关键桥梁。