数控机床G37自动刀具长度测量量产编程与对刀仪碰撞保护安全指南

引言

在激活刀具半径补偿（G41或G42）的状态下，一旦强行执行 G37 自动刀具长度测量循环，数控系统将计算出偏移的补偿轨迹，导致快速运动的刀塔（turret）或主轴头直接撞击台面工件夹具（clamps）、台钳爪（vise jaw）或旋转卡盘（chuck）。这种猛烈的硬碰撞不仅会瞬间粉碎高精度的电信号接触式传感器，导致设备严重受损甚至威胁现场操作人员的人身安全，还会导致生产线意外停机。如果该指令未经验证就投入大批量量产，在首件调试或后续循环中，坐标系偏差及传感器响应延迟引起的累积螺距与尺寸偏差将无法被有效修正，导致批量工件尺寸超差，直至终检时才发现大量报废的废品，严重降低了批量生产节拍与合格率。

技术摘要

技术特性	规格
指令代码	G37 (Standard)，G36 / G37.1 / G37.2 (Expanded / Lathe，取决于品牌)
模态组	Group 00，非模态 (Unmodal)
支持品牌	Fanuc，Siemens (使用 G291 ISO 模式下的 G31 或原生循环)，Mitsubishi
关键参数	Fanuc 参数 No. 6241 (测量进给率) 与 No. 6254 (搜索公差)；Mitsubishi 参数 #8004 (测量速度) 与 #8005 (减速区)
主要限制	在调用循环前必须使用 G40 取消刀具半径与刀尖半径补偿 (G41/G42)。测量坐标必须在绝对模式 (G90) 下编程。

快速阅读

• 在调用自动刀具测量循环之前，编程 G40 指令以取消激活的刀尖或刀具半径补偿。
• 在测量程序段前选择绝对坐标编程 (G90)，以防止刀具路径回退偏差。
• 在启动 G37 校准前，在单独的程序段中预加载并激活刀具长度补偿代码 (H 或 T)。
• 调整机床参数，确保减速偏差区大于搜索范围限制。
• 将测量进给率设置得足够低，以防止在控制器信号传输延迟 (0 至 2 ms) 期间损坏物理测头。
• 验证工件坐标系与当前编程坐标系是否一致，以避免加工切削过深。

基本概念

自动刀具长度测量建立了一个闭环设置程序，使 CNC 机床能够在切削材料前动态校准其刀具几何补偿。刀具或刀塔 (turret) 以快速移动向预期的传感器坐标运动。在达到减速限制时，进给率 (feedrate) 降低到测量进给率。刀具以较慢的速度继续前进，直到接触到接触式传感器，触发测头触发信号以瞬间停止轴运动，计算与预期目标坐标的偏差，并注册修正值。

当刀具在控制寄存器中存在激活的补偿时，CNC 会将测量出的偏差写入磨损补偿寄存器。如果当前激活的补偿为零，则控制器直接将新测得的值注册为刀具长度形状或几何补偿。这种动态更新避免了手动数据输入可能出现的错误，从而缩减了设置时间并防止了废品产生。

在该循环中维持安全坐标需要定义一个轴向行程安全包络面，其中起点距离传感器应足够远，以防止过早触发。如果在刀具以测量进给率移动时执行了手动中断，操作员在重新启动执行前，必须将刀具返回到中断前的坐标位置，以防止刀具路径变形。

命令结构

G37 是一个非模态的 Group 00 准备功能指令，仅在被指定的程序段中有效。编程人员必须指定要测量的目标轴的坐标。控制器在跨越安全边界时切换进给率，先执行快速接近段，随后执行慢速测量搜索段。

对于变螺距螺纹切削加工，如 G34 渐变螺距螺纹切削 或 G35 递减螺距螺纹切削，控制器必须计算动态导程过渡。而在西门子系统上的恒定导程螺纹切削是通过 G33 恒定导程螺纹切削 执行的。相比之下，G37 是沿单个轴进行直线探测运动，直到外部接触信号中断该运动。

语法格式

Fanuc 车床模式：

G36 X xa ; (或 G37 Z za ;)

Fanuc 车床扩展模式：

G37.1 X xa ; (或 G37.2 Z za ;)

Fanuc 加工中心（铣床）模式：

G90 G37 Z za ;

Siemens ISO 解释器模式：

G31 Z za F fp ;

Mitsubishi 加工中心模式：

G37 Z za R r D d F fp ;

Mitsubishi 车床模式：

G37 X xa R r D d F fp ; (或 G37 Z za R r D d F fp ;)

参数

地址	品牌	描述	范围 / 限制
X, Z	Fanuc, Mitsubishi, Siemens	测量位置的绝对预期坐标。	坐标限制范围
R	Mitsubishi	距预期测量坐标的减速距离（增量值）。	0 至 99999.999 mm
D	Mitsubishi	搜索公差范围（允许的触碰窗口）。	0 至 99999.999 mm
F	Mitsubishi, Siemens	探测接近段的测量进给率。	正整数
P	Siemens	测头输入通道选择 (1 至 4)。	P1 至 P4

品牌应用

Fanuc

Fanuc 系统对车削和铣削补偿的配置方式不同。车削控制系统利用非模态 Group 00 G 代码 G36 和 G37，或 G37.1 和 G37.2 来校准 X 轴和 Z 轴，并将修正值直接写入几何或磨损寄存器。铣削系统在指定轴上使用单个 G37 指令，该指令要求在之前的程序段中已激活刀具长度补偿代码 H。

参数设置定义了安全边界和进给率。参数 No. 6241 设置探测进给率，参数 No. 6251 和 No. 6252 分别设置 X 轴和 Z 轴的减速偏差距离 (y)。参数 No. 6254 和 No. 6255 定义允许的搜索公差带 (ε)。车削系统通过参数 No. 3405 bit 3 在标准模式和扩展模式之间进行切换。

参数	描述	默认值 / 范围
No. 3405 Bit 3	车床 G 代码系统配置 (0 = G36/G37，1 = G37.1/G37.2)。	0 或 1
No. 6241	传感器接近段所使用的测量进给率 (Fp)。	正数 (mm/min)
No. 6251 / No. 6252	X 轴与 Z 轴的减速偏差距离 (y)。	正偏置值
No. 6254 / No. 6255	X 轴与 Z 轴允许的搜索范围 / 公差带 (ε)。	正数
No. 6210 Bit 7	铣削 CCM 参数 (0 = 标准补偿，1 = 带实际偏置)。	0 或 1
No. 0001 Bit 1	FCV 参数 (1 = 传统 Series 15 程序格式)。	0 或 1

如果在接触式传感器已被压下的情况下执行 G37，或者在到达坐标边界前未能触发传感器，将导致 Alarm PS0080 报警。操作员必须验证初始间隙以防止发生碰撞。

Siemens

Siemens 控制系统不具备原生的 G37 指令。自动刀具校准是在 JOG 模式下通过 HMI 操作软键（“Meas. tool”）交互执行，或通过选项锁定的宏测量循环执行。在 ISO Dialect 解释器模式 (G291) 下，解析器将非模态探测指令 G31 转换为测量循环 CYCLE328.spf，从而允许编程人员使用标准的 G 代码格式。

机床数据参数决定了 ISO dialect 解释转换行为. 参数 MD 18800 必须设置为 1 以启用外部语言解释，MD 10890 配置了工具更换编程。参数 MD 10760 控制在 G53、G153 和 SUPA 状态下是否抑制刀具长度和半径补偿。

机床数据	描述	值范围
MD 18800	外部 NC 语言的激活（全局 ISO Dialect 解释器选项）。	0 或 1 (必须为 1)
MD 10890	换刀编程的配置。Bit 2 控制 D 或 H 偏置的选择。	按位配置
MD 10760	在 G53、G153 和 SUPA 下抑制刀长与半径补偿。	2 至 4

如果在 G31 开始前测头触发信号已处于激活状态，控制器将停止执行并触发 Alarm 21700。如果未激活进给率，则触发 Alarm 14800。此外，当在 G31 程序段紧接的下一段中编程 G91 增量坐标时，Siemens 会相对于实际接触的坐标（即删除剩余距离后的物理点）而不是程序设定的目标坐标来计算回退量，如果不使用绝对坐标，这可能导致退刀碰撞。

Mitsubishi

Mitsubishi 控制系统使用非模态 G 代码 G37 或 G37.1 来校准刀具。当刀尖接触到接触式传感器时，触发 G31 跳过信号，删除剩余距离，并更新坐标寄存器。如果偏置值非零，控制系统会将偏差累加到磨损寄存器中；如果偏置值为零，则直接将新测得的值写入几何偏置寄存器中。

程序段内的 R、D 和 F 地址指定校准参数，从而覆盖系统默认值。参数 #8004 SPEED 定义了默认进给率，参数 #8005 ZONE r 和 #8006 ZONE d 定义了默认安全区。参数 #1080 Dril_Z 将测量限制在 Z 轴，参数 #1381/bit0 TolOfsCmdCheck_M 检查零值偏置。

参数	描述	默认值 / 范围
#8004 SPEED	接近传感器时使用的默认测量进给率 (Fp)。	0 至 60000 mm/min (车床)，0 至 1000000 mm/min (铣床)
#8005 ZONE r	省略 R 时所使用的默认减速范围 (r)。	0 至 99999.999 mm
#8006 ZONE d	省略 D 时所使用的默认搜索范围限制 (d)。	0 至 99999.999 mm
#1080 Dril_Z	铣削参数。如果为 1，则严格强制 Z 轴为唯一有效的测量轴。	0 或 1
#1238 set10/bit0	车床参数。切换 G36 是逆时针圆弧螺纹切削 (1) 还是 X 轴刀具测量 (0)。	0 或 1
#1381/bit0	TolOfsCmdCheck_M。如果为 1，调用偏置代码 H 且偏置补偿值为 0 时将触发程序错误。	0 或 1

如果测头信号在搜索范围之外被触发或在终点处未检测到信号，系统将触发程序错误 P607。在测量过程中，如果应用了手动中断，操作员必须在恢复运行前手动将轴返回至中断前的位置，以防止刀具路径变形。

品牌对比

功能 / 选项	Fanuc	Siemens	Mitsubishi
原生探测指令	G37 (Z 轴 / 铣削)，G36/G37 或 G37.1/G37.2 (车床)	— (no source)	G37 / G37.1 (铣削)，G36/G37 或 G37.1/G37.2 (车床)
安全区配置	参数 No. 6251 与 No. 6254	通过循环或软键进行程序化设定	程序段内动态坐标 (R 和 D 地址)
报警报告方式	统一报警 PS0080	报警 21700、14800、61800、14011	分级程序错误 P600 至 P607
多头螺纹偏置	— (no source)	— (no source)	— (no source)

技术分析

三种截然不同的程序化行为清晰地将 Fanuc 的自动刀具测量与 Siemens 和 Mitsubishi 控制系统区别开来。首先，Fanuc 采用统一的报警报告结构。Fanuc 将所有越界触碰、提前触发和未接触事件汇总到单个标准报警代码 PS0080 中。相反，Mitsubishi 控制系统采用高度结构化的多级程序错误编号格式，范围从 P600 到 P607。其次，Fanuc 车削控制系统根据参数 No. 3405，使用 G36/G37 或 G37.1/G37.2 将自动偏置映射到特定坐标。与之相反，Mitsubishi 车床控制系统将自动刀具长度测量专有地映射到非模态 G 代码 G37 和 G37.1，要求编程人员直接在 G 代码程序段内通过地址 R 定义增量减速偏置、通过 D 定义允许的公差。第三，Fanuc 将 G37 实现为原生的硬件级非模态 Group 00 运动指令，该指令直接覆盖模态坐标。相比之下，Siemens 控制系统不使用原生的 G37 G 代码；相反，它们通过交互式操作软键或高精度测量循环（例如 CYCLE971）来处理刀具长度和直径探测，这需要专用的软件选项来调用程序辅助子程序。在 Siemens ISO Dialect 模式下运行时，标准测量指令会被映射到 G31，该指令在后台被转换为原生 Siemens 子程序（例如 CYCLE328.spf）。此外，Siemens 实施了严格 of G91 回退坐标参照规则，即随后的增量移动与实际触发接触的坐标对齐，而 Fanuc 和 Mitsubishi 控制系统则采用更刚性的坐标覆盖参数方式。

程序示例

Fanuc 示例

T0101 ; 选择 1 号刀具并激活 1 号偏置
G37 Z150.0 ; 执行 Z 轴自动偏置至绝对预期坐标 150.0
G43 H11 Z50.0 ; 在之前的程序段中激活 11 号刀长偏置
G90 G37 Z-120.0 ; 执行 Z 轴自动测量至绝对坐标 -120.0

空运行 (dry run)

• 刀塔转位至 1 号刀具并激活 1 号偏置 (T0101)。
• Z 轴快速移动向 Z150.0 坐标。
• 在达到减速限制时（Z150.0 减去参数 No. 6252 的值），进给速度降低到参数 No. 6241 定义的测量速度。
• 刀具接触传感器，运动瞬间停止，并将偏差值写入 1 号几何偏置寄存器中。
• 随后，激活 11 号刀具偏置。
• Z 轴快速移动到坐标 Z-120.0，并在安全阈值处减速。
• 接触触发了接近终点信号，偏差值被存储在 H11 中。

Siemens ISO 模式示例

G291 ; 将解释器解析器从原生 Siemens 模式切换为 ISO Dialect 模式
T1 D1 ; 调用刀具 T1 并激活测量用切削刃 D1
G31 Z-120. F100 ; 沿 Z 轴向绝对坐标 Z-120.0 进行探测，进给率为 100 mm/min
G290 ; 将解释器解析器切回原生 Siemens 模式

空运行

• 解释器将解析器切换到 ISO Dialect 模式 (G291)。
• 选定刀具 T1 及切削刃 D1。
• 探测循环 (G31) 沿 Z 轴向绝对坐标 Z-120.0 启动。
• 刀具以 F100 进给率移动，直至触发接触式测头。
• 轴运动被清除，坐标寄存器被读取，值被记录到 D1 的 Siemens 刀具列表中。
• 解释器返回到原生 Siemens 模式 (G290)。

Mitsubishi 示例

G43 H01 ; 预先使 1 号刀具长度补偿模态化生效
G37 Z-400. R200. D150. F100 ; 执行 Z 轴刀具长度校准至预期坐标 -400.0，减速范围 200.0，搜索限制 150.0

空运行

• 刀具长度偏置 1 (H01) 模态化生效。
• 执行 G37 指令以进行 Z 轴校准。
• 刀具以快速移动接近目标 Z-400.0。
• 在距离目标 200.0 mm (R200.0) 处，进给率降至 F100。
• 在 150.0 mm (D150.0) 的搜索公差窗口内进行探测。
• 接触触发 G31 跳过输入，停止进给，并将坐标偏差值写入 1 号磨损偏置寄存器中。

错误分析

品牌	报警代码	触发条件	操作员解决方法
Fanuc	Alarm PS0080	在减速区内提前激活了传感器接近终点信号，或者在到达安全边界之前从未触发信号。	检查初始安全间隙，并增大搜索范围参数 (No. 6254 / No. 6255)。
Fanuc	Command Alarm	铣削：在同一个 G 代码程序段中同时编程了刀具长度补偿 H 代码与 G37。	在 G37 之前的程序段中单独编写 H 代码。
Siemens	Alarm 21700	在测头触发信号已处于激活状态（测头卡住/粘连）时启动了 G31 测量循环。	清除测头测针上的切屑污垢，验证硬件运行状态，并复位测头状态。
Siemens	Alarm 14800	在探测移动期间，插补路径速度小于或等于零（无有效的活动进给率 F 或未在当前段指定 F）。	在探测程序段之前或当前段中指定有效的进给率 F。
Siemens	Alarm 61800	在外部语言机床数据 MD 18800 未启用的情况下执行了 ISO 模式下的探测指令。	启用外部语言支持（将 MD 18800 设置为 1）。
Siemens	Alarm 14011	当调用 G10.6 快速退刀时，NC 程序内存中缺失 CYCLE3106.spf 子程序。	Ensure CYCLE3106.spf exists in part program memory.
Mitsubishi	Program error P600	在机床未选配或未启用自动刀长测量选项的情况下调用了 G37 / G37.1。	核对机床选配项并确认机床制造商的 PLC 集成。
Mitsubishi	Program error P604	G37 程序段中未指定任何测量轴坐标，或者同时指定了两个及以上轴的坐标。	在 G37 程序段中仅且必须指定一个轴的坐标（例如 Z）。
Mitsubishi	Program error P605	在 G37 同一程序段中同时编程了刀具长度补偿偏置 H 指令。	在调用 G37 之前定义刀具偏置值。
Mitsubishi	Program error P606	在 G37 之前未编程激活任何刀具长度补偿偏置 (G43 H_)，或者在 #1080 Dril_Z = 1 时指定了非 Z 轴坐标。	在之前的段中调用 G43 H_；验证目标轴的地址。
Mitsubishi	Program error P607	在搜索范围（区域 D）之外触发了测头信号，或者当轴到达目标终点时仍未检测到信号。	检查物理空间坐标范围及传感器对齐情况。
Mitsubishi	Program error P608	调用 G37 时，刀具半径补偿（G41 或 G42）处于激活状态。	在调用 G37 前，使用 G40 取消刀具半径补偿。
Mitsubishi	Program error P957	调用 G43 或 G53.6 时，当前激活的偏置号 H 对应的刀具长度偏置值在偏置表里为 0。	在偏置寄存器中为对应的偏置号设置一个非零值。

应用指南

在批量量产自动化生产线中，刀塔与对刀仪的硬性碰撞事故往往源于对补偿指令与回退指令的控制疏忽。如果在执行 G37（或 Siemens 系统下的 G31 探测、Mitsubishi 系统下的 G37.1）校准前，未能显式调用 G40 停用活动的刀尖或刀具半径补偿（G41/G42），解释器会偏置测量轨迹，导致刀塔直接撞击台面工件夹具（clamps）、台钳爪（vise jaw）或旋转卡盘（chuck），粉碎测头并导致停机。为了实现严格的设备保护与人员安全，技术人员在换班后或重新启动前，必须仔细核对与对刀动作相关的轴安全行程设定。以 Fanuc 为例，必须合理配置减速偏差距离参数（No. 6251/6252，y）与搜索公差带参数（No. 6254/6255，ε），确保满足 y > ε 的硬性约束；同时，测量进给率（Parameter No. 6241）必须根据 0 至 2 毫秒 of 信号传输延迟进行限制，防止因超速进给导致探测针偏折过度而报废。同样地，如果工作区域边界（G54-G59）没有与激活的编程坐标系完全对齐，G37计算出的刀具长度偏置值也会产生偏差，从而在后续循环中产生大量废品。

此外，使用 Siemens 系统的 ISO 解释模式（激活 MD 18800 = 1）进行测量时，G31 之后的退刀程序段必须严格采用绝对坐标（G90）指令。如果误用增量坐标（G91），控制系统会相对于实际接触的测头坐标计算回退轨迹，使得退刀安全高度随工件厚度的微小波动而发生改变，极易在回退时使刀具撞向夹具或压板。换班后确认机床数据与偏置寄存器，可消除该指令最常见的非计划停机原因。在 Mitsubishi 系统中，若设定了 TolOfsCmdCheck_M（#1381/bit0 = 1）以防止空偏置运行，操作员必须预先在 H 寄存器中填入非零值，否则将直接抛出 Program error P957 停机。而在探测中途应用手动中断后，技术人员必须手动将轴复位至中断前的初始位置，以消除轴同步轨迹失真带来的后续加工废品风险，从而在提升合格率的同时，建立起稳固的设备防护网。

相关命令网络

• G43 / G44 / G49：激活或取消刀具长度补偿偏置。在运行自动刀具校准循环前，必须先使长度补偿模态化生效。
• G31：启动硬件级的跳过功能（skip function）探测路径，G37 在内部利用该功能捕捉传感器触发事件时的物理坐标。
• G40 / G41 / G42：取消或激活刀具半径与刀宽补偿。在执行 G37 之前，必须使用 G40 取消补偿，以防止引起撞机的路径偏差。
• G290 / G291：在原生 Siemens 语言和外部 ISO Dialect 模式之间进行切换，以启用 G31 探测解析器操作。
• G10：允许通过零件程序对刀具偏置和参数进行程序化数据输入，以直接注册基准校准坐标。

结论

确保自动刀具长度测量循环安全、高效运行的关键，在于建立严格的对刀前校验规范与完善的限位防护。工艺技术人员应当在批量生产前，确认所有刀具半径补偿已被 G40 指令安全注销，且测量轴的安全行程边界与进给速度已匹配对应的机床参数约束。在首件调试期间，可通过将加工坐标系整体平移至安全空间执行空运行，以彻底排除信号延迟或参数超差引起的过载碰撞风险。将这些检查规程融入日常操作规范，能够在实现设备保护与人员安全的同时，有效消除非计划停机时间，保障多批次大批量量产的螺纹与尺寸合格率。

常见问题

在 Fanuc 系统上运行 G37 自动对刀时，为什么会频繁触发 Alarm PS0080 报警？如何排查？

该报警表示传感器接近信号被提前触发或在探测范围内未检测到触碰。在大批量量产中，这通常是因为测头前有切屑堆积导致常闭触点异常断开，或者是减速偏差距离 y 设置小于搜索公差 ε。实用行动：停机并清除对刀仪表面的金属残渣，手动检查测头回弹，并在系统界面中核对参数 No. 6251（减速距离）与 No. 6254（搜索范围）的值，确保减速距离大于搜索范围。

在 Siemens ISO 解释模式下，为什么执行 G31 测量后，下一段的退刀动作会发生撞刀？

西门子系统在执行 G31 探测时，如果紧随其后的退刀程序段采用增量坐标（G91）编程，系统会从实际碰针停止的坐标（已扣除剩余距离的物理点）来计算退刀位移。这会导致刀具回退高度随毛坯公差产生动态浮动，可能使刀塔直接撞上夹具。实用行动：在 G31 探测段结束后，首个退刀移动段必须显式采用 G90 绝对坐标指令，强制刀具退至固定的安全高度。

运行 G37 刀长校准时，如何防止由于刀具长度磨损偏置设为 0 而引起的系统停机或首件超差？

在一些控制系统（如 Mitsubishi 开启了 #1381 TolOfsCmdCheck_M）中，如果激活的 H 偏置值在偏置表里为 0，强行执行 G37 测量会直接触发 P957 报警或导致插补偏差计算错误，引发撞机危险。实用行动：在零件程序执行自动对刀循环之前，确保偏置表中已为当前测量的 H 偏置号填入了近似的名义刀长值作为初始偏置基准，防止偏置值为 0 触发机床报错停机。