數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系比較與應(yīng)用研究

摘 要：本文介紹了在數(shù)控機(jī)床使用中的幾種坐標(biāo)系，對它們的相互關(guān)系及建立坐標(biāo)系方法進(jìn)行了比較和研究，并結(jié)合不同數(shù)控系統(tǒng)及生產(chǎn)實(shí)際，具體闡述了在加工中建立工件坐標(biāo)系方法及其注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 坐標(biāo)系 工件原點(diǎn) 指令

在數(shù)控編程時(shí)，為了描述機(jī)床運(yùn)動(dòng)，簡化程序編制的方法及保證記錄數(shù)據(jù)的互換性，必須正確理解和使用數(shù)控機(jī)床中坐標(biāo)系。數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系是為了確定工件在機(jī)床中位置，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的特殊位置（如換刀點(diǎn)、參考點(diǎn)等）以及運(yùn)動(dòng)范圍（如行程范圍）等建立的幾何坐標(biāo)系（如圖1、圖2所示）。目前我國執(zhí)行的行業(yè)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)JB/T3051-1999《數(shù)控機(jī)床-坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向的命名》，與國際上標(biāo)準(zhǔn)ISO841等效。標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系采用右手迪卡爾直角坐標(biāo)系（如圖3所示）。

要建立合理的編程坐標(biāo)系，編制出合格數(shù)控加工程序并做到最優(yōu)化，必須正確理解和區(qū)別機(jī)床坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系的含義及其相互關(guān)系。

1．?dāng)?shù)控機(jī)床中三種坐標(biāo)系及其關(guān)系

（1）機(jī)床坐標(biāo)系

數(shù)控機(jī)床動(dòng)作是由數(shù)控裝置來控制的，為確定數(shù)控機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)，必須先確定機(jī)床上運(yùn)動(dòng)的位移和運(yùn)動(dòng)的方向，這就必須通過坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)，此坐標(biāo)系稱為機(jī)床坐標(biāo)系。機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床固有的坐標(biāo)系，他是數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家在機(jī)床經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整后便唯一確定下來的坐標(biāo)系，如圖（4）中的“Ｏ1”點(diǎn)所示。

針對于不同類型的數(shù)控機(jī)床加工中可能是主軸移動(dòng)或工作臺移動(dòng)，在機(jī)床上我們始終認(rèn)為刀具運(yùn)動(dòng)而工件靜止，這樣編程人員可不考慮機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，而直接依據(jù)零件圖樣編制機(jī)床的加工程序。

（2）編程坐標(biāo)系

編程坐標(biāo)系是編程人員根據(jù)零件圖樣及工藝要求為編制程序需要而建立的坐標(biāo)系。確定編程坐標(biāo)系時(shí)無需考慮工件毛坯在機(jī)床上的實(shí)際裝夾位置，見圖（5）中“Ｏ2”點(diǎn)。

（3）加工坐標(biāo)系

加工坐標(biāo)系是指以確定的加工原點(diǎn)為基準(zhǔn)所建立的坐標(biāo)系，加工原點(diǎn)是指零件被裝夾好后，相應(yīng)的編程原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，見圖（4）中“Ｏ3”點(diǎn)。

在加工過程中數(shù)控機(jī)床是按照工件裝夾好后所確定的加工原點(diǎn)位置和程序要求進(jìn)行加工的，編程人員在編程時(shí)，只要根據(jù)零件圖樣就可以選定編程原點(diǎn)，建立編程坐標(biāo)系，計(jì)算坐標(biāo)數(shù)值，而不必考慮工件的實(shí)際裝夾位置。對于加工人員來說，則應(yīng)在裝夾工件、調(diào)試程序時(shí)，將編程原點(diǎn)轉(zhuǎn)換為加工原點(diǎn)，確定加工原點(diǎn)的位置，在數(shù)控系統(tǒng)中給于設(shè)定，設(shè)定加工坐標(biāo)系后，便可以確定刀具的起始位置，在加工時(shí)工件各尺寸的坐標(biāo)值都是相對于加工原點(diǎn)而言的，這樣數(shù)控機(jī)床才能按照準(zhǔn)確的加工坐標(biāo)系所確定的位置開始加工。

2．工件坐標(biāo)系建立的三個(gè)原則

理論上講編程原點(diǎn)選在零件上的任何一點(diǎn)都可以，但實(shí)際上為換算尺寸盡可能簡便，減少計(jì)算誤差，優(yōu)化程序，應(yīng)選擇一個(gè)合理的編程原點(diǎn)。通常要注意以下三點(diǎn)：

（1）為減小計(jì)算量，工件原點(diǎn)應(yīng)選在零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基準(zhǔn)上，這樣可以用圖紙標(biāo)注的尺寸直接轉(zhuǎn)換成程序的坐標(biāo)值。也可選在對稱中心或角點(diǎn)上，便于計(jì)算和編程，如圖（6）和圖（7）。

（2）加工原點(diǎn)應(yīng)選在工件尺寸精度高、表面粗糙度比較小的工件表面上，這樣可以使零件裝夾可靠、定位準(zhǔn)確。

（3）能方便地安裝工件，便于測量檢驗(yàn)工件尺寸。

3．建立工件坐標(biāo)系的三種方法

工件坐標(biāo)系的建立方法有三類：一類采用零點(diǎn)偏置指令G54～G59；一類采用工件坐標(biāo)系設(shè)定指令G50或G92在程序中加以設(shè)定，另一類是調(diào)用刀具長度補(bǔ)償值建立工件坐標(biāo)系。下面對這三類工件坐標(biāo)系的建立作簡單介紹。

3.1用G54～G59指令設(shè)置工件坐標(biāo)系

用G54～G59指令設(shè)置工件坐標(biāo)系的方法是將工件定位于機(jī)床上后，將工件坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系下的機(jī)械坐標(biāo)值X、Y、Z存儲在工件坐標(biāo)系存儲地址G54～G59中，然后在程序中調(diào)用。

如圖（7）所示將工件坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在工件上表面的左下角。

(1)對刀測量，用直徑為φ10的標(biāo)準(zhǔn)測量棒、塞尺對刀，得到測量值為X = -455.1， Y = -245.1 ，Z = -219.8，如圖（8）和圖（9）所示。

(2)計(jì)算設(shè)定值，根據(jù)刀位點(diǎn)位置和刀徑及塞尺厚度得到如下計(jì)算值：

a= -455.1+5+0.1=-450mm，b= -245.1+5+0.1= -240mm，c= -219.8-0.2=-220mm

(3)設(shè)定加工坐標(biāo)系，進(jìn)入數(shù)控機(jī)床MDI模式的工件坐標(biāo)系的設(shè)定界面，然后將a= -450mm，b= -240mm，c= -220mm輸入到G54中，加工原點(diǎn)即設(shè)定完備。

這種方法的特點(diǎn)是在一個(gè)加工程序中根據(jù)需要可以建立多個(gè)不同的工件坐標(biāo)（如FANUC系統(tǒng)可建G54～G59共6個(gè)）而且關(guān)機(jī)后工件坐標(biāo)系G54～G59中設(shè)定值永久被保存。

3.2調(diào)用刀具長度補(bǔ)償值建立工件坐標(biāo)系

它是將每把刀具的長度補(bǔ)償值測量出來存儲在刀具幾何補(bǔ)償中。編寫程序時(shí)直接調(diào)用刀具號及該刀具的補(bǔ)償號，程序運(yùn)行時(shí)即建立該刀具的工件坐標(biāo)系，（如T0101，前兩位為刀具號，后兩位為刀補(bǔ)號。）本文以FANUC 0i系統(tǒng)數(shù)控車床為例介紹刀具幾何補(bǔ)償值設(shè)置方法：

（1）在手動(dòng)方式下開動(dòng)主軸，手動(dòng)切削工件端面后將刀具沿X方向退出（Z方向不動(dòng)）。進(jìn)入刀具幾何補(bǔ)償界面（如圖8所示）。輸入“Z”和“刀尖距工件原點(diǎn)在Z軸方向距離”(如Z0）后，按“測量”軟鍵，Z方向工件原點(diǎn)的機(jī)床坐標(biāo)值被存儲并自動(dòng)顯示在界面上。

（2）手動(dòng)切削工件外圓，將刀具沿Z方向退出（X方向不動(dòng)），停止后測量被切削處工件直徑，如：φ22．355mm。在刀具幾何補(bǔ)償界面中輸入“X”（如X22.355）后按“測量”軟鍵，系統(tǒng)自動(dòng)用刀具當(dāng)前位置的機(jī)械坐標(biāo)值減去工件的直徑，即計(jì)算并存儲工件旋轉(zhuǎn)中心的X機(jī)械坐標(biāo)，同時(shí)將此值顯示在界面中。

此方法的特點(diǎn)是：建立工件坐標(biāo)系方法簡單，在數(shù)控車床中經(jīng)常采用；換刀后，因刀具幾何尺寸之間有差異，調(diào)用刀具指令后，為了防止刀具產(chǎn)生干涉，須有一段調(diào)整距離；用此方法建立工件坐標(biāo)系，G54～G59中零點(diǎn)偏置值一般須清零，否則會相互影響。

3.3 用G50或G92指令設(shè)置工件加工坐標(biāo)系

（1）用G50指令在數(shù)控車床中建立工件坐標(biāo)系

編程格式：G50X～Z～；式中X、Z的值是起刀點(diǎn)相對于加工原點(diǎn)的位置。

在數(shù)控車床編程時(shí)，所有X坐標(biāo)值均使用直徑值。

如圖11的程序段可寫為：G50 X200 Z51；

（1）用G92指令在數(shù)控銑床中建立工件坐標(biāo)系。

編程格式：G92X～Y～ Z～ ；式中X、Y、Z值是起刀點(diǎn)相對于加工原點(diǎn)的位置。

如圖12的程序段可寫為：G92X20Y10 Z10

其確立的加工原點(diǎn)在相對于刀具起始點(diǎn)為X=-20，Y=-10，Z=-10的位置上。

用G92和G50設(shè)定工件加工坐標(biāo)系是通過定義工件加工零點(diǎn)與程序起刀點(diǎn)的相對位置來確定工件原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置的，它必須通過程序體現(xiàn)出來，即G50和G92指令是工件坐標(biāo)系設(shè)置指令，也就是將機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系聯(lián)系起來的指令。

用G92和G50設(shè)定工件加工坐標(biāo)系的特點(diǎn)是：

（1）必須在程序開始段中通過相應(yīng)的編程格式設(shè)定G92和G50指令。程序開始遠(yuǎn)行前，必須通過手動(dòng)方式將刀具定位到指定位置X、Y、Z處，此過程須通過精確對刀來實(shí)現(xiàn)。

（2）系統(tǒng)斷電后會喪失對G92和G50指令建立的坐標(biāo)系的記憶功能，必須重新對刀。這一點(diǎn)務(wù)必要注意，否則加工原點(diǎn)會移位，造成撞車或加工零件報(bào)廢等情況。

4．加工坐標(biāo)系的合理選擇與優(yōu)化的幾點(diǎn)要求

工件加工坐標(biāo)系的建立是保證數(shù)控零件加工能安全、正確地自動(dòng)運(yùn)行的前提。為合理的確定加工坐標(biāo)系和達(dá)到優(yōu)化程序、滿足產(chǎn)品加工精度的要求，通常要注意以下幾點(diǎn)：

（1）若在工作臺上同時(shí)加工多個(gè)相同的零件或不同零件時(shí)，而且他們都有各自的尺寸基準(zhǔn)，為了避免編程尺寸換算，可建立G54～G59六個(gè)工件坐標(biāo)系（如圖13所示）。

（2）工件坐標(biāo)系的選擇要利于尺寸計(jì)算、利于優(yōu)化程序。對于車削工件，為便于對刀和計(jì)算，加工原點(diǎn)通常選在工件端面與回轉(zhuǎn)中心的交點(diǎn)處（如圖4所示）。對于銑削工件，為便于對刀和計(jì)算，加工原點(diǎn)通常選在工件的上表面的角點(diǎn)上，對于有對稱部分的工件可選在對稱面上（如圖6所示），以便用鏡像或子程序等編程方法來優(yōu)化程序。

（3）通常程序的首段一般具有建立工件坐標(biāo)系的指令，且程序中建立工件坐標(biāo)系的方法必須與設(shè)置方法一致，且一一對應(yīng)。

5．結(jié)語

上述的幾種工件坐標(biāo)系各有特色，在產(chǎn)品實(shí)際加工中應(yīng)根據(jù)圖形的種類、尺寸標(biāo)注、產(chǎn)品批量的大小、手工或自動(dòng)編程等情況靈活運(yùn)用。在正確的理解和掌握的基礎(chǔ)上，靈活選用不同的方法會給我們的編程和操作帶來很大的方便。 (作者單位：無錫科技職業(yè)學(xué)院)

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作者簡介：何永華（1968-），男，江蘇無錫人，學(xué)士學(xué)位，工程師、講師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工、CAD/CAM技術(shù)。