加工中心工件坐標(biāo)系原點(diǎn)確定方法的設(shè)計(jì)與探討

梁貴寶　王建生　皮小園　王林

【摘 要】在對工件進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，由于工件材質(zhì)、形狀和加工區(qū)域等因素的不一致，坐標(biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)的建立和確定往往存在一定的難度，而且在大批量的生產(chǎn)加工中，由于工件夾位置漂移的不可避免性，使得重復(fù)加工的精度無法達(dá)到統(tǒng)一，因此本文將就這一問題，采用一種傳感器硬件捕獲的方法，加以設(shè)計(jì)和改進(jìn)，將大大提高工件加工中的效率和精度。

【關(guān)鍵詞】坐標(biāo)系；傳感器；硬件捕獲

1.機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系

在工件的機(jī)械加工中，坐標(biāo)系的正確建立和標(biāo)識是良性加工的第一步。這里面要涉及到兩個坐標(biāo)系。第一個坐標(biāo)系是機(jī)床坐標(biāo)系，即用來確定工件位置和機(jī)床運(yùn)動的基本坐標(biāo)系，屬于遵循國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定—右手笛卡爾坐標(biāo)系。機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)也成為機(jī)械原點(diǎn)或零點(diǎn)，它是機(jī)床固有的點(diǎn)，不能改動。雖然它不能作為編程來使用，但是卻可以用作參考來建立工件坐標(biāo)系。第二個坐標(biāo)系是工件坐標(biāo)系。在加工中心上進(jìn)行零件加工時，刀具與工件的相對運(yùn)動必須在確定的坐標(biāo)系中才能按程序進(jìn)行加工。加工中心工作時，其顯示屏坐標(biāo)系頁面上一般都有下列坐標(biāo)系顯示： 相對坐標(biāo)系、剩余坐標(biāo)系、絕對坐標(biāo)系（ 也就是工件坐標(biāo)系）、機(jī)床坐標(biāo)系。生產(chǎn)中， 最為關(guān)鍵的是機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系。設(shè)備運(yùn)行時，刀具的運(yùn)動軌跡自始至終需要精確的控制， 并且是在以機(jī)床坐標(biāo)系下進(jìn)行的，但編程尺寸卻按人為定義的工件坐標(biāo)系確定。

因此，當(dāng)工件被家具固定在機(jī)床上以后，就必須正確無誤的測量出工件坐標(biāo)系原點(diǎn)所在和相應(yīng)的坐標(biāo)值，將所得到的參數(shù)輸入到要編譯的程序中去，其實(shí)，測量工件的坐標(biāo)值，也正是測量工件的坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

2.確定工件坐標(biāo)系常用方法

一般情況下，確定工件坐標(biāo)系坐標(biāo)值的方法是，在工件待加工的狀態(tài)下，在工件上確定工位，使選擇的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在X軸、Y軸方向與機(jī)床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機(jī)床的主軸端面重合，那么此時設(shè)備顯示屏幕上的機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值就是工件的坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

如果工件坐標(biāo)系原點(diǎn)正好設(shè)置在圓柱定位銷中心與定位面的交點(diǎn)上，在加工工件時定位面與主軸垂直，切定位銷軸線與主軸平行。此時X、Y坐標(biāo)值的確定方法為： 先在主軸上安裝一個專用刀桿，要保證刀桿端面平、且可吸附磁力表座； 然后在專用刀桿上固定一個百分表， 使表針和圓柱定位銷圓柱面接觸；手動旋轉(zhuǎn)刀桿使百分表繞定位銷旋轉(zhuǎn)， 同時在X、Y方向上利用手動脈沖發(fā)生器調(diào)整主軸位置，直至百分表的指針不動，這時設(shè)備顯示屏上顯示的X、Y機(jī)械坐標(biāo)值即為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的位置。如下圖1所示：

Z 坐標(biāo)值的確定： 同樣在主軸上安裝一個專用刀桿，運(yùn)用手動操作移動Z軸使刀桿移向定位面， 使刀桿與定位面輕微接觸（ 如圖2所示） 。這時面板上顯示的Z軸機(jī)械坐標(biāo)值假設(shè)為“-a”，刀長為“b”， 則此時工件坐標(biāo)系Z軸坐標(biāo)原點(diǎn)即為“-a-b”。

但如果工件原點(diǎn)沒有設(shè)置在定位銷與定位面的交點(diǎn)上， 而是設(shè)在與X、Y、Z方向上都有一定的偏移量的方向上， 此時也可使用上述方法， 先測量出定位銷與定位面交點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)點(diǎn)， 再通過計(jì)算求得所設(shè)定的工件原點(diǎn)坐標(biāo)值。

3.對坐標(biāo)原點(diǎn)確定新的方法的探討

傳統(tǒng)確定坐標(biāo)原點(diǎn)的方法，需要在主軸上裝有一個特定的專用刀桿，而且對刀桿還需要有吸附磁力表座的要求，操作起來相對較繁瑣，而且該方法的精度也不是特別的高，無法用于精度較高的微小加工。因此，本文提出了一種新的方法，即使用傳感器硬件捕獲的方法來確定坐標(biāo)原點(diǎn)。

本方法選用的是光柵尺位移傳感器，在機(jī)床上先既定一個點(diǎn)，當(dāng)工作臺運(yùn)動到這一點(diǎn)時，傳感器立即被觸發(fā)，讀取它的位置。因此這要求傳感器的精度很高。目前市面上此類傳感器的精度已經(jīng)可以達(dá)到這一要求，一般可以達(dá)到120m/min（0.005mm）的反應(yīng)速度。

按照傳統(tǒng)的確定方法，首先需要找到機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，然后根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系的位置來設(shè)置使得工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在X軸、Y軸方向與機(jī)床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機(jī)床的主軸端面重合，因此這一工作的重點(diǎn)還是來確定機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

傳感器捕獲的方法要求首先要在機(jī)床架上裝上能夠瞬間被觸發(fā)的位移傳感器，采用“home+index”兩次循環(huán)觸發(fā)的方法，由于兩次出發(fā)前工作臺運(yùn)動的速度不一樣，而運(yùn)動速度又和捕獲的精度有著很大的關(guān)系，運(yùn)動速度越慢，捕獲的精度就越高，因此第一次運(yùn)動的速度較快，而第二次是在第一次的精度上放慢速度，捕獲的精度就會更高。

這種方法的工作原理就是運(yùn)用位移傳感器的高靈敏度，在預(yù)設(shè)“零點(diǎn)”處的瞬時觸發(fā)，從而將其作為參考點(diǎn)，然后在軟件編程時當(dāng)作偏移量計(jì)算，采用兩次循環(huán)觸發(fā)的方法，是為了獲取更高的精度。

當(dāng)工作臺向原點(diǎn)（home）開關(guān)方向運(yùn)動時，觸發(fā)傳感器捕獲：

當(dāng)信號產(chǎn)生時，讀取原點(diǎn)信號觸發(fā)時工作臺的實(shí)際位置，并將目標(biāo)位置修改為“原點(diǎn)（home）捕獲位置+偏移量”。

等工作臺停穩(wěn)以后，調(diào)用軟件中的函數(shù)設(shè)置機(jī)械原點(diǎn)。

工作臺繼續(xù)運(yùn)動，尋找Index 信號。當(dāng)Index信號產(chǎn)生時，讀取Index 信號觸發(fā)時工作臺的實(shí)際位置，并將目標(biāo)位置修改為“Index 捕獲位置+偏移量”。

等工作臺停穩(wěn)以后，調(diào)用軟件中的函數(shù)設(shè)置機(jī)械原點(diǎn)。

當(dāng)機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)被確定以后，我們就可以設(shè)置弓箭的坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)相重合，或者存在一定的偏移量a，不過在進(jìn)行軟件編程的時候，需要把常量a給計(jì)算進(jìn)去，設(shè)置成二者之間的偏移量。

假設(shè)工作臺的運(yùn)行速度v=0.05m/s， 傳感器的反應(yīng)時間（傳感器從接到觸發(fā)信號到觸發(fā)的時間）t=0.02ms，那么此間的位移s=vt=0.1×10-5m。即：假設(shè)工作臺的運(yùn)動速度為0.05m/s，選用反應(yīng)時間為0.02ms的傳感器，那么測量的原點(diǎn)精度偏差也就在±1um左右，一般微造型加工的精度要求在±5um之內(nèi)，這種方法測的精度已經(jīng)可以滿足一般微造型加工的精度要求。

4.小結(jié)

通過對工作臺的運(yùn)動速度控制，來觸發(fā)靈敏度很高的位置傳感器，是一種精度較高的確定機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的方法，而機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)一旦被準(zhǔn)確的找到后，那么就可以根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系的位置來設(shè)置使得工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在X軸、Y軸方向與機(jī)床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機(jī)床的主軸端面重合，從而確定工件坐標(biāo)系的各個軸和零點(diǎn)。

這一方法摒棄了傳統(tǒng)方法中需要安裝專用刀桿的繁瑣步驟，而且這一步對專用刀桿還需有吸附磁力表座的要求?，F(xiàn)在只需要在底座上安裝一個市面上較為常用的位移傳感器即可。更主要的是這一方法所確定的坐標(biāo)系原點(diǎn)很準(zhǔn)確，精度可以高達(dá)±5um以內(nèi)，這完全可以滿足工業(yè)上常見的微造型加工的精度要求，而且為大批量的生產(chǎn)減少了成本投入，具有很強(qiáng)的推廣意義。

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