G20和G21 G代码单位选择：CNC英公制参数设置与安全切换

引言

在一台正在高速运转的 CNC 车削中心上，一个未经过缩放验证的 G-code 程序段可能会在瞬间彻底打破整批工件的生产节拍。当操作员将原本以毫米为单位的程序错误地导入设定为英制的控制器中，且没有在机床系统内激活相应的自动缩放参数时，刀塔（turret）上的硬质合金刀具就会以 25.4 倍的失控轨迹盲目移动，径直撞入飞速旋转的卡盘（chuck）或尾座（tailstock）保护区。这不仅会瞬间发出高负载结构性报警并击碎刀具，甚至会造成分度刀塔的永久性变形。由此产生的非计划停机时间（downtime）和飙升的废品率（scrap rate）将直接瘫痪整条流水线的批量生产进度，使原本追求的高合格率化为乌有。

技术摘要

规范	详情
命令代码	Fanuc、Mitsubishi 和 Siemens ISO Dialect 中的 G20 (Inch 输入) / G21 (Metric 输入)。Native Siemens 使用 G70 / G700 (Inch) 和 G71 / G710 (Metric)。
Modal 组	Group 06，Modal（保持活动状态，直到被显式更改或覆盖）。
支持的品牌	Fanuc, Siemens, Mitsubishi.
关键参数	Fanuc: Parameter 5006 bit 0 (OIM), Parameter 14000 bit 2 (IRFx)。Siemens: MD10240 $MN_SCALING_SYSTEM_IS_METRIC, MD10260 $MN_CONVERT_SCALING_SYSTEM。Mitsubishi: Parameter #1226 aux10/bit6, Parameter #1253 set25/bit1。
主要限制	旋转轴锁定为度（degrees），完全不受单位缩放命令的影响。PLC 控制的轴忽略 G20/G21 程序更改，仅服从硬件级配置参数。

快速阅读

在执行 G20/G21 切换之前，务必使用 G28 将所有轴返回到真正的机器参考位置（特别是在 Fanuc 系统上），以防止出现如 PS5362 之类的坐标偏移报警。
在切换单位后，立即显式定义一个新的 feedrate 值（F字），因为标准的 G20/G21 命令不会自动缩放活动的 feedrates。
确认自动 tool offset 转换参数（例如 Fanuc 5006 bit 0、Siemens MD10260 或 Mitsubishi #1226）已启用，以防止出现巨大的尺寸偏差。
请注意，旋转轴坐标在全局范围内锁定为度（degrees），完全不受任何 inch 或 metric 单位缩放命令的影响。
在程序段的开头独立编写传统的 ISO Dialect 单位命令，以防止 Siemens 控制系统上出现语法错误 and 译码停止（例如 Alarm 15030）。
在进行实际切削之前，利用空运行 (dry run) 图形和 chuck/tailstock 保护区（例如 Mitsubishi 上的 G22/G23）来直观且逻辑地验证机器坐标。

基本概念

CNC 坐标跟踪的核心是 G-code 单位选择命令，这是属于 Group 06 的 modal 代码，用于指定坐标值是被解释为 inches (G20) 还是 millimeters (G21)。更改这些测量系统会完全重新定义与长度相关的数据的数学缩放，包括编写的目标位置、圆弧 interpolation 参数 (I、J、K) 以及可编程的工件坐标系。在应用坐标之前，建立正确的平面参数至关重要，通常需要在执行单位缩放之前进行工作平面选择。当程序执行单位切换时，由值“1.0”表示的物理距离会从 1 毫米转变为 25.4 毫米（反之亦然），这使其成为 NC 文件中最为关键的设置指令。

传统的单位切换命令通常仅更改几何坐标尺寸，而使诸如 feedrate F 和手轮增量点动权重等工艺参数保持未缩放状态。如果程序员在程序中途更改活动的单位系统，而没有显式停用活动的刀具半径补偿并编写新的 F 字，控制系统就会误解缩放。这会导致坐标偏差，从而可能瞬间触发控制器报警，将切削刀具撞入旋转的工件装夹装置中，并将宝贵的工件变成报废的废品零件。

命令结构

G20 和 G21 的结构实现要求将它们编写为独立的 G-codes，通常位于程序的绝对开头。因为这些命令起着全局译码器开关的作用，所以它们绝不能与同一程序段中的其他运动坐标或 G-codes 组合使用。一个独立的程序段（例如单独一行的 G20; 或 G21;）可确保译码器在处理任何运动指令之前注册单位更改。

根据品牌活动的语言 dialect，可以使用替代代码。例如，Siemens native 模式使用 G70 和 G71 来缩放几何尺寸，或使用扩展的 G700 和 G710 同时缩放几何和工艺数据。在某些配置下，Fanuc 系统也可以通过调整特定的参数位来使用 G70 和 G71 进行编程。在多单位程序中执行线性插补 (linear interpolation)时，指定新的坐标基准可确保正确的行程限制。无论语法如何，这些代码都为所有线性轴建立了基准单位系统，而旋转轴则始终保持其度（degrees）的固有单位。

G20 ; (Inch 命令模式)
G21 ; (Metric 命令模式)

对于 Siemens native 模式，语法扩展为：

G70   ; (Siemens Native 几何 Inch 模式)
G71   ; (Siemens Native 几何 Metric 模式)
G700  ; (Siemens SW5+ 扩展 Inch 模式：缩放几何和 feedrates)
G710  ; (Siemens SW5+ 扩展 Metric 模式：缩放几何和 feedrates)

品牌应用

Fanuc

Fanuc 控制器通过 modal Group 06 命令 G20 和 G21 管理单位选择。该系统依赖于深度的参数集成，其中 Parameter 3402 bit 5 控制是否使用标准的 G20/G21 或 G70/G71 语法，而 Parameter 5006 bit 0 定义是否自动重新计算活动的 tool offsets 以防止尺寸偏差。如果在偏离参考点的地方尝试进行切换，控制系统将拒绝单位切换并停机。

为了安全地执行单位切换，Fanuc 设置要求使用 G28 返回参考位置，然后在专用程序段上执行独立命令，例如 G20; 或 G21;。

类别	详情
关键参数	Parameter 3402#5 (G70), Parameter 11222#0 (NIM), Parameter 14000#2 (IRFx), Parameter 5006#0 (OIM)
报警与触发条件	PS5362（当 14000#2 为 1 时在参考位置外切换单位），PS1298（当 11222#1 为 0 时在手动偏移/镜像期间切换），PS0092（当 1015#0 为 1 时在所有轴均未处于参考位置时切换）
版本差异	加工中心 (M) 和传统 Series 15-M 配置根据 Parameter 3402#5 支持替代的 G70/G71 代码，而车床 (T) 模型则坚持使用标准的 G20/G21。

警告：程序员必须确保在执行 G20/G21 切换之前启用 Parameter 5006 bit 0 (OIM)；如果禁用，tool offset 数据将不会转换，从而导致未缩放的 tool offsets，这将在刀具路径执行期间导致灾难性的尺寸错误。

Siemens

Siemens 控制系统利用使用标准 ISO Dialect 命令 G20/G21 或 native 命令 G70/G71 以及 G700/G710 的多层缩放系统。核心基础测量系统由机床数据 MD10240 定义，而活动工件偏移（work offsets）和 tool offsets 的扩展自动缩放转换则由 MD10260 管理。

在 ISO dialect 模式下，G20 或 G21 必须在程序段的开头独立编写。Native Siemens 命令直接集成在移动程序段中，例如 N10 G700 X2.75 Y3.22 F10.0。

类别	详情
关键参数	MD10240 $MN_SCALING_SYSTEM_IS_METRIC, MD10260 $MN_CONVERT_SCALING_SYSTEM, MD10250 $MN_SCALING_VALUE_INCH, MD10884 EXTERN_FLOATINGPOINT_PROG
报警与触发条件	Alarm 4070（手动更改缩放机床数据），Alarm 15030（活动测量系统与传入的数据块冲突），Alarm 4240（切换期间由于物理长度相关的用户变量过多导致 CPU 溢出），Alarm 61529（基础系统 MD10240 与编写的 G 命令不匹配）
版本差异	软件版本 SW5 及更高版本支持 G700/G710，以同时缩放几何和工艺数据（feedrates），而传统的 SW1-SW4 版本不支持工艺数据的自动缩放。

警告：在系统转换未激活的情况下手动更改核心缩放机床数据将触发 Alarm 4070，这表明现有的后台偏移和补偿数据尚未被自动缩放。

Mitsubishi

当 Parameter #1226 aux10/bit6 设置为 1 时，Mitsubishi CNC 平台在整个加工包络线内动态处理 G20 和 G21，转换坐标计数器、用户参数和 active 偏移。此外，车间管理员可以通过启用 Parameter #1253 set25/bit1 锁定所有单位转换尝试，从而保护机器的基础单位坐标完整性。

这些命令是以绝对方式编写的，可以独立使用，也可以在移动程序段中与兼容 G-codes 一起使用，例如 G21 G01 X150.0 Z50.0 F300.;。

类别	详情
关键参数	Parameter #1041 I_inch, Parameter #1226 aux10/bit6, Parameter #1152 I_G20, Parameter #1253 set25/bit1, Parameter #1042 pcinch
报警与触发条件	P67（在未激活程序单位转换选项的控制系统上指挥了单位转换），P34（在锁定参数 #1253 处于活动状态时尝试进行模式切换所触发的格式错误）
版本差异	NC 轴服从程序 G20/G21 指令，而 PLC 控制轴则完全忽略它们，仅由参数 #1042 pcinch 支配。在加工中心 (M) 和车床 (L) 控制系统中，旋转轴始终被严格锁定在度（degrees）中。

警告：如果 Parameter #1226 设置为 0，G20/G21 将切换程序坐标，但将无法转换偏移，从而导致严重的匹配失误，即未缩放的公制刀具被驱动进入英制坐标路径。

品牌对比

主题 / 特性	Fanuc	Siemens	Mitsubishi
主要单位选择 G-codes	G20 (Inch) / G21 (Metric)	ISO 模式：G20 / G21 Siemens 模式：G70 / G71	G20 (Inch) / G21 (Metric)
工艺数据缩放（Feedrate F）	需要手动重新计算	扩展的 G700 / G710 代码自动缩放 feedrate	在活动的 G20/G21 G94/G95 模式下自动缩放
参考位置限制	Parameter 14000#2 可以将 G20/G21 严格限制在参考位置上，如果违反则抛出 PS5362 报警	无限制；在切换前必须追踪或清除 active 坐标偏移	无参考位置限制；如果屏幕参数 #1226 为 1，则允许在坐标包络线内的任何位置进行切换
Tool & Work Offsets 的自动缩放	可通过 Parameter 5006#0 (OIM) 进行配置	可通过 Parameter MD10260 $MN_CONVERT_SCALING_SYSTEM (SW5+) 进行配置	可通过 Parameter #1226 aux10/bit6 进行配置
切换锁定 / 保护	可通过标准坐标安全参数进行锁定	通过 Alarm 15030 阻止数据块中的不一致程序段	通过 Parameter #1253 set25/bit1 进行显式锁定，触发 P34 报警
PLC 轴处理	— (no source)	在标准机床数据下处理	PLC 轴完全忽略程序 G20/G21；单位通过 #1042 pcinch 设置
旋转轴缩放	— (no source)	锁定在度数（不进行缩放）	锁定在度数（不进行缩放）

技术分析

从分析上看，三大主要控制系统之间的主要区别在于它们处理活动状态转换和运动学安全约束的方法。Fanuc 采用了高度保守、参数锁定的安全理念。通过利用 Parameter 14000#2，机床制造商可以将单位更改严格限制在物理参考点，如果程序中途指挥更改，控制系统会立即中止切换并发出 PS5362 报警。Fanuc 的标准坐标转换 (G20/G21) 需要显式激活 Parameter 5006#0 (OIM) 才能缩放 tool offset 寄存器，这意味着除非预先配置，否则标准的 G-code 执行不保证自动偏移缩放。相反，Mitsubishi 提供了更为动态的即时方法。通过 Parameter #1226，Mitsubishi 可以在工作包络线内的任何位置执行单位切换，并将自动转换位置计数器、feedrates 和 tool offsets。然而，为了保持控制，它集成了一个专用的管理锁定 Parameter #1253 set25/bit1，这会触发 P34 报警，完全阻止程序级别的单位转换。

Siemens 在复杂的、多层的体系结构层次结构下运行，该层次结构将 ISO dialect 解析与 native NC 设置融合在一起。虽然标准的 ISO G20 和 G21 仅缩放几何尺寸，但 Siemens native G700 和 G710 命令（在软件版本 SW5 及更高版本中可用）在单个程序段中同时缩放几何和工艺参数（例如 feedrate F）。Siemens 通过 MD10260 $MN_CONVERT_SCALING_SYSTEM 管理后台补偿和工件偏移（work offsets），这可以防止未缩放的运动坐标。与 Fanuc 和 Mitsubishi 不同，Siemens 还提供了独特的 MD10884 EXTERN_FLOATINGPOINT_PROG 参数，允许操作员动态切换如何解释不带小数点的坐标——将它们视为标准内部单位或计算器样式单位（mm 或 inches）——从而提供无与伦比的传统代码解析功能。

程序示例

Fanuc G-Code 示例

G28 U0 W0;                  ; 返回参考位置（许多 Fanuc 设置中需要）
G20;                        ; 选择 Inch 输入
G00 X2.0 Z1.5;              ; 英寸下的快速移动

空运行

在空运行期间，操作员必须验证 turret 首先使用 G28 U0 W0 退回到物理机床参考坐标系。一旦到达参考位置，控制系统就会处理 G20，切换译码器刻度，以便随后的快速命令 G00 X2.0 Z1.5 相对于活动坐标系精确移动刀具在 X 轴移动 2.0 英寸，在 Z 轴移动 1.5 英寸。操作员应观察屏幕位置计数器更改单位，并观看刀具路径图形，以确保没有处于活动状态的未缩放毫米坐标。

Siemens G-Code 示例

G291;                       ; 切换到 ISO dialect 模式
G20;                        ; 选择 Inch 输入
G290;                       ; 返回 Siemens 模式
N10 G700 X2.75 Y3.22 F10.0; ; Native Siemens Inch 模式（G700 缩放坐标和 feedrate F）

空运行

在空运行期间，控制系统首先执行 G291 来解析在其自身程序段中独立的传统 ISO units 选择命令 G20。通过 G290 返回到 native 模式后，程序段 N10 调用扩展的 native 命令 G700，这会迫使控制系统将坐标 X2.75 Y3.22 解释为 inches，并同时将 feedrate F10.0 转换为每分钟 10.0 英寸。在启动实际加工之前，操作员必须在诊断屏幕上检查轴运动和 feedrate 速度是否已正确缩放。

Mitsubishi G-Code 示例

G20;                        ; 将程序命令单位切换到 inch 系统
G00 X5.0 Z2.0;              ; 英寸下的快速运动
G21 G01 X150.0 Z50.0 F300.; ; 带有 mm 线性插补和 mm/min feedrate 的公制模式切换

空运行

在空运行期间，程序员验证 G20 是否将译码器单位刻度切换为 inches，从而促使 G00 X5.0 Z2.0 快速运动驱动各轴在 X 轴移动 5.0 英寸，在 Z 轴移动 2.0 英寸。然后，控制系统读取下一个程序段，其中 G21 瞬间将 modal 状态转移为公制，因此 G01 X150.0 Z50.0 F300. 以公制 feedrate 每分钟 300 毫米进行毫米线性插补（X 轴为 150.0 mm，Z 轴为 50.0 mm）。操作员必须注意 feedrate 的突然减速以及位置显示屏上的坐标转换。

错误分析

品牌	报警代码	触发条件	操作员症状	根本原因 / 解决方法
Fanuc	PS5362	当 14000#2 启用时，尝试在偏离参考位置处切换 G20/G21 单位。	机器立即停机；屏幕显示“CONVERT INCH/MM AT REF-POS”报警；轴运动停止。	根本原因：轴未定位在参考点上。解决方法：在执行单位切换命令之前，编写 G28 以将刀具返回参考位置。
Fanuc	PS1298	当工件坐标系发生偏移且 11222#1 设置为 0 时指挥 G20/G21。	程序执行中止；屏幕显示“ILLEGAL INCH/METRIC CONVERSION”报警。	根本原因：存在由于手动干预、手轮中断或活动镜像产生的活动偏移量。解决方法：清除所有手动偏移量，或将参数 11222 bit 1 (CIM) 设置为 1 以允许系统自动清除。
Fanuc	PS0092	当机器未处于所有轴的参考位置时切换单位（参数 1015#0 为 1）。	CNC 进入报警状态，阻止所有轴运动。	根本原因：系统要求在更改测量系统之前所有轴必须处于参考位置。解决方法：在 G20/G21 切换之前，对所有轴执行完整的手动或可编程参考位置返回。
Siemens	Alarm 15030	读取到与活动控制系统测量设置冲突的 INCH 或 METRIC 指令。	译码器立即停止执行；cycle 启动中断；屏幕显示测量系统不匹配。	根本原因：控制系统的活动测量系统与传入的数据块不对齐。解决方法：对齐控制系统的测量系统与读取的数据块，或纠正编写的 G-code。
Siemens	Alarm 4070	手动或通过文件更改单位缩放机床数据（例如 MD10260）。	屏幕提示“Scaling machine data altered”警告；随后的轴移动可能会使用未缩放的数据执行。	根本原因：在未启用自动偏移重新计算的情况下更改了机床数据缩放系统。解决方法：执行 POWERON 复位以激活缩放，并手动检查所有刀具补偿/偏移值。
Siemens	Alarm 4240	当使用过多的物理长度相关用户变量切换测量系统时，CPU 时间溢出。	NCK 译码器溢出；系统停机或经历通信延迟；屏幕显示格式转换错误。	根本原因：切换期间在 main run 同步动作中激活了过多的物理长度相关用户变量 (GUD/PUD/LUD)。解决方法：避免或尽量减少在 main run 同步动作中使用物理长度相关的用户变量。
Mitsubishi	P34	当锁定参数 #1253 set25/bit1 设置为 1 时指挥 G20 或 G21。	CNC 触发 P34 格式错误；模式切换被拒绝；轴移动被阻止。	根本原因：启用了单位转换的安全锁以保护机床坐标。解决方法：将锁定参数 #1253 bit 1 更改为 0 以允许单位转换，或从程序中消除 G20/G21 代码。
Mitsubishi	P67	在未激活程序单位转换选项的控制系统上指挥 G20/G21。	显示报警 P67“No spec”；程序执行停止；机器保持其基本单位状态。	根本原因：物理控制器缺少所需的程序单位转换 software 选项。解决方法：从 Mitsubishi 订购并激活该选项规范，或使用机器的 native 单位系统重写 G-code 程序。

应用指南

在要求严苛的批量生产中，自动坐标与刀具补偿转换参数的正确配置直接决定了加工循环的连续性和成品合格率。如果 Fanuc 系统中的 Parameter 5006 bit 0 (OIM) 或 Mitsubishi 系统中的 Parameter #1226 aux10/bit6 被错误地设置为 0，控制器在读取 G20/G21 时虽然会切换程序坐标系，但绝不会自动转换 tool offset 寄存器中的刀具几何与磨损补偿值。该参数未经验证就投入量产，每个加工循环的尺寸偏差会逐渐累积，直到终检才发现废品。为了在车间中彻底杜绝这种隐蔽的精度失效，换班后确认 5006 号参数（或 Mitsubishi 系统中的 #1226 号参数），可消除该指令最常见的非计划停机原因。此外，如果加工过渡需要等待，编写延时循环（dwell cycle）可以让切削力在过渡前完全消退。同时，操作员应当使用 G28 指令执行回零操作，以规避因中途盲目转换导致的 PS5362 报警停机；并充分利用 G22 和 G23 卡盘与尾座区域干涉检查功能，确保即便在未缩放的极限运动轨迹下，机床也能在发生碰撞前实施主动硬限位保护，将非计划停机时间控制在零值。

结论

实现高效且零缺陷的批量生产，要求车间管理层必须建立标准化的单位切换管控机制。所有多单位混用程序在正式上线前，必须在控制面板中逐一核对各品牌系统的关键转换参数——特别是 Fanuc 的 OIM 参数、Siemens 的 MD10260 以及 Mitsubishi 的 #1226 参数，确保自动缩放功能始终处于激活状态。操作员在装夹首件工件后，必须强制执行一次完整的图形空运行轨迹校验，并重新显式定义切换单位后的工艺 feedrate（F字）值，防止出现因给进率未缩放而导致的刀具过度摩擦或超速碰撞。将这些校验动作融入班前标准化点检表，是保障整批工件合格率与设备综合效率（OEE）的核心技术屏障。

常见问题

为什么在 Fanuc 系统中执行 G20 或 G21 切换时会频繁触发 PS5362 报警？

这表明控制器内启用了安全限制参数（如 Parameter 14000 bit 2），强制要求单位切换只能在机床的参考位置进行，以防止坐标系瞬时跳变导致机械干涉。在批量生产中，若在工件坐标系中途强行执行 G20/G21 就会触发 PS5362 报警并中断加工节拍。操作员应在换班点检时确认 Parameter 14000 的数值设置，并在编写多单位程序时，在 G20/G21 程序段前强制插入一行独立的 G28 U0 W0 (或 G28 X0 Y0 Z0) 回零指令。

批量加工中，为什么切换 G20/G21 后刀具移动速度会变得极慢或过快？

这是因为传统的 G20 和 G21 属于 Group 06 的 modal 代码，默认只对几何坐标尺寸（X、Y、Z、I、J、K）进行缩放，而不会自动折算活动的工艺参数 feedrate（F字）。如果程序由英制切换为公制而未更新 F 值，原本的 F10.0（10 mm/min）会变成每分钟仅移动 10 毫米的极慢爬行，导致刀具因剧烈摩擦而严重磨损并降低合格率。编程人员必须在每个 G20/G21 切换代码所在的下一行，重新编写与当前单位系统相匹配的显式 feedrate 值（如 F300.0），决不能依赖前序模态值。

如何彻底杜绝 Mitsubishi 系统因 #1226 参数未激活而导致的英公制混用撞机风险？

当 Mitsubishi 控制器中的参数 #1226 aux10/bit6 处于 0 状态时，即使执行了 G20/G21 命令，系统也仅会改变坐标计数的解析单位，而不会自动缩放刀具偏置表和工件坐标原点数据，从而导致实际加工路径产生 25.4 倍的偏差。为了避免这种隐蔽的灾难性撞机，车间工艺主管可以通过将安全锁定参数 #1253 set25/bit1 设置为 1 来完全禁用程序中的 G20/G21 单位切换指令。设备管理员应在设备投入运行前，进入系统参数页面将 #1226 设置为 1 以启用全自动缩放，或者将 #1253 设置为 1 进行安全锁定，并统一规范使用机床的 native 单位编写全部加工代码。

CNC G20和G21：Fanuc、Siemens与Mitsubishi英公制单位切换指南

引言