基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的建立

肖源順　羅豐　胡宇澄

摘 要：CNC加工中心通過用戶編寫的NC程序?qū)ぜM(jìn)行加工，NC程序的加工坐標(biāo)需要工件坐標(biāo)系零點(diǎn)來確定。不同數(shù)控系統(tǒng)建立工件坐標(biāo)系零點(diǎn)的方式不同，本文主要介紹西門子840D數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的建立，有助于讀者理解工件坐標(biāo)系定義及編程使用方法。

關(guān)鍵詞：西門子840D 工件坐標(biāo)系 建立

1 引言

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，適合于各種復(fù)雜零部件的制造和加工。數(shù)控機(jī)床的操作簡便、靈活、高效，其中工件坐標(biāo)系的建立是數(shù)控機(jī)床操作的重要環(huán)節(jié)之一，工件坐標(biāo)系是用戶編制加工程序的基礎(chǔ)。本文將重點(diǎn)講解西門子840D數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的建立和工件坐標(biāo)系零點(diǎn)偏移的方法。

2 坐標(biāo)系的基本概念

2.1 機(jī)械參考點(diǎn)

加工中心參考點(diǎn)又名原點(diǎn)或零點(diǎn)，是機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)和電氣原點(diǎn)相重合的點(diǎn)，是原點(diǎn)復(fù)歸后機(jī)械上固定的點(diǎn)。每臺機(jī)床可以有一個參考原點(diǎn)，也可以根據(jù)需要設(shè)置多個參考原點(diǎn)，用于自動刀具交換或自動托盤交換等。參考點(diǎn)作為工件坐標(biāo)系的原始參照系。機(jī)床參考點(diǎn)確定后，各工件坐標(biāo)系隨之建立。所謂機(jī)械原點(diǎn)，是基本機(jī)械坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，機(jī)械零部件一旦裝配完畢，機(jī)械原點(diǎn)隨即確立。所謂電氣原點(diǎn)，是由機(jī)床所使用的檢測反饋元件所發(fā)出的柵點(diǎn)信號或零標(biāo)志信號確立的參考點(diǎn)。為了使電氣原點(diǎn)和機(jī)械原點(diǎn)重合，必須將電氣原點(diǎn)到機(jī)械原點(diǎn)的距離用一個設(shè)置原點(diǎn)偏移量的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這個重合的點(diǎn)就是機(jī)床原點(diǎn)。在加工中心使用過程中，機(jī)床生動或自動回參考點(diǎn)操作是經(jīng)常進(jìn)行的動作。不管機(jī)床檢測反饋元件是配用增量式脈沖編碼器還是絕對式脈沖編碼器，在某些情況下，如進(jìn)行自動刀具交換或自動托盤交換過程中，機(jī)床某一軸或全部軸都要先回參考原點(diǎn)[1]。

2.2 工件坐標(biāo)系

工件坐標(biāo)系是由用戶定義的，在加工過程中用來描述工件位置的坐標(biāo)系。數(shù)控加工中心工件坐標(biāo)系通常由三個軸線組成：X軸、Y軸、Z軸。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)通常被定義為工件的某個特定點(diǎn)，例如工件的中心點(diǎn)或某個固定的參考點(diǎn)。通過確定原點(diǎn)的位置，可以確定工件坐標(biāo)系的位置。工件零點(diǎn)是原始工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，是用戶編寫加工程序坐標(biāo)時用到的坐標(biāo)原點(diǎn)。工件坐標(biāo)系建立通常是參考機(jī)床零點(diǎn)偏置來確定的（圖1）[2]。在數(shù)控加工中心中，工件坐標(biāo)系的確定非常重要，因?yàn)樗苯佑绊懙郊庸こ绦虻木帉懞图庸み^程的準(zhǔn)確性。正確地定義和使用工件坐標(biāo)系可以確保加工過程中的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性，從而獲得高質(zhì)量的結(jié)果結(jié)果。西門子840D數(shù)控系統(tǒng)通過G代碼來描述加工軌跡，G代碼中涉及的坐標(biāo)值均是相對于工件坐標(biāo)系而言的。正確的工件坐標(biāo)系建立顯得尤為重要[3]。

3 西門子840D數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系的建立

3.1 工件坐標(biāo)系建立指令介紹

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)工件坐標(biāo)系建立一般包扣粗偏移和精偏移，粗偏移和精偏移相加成為最后的總偏移。粗偏移一般是機(jī)床機(jī)械零點(diǎn)到工件坐標(biāo)系零點(diǎn)距離，精偏移是補(bǔ)償值。

$P_IFRAME：西門子系統(tǒng)變量的名稱總是以“$”符號開始。$P_IFRAME為當(dāng)前可設(shè)定的框架變量，$P_IFRAME 等于 $P_UIFR[$P_IFRNUM]。

CFINE精偏移：使用指令CFINE（X，..，Y，...），可以編程基準(zhǔn)框架和所有可設(shè)定框架的精偏移。

CTRANS粗偏移：使用CTRANS（...）確定粗偏移。

預(yù)定義可設(shè)定框架$P_UIFR[n]，通過預(yù)定義的框架變量$P_UIFR[n]，可設(shè)定的零點(diǎn)偏移G54到G599由零件程序讀或?qū)憽Ｈ纾?/p>

$P_IFRAME=$P_UIFR[0] 等同于 G500

$P_IFRAME=$P_UIFR[1] 等同于 G54

$P_IFRAME=$P_UIFR[2] 等同于 G55

$P_IFRAME=$P_UIFR[3] 等同于 G56

$P_IFRAME=$P_UIFR[4] 等同于 G57

通過機(jī)床數(shù)據(jù)可以改變框架的個數(shù)。如：

$P_IFRAME=$P_UIFR[5] 等同于 G505

………

$P_IFRAME=$P_UIFR[99] 等同于 G599

如：定義G54 A0的工件坐標(biāo)系可以用程序段：

N100$P_UIFR[1]=CTRANS（X，-151.9+150.089，Y，93，Z，149+37，A，0）：CFINE（X，R320+0.025，Y，R321+0.04，Z，R322+0.5，A，0）；其中R320-R322為機(jī)床補(bǔ)償值。

3.2 工件坐標(biāo)系建立步驟

為建立準(zhǔn)確的工件坐標(biāo)系，需要考慮到機(jī)床和工件的實(shí)際情況，即考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和工件的相對位置。具體來說，需要確定機(jī)床參考點(diǎn)、確定工件參考面、進(jìn)行必要的校正。

機(jī)床參考點(diǎn)是機(jī)床上選取的一點(diǎn)或一面，作為機(jī)器坐標(biāo)系的原點(diǎn)和參照基準(zhǔn)。機(jī)床參考點(diǎn)應(yīng)該選取在機(jī)臺上穩(wěn)固的、易于測量的位置，常見的有機(jī)床工作臺面、機(jī)床主軸中心、機(jī)床中心等（如圖2中的A點(diǎn)位置）。一旦確定了機(jī)床參考點(diǎn)，就可以通過相關(guān)測量來確定工件在機(jī)床上的位置[2]。

工件參考點(diǎn)是指工件上選取的一點(diǎn)或一面，用來確定工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)和參照基準(zhǔn)（如圖2中的C點(diǎn)位置）。確定工件參考點(diǎn)需要考慮到工件的實(shí)際形狀、加工要求和固定方式等因素，選擇合適的參考面對加工過程非常重要。

在實(shí)際加工中，由于各種因素可能會導(dǎo)致工件坐標(biāo)系偏移或失準(zhǔn)，因此需要進(jìn)行必要的校正。具體來說，主要包括數(shù)控機(jī)床自動校正和手動校正兩個方面。數(shù)控機(jī)床自動校正可通過相關(guān)程序來實(shí)現(xiàn)，而手動校正則需要人工干預(yù)，通過精確的測量和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

3.3 工件坐標(biāo)系建立

下面通過詳細(xì)介紹一種單主軸，夾具為A軸的加工中心來說明工件坐標(biāo)系建立。某動力總成工廠加工線使用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)加工中心加工變速箱殼體。變速箱殼體形狀復(fù)雜，加工工藝精度要求高，不同加工特征尺寸不是相對應(yīng)唯一一個工件零點(diǎn)。該加工中心將機(jī)床機(jī)械零點(diǎn)設(shè)定在機(jī)床中心位置（如圖2中的A點(diǎn)位置）。工件定位圓銷位置在圖2中的B點(diǎn)位置。工件零點(diǎn)在圖2中的C點(diǎn)位置。夾具A軸在0°的時候（如圖2），建立工件坐標(biāo)系G54。需要在工件坐標(biāo)系偏置程序（如OP40_ZOS）里面執(zhí)行程序：

N100$P_UIFR[1]=CTRANS（X，-151.9+150.089，Y，93，Z，149+37，A，0）：CFINE（X，R320+0.025，Y，R321+0.04，Z，R322+0.5，A，0）；

其中CTRANS確定粗偏移，CFINE確定加工補(bǔ)償調(diào)整量。G54 X軸：其中-151.9為X軸機(jī)械零點(diǎn)到圓形銷中心距離；150.089為圓形銷中心到C基準(zhǔn)距離（如圖2）。G54 Y軸：其中93為Y軸機(jī)械零點(diǎn)到定位面距離（如圖3）。G54 Z軸：其中149為Z軸機(jī)械零點(diǎn)到圓形銷中心距離；37為圓形銷中心到C基準(zhǔn)距離（如圖2）。G54 A軸：0度。

當(dāng)夾具A軸旋轉(zhuǎn)到270度，需建立工件坐標(biāo)系G57時。則要在工件坐標(biāo)系偏置程序（如OP40_ZOS）里面執(zhí)行程序：N105$P_UIFR[4]=CTRANS （X，-151.9+150.089，Y，-149-37，Z，93，A，0）：CFINE（X，R320+0.025-0.02-0.03，Y，R321+0.01-0.09-0.2+0.4，Z，R322+0.10，A，0）；

其中CTRANS確定粗偏移，CFINE確定加工補(bǔ)償調(diào)整量。G57 X軸：其中-151.9為X軸機(jī)械零點(diǎn)到圓形銷中心距離；150.089為圓形銷中心到C基準(zhǔn)距離（如圖2）。G57 Y軸：其中-149為Y軸機(jī)械零點(diǎn)到圓形銷中心距離；-37為圓形銷中心到C基準(zhǔn)距離（如圖4）。G57 Z軸：其中93為Z軸機(jī)械零點(diǎn)到定位面距離（如圖5）。G57 A軸：270度。

其它G55，G56等工件坐標(biāo)系定義與上述定義一致。需要注意的是不同工件坐標(biāo)系是相對應(yīng)的A軸角度的時候，機(jī)械坐標(biāo)系零點(diǎn)相對于工件坐標(biāo)系零點(diǎn)的距離。對于A軸設(shè)備，X軸的機(jī)械坐標(biāo)零點(diǎn)和工件坐標(biāo)系零點(diǎn)相對位置是不變的。

4 工件坐標(biāo)系偏移

在實(shí)際零件加工中，可能會出現(xiàn)零件某一加工特征加工尺寸基準(zhǔn)與設(shè)定的工件坐標(biāo)系零點(diǎn)不同的情況。這時需要使用可編程的零點(diǎn)偏移指令TRANS，ATRANS，ROT，AROT等來實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前一工件坐標(biāo)系出發(fā)，通過坐標(biāo)或者角度的說明，描述一個目標(biāo)坐標(biāo)系的位置。如：TRANS（X，10） 表明：X軸可編程的零點(diǎn)偏移為10毫米。取消編程偏移直接用：TRANS。

通過實(shí)例說明TRANS可編程偏移指令的用法。如程序段：

N640 TRANS Z=-8；

N650 X-84 Y12；

N660 G60 Z=122.88；

N670 G1 G64 X0；

N680 G2 X0 Y-12 CR=12；

N690 G0 Z=R10；

N700 TRANS；

原工件坐標(biāo)系Z向零點(diǎn)在圖6中Z點(diǎn)位置。執(zhí)行完TRANS Z=-8后，將Z向編程零點(diǎn)偏移到了“S”面，后面加工F面時編程Z向加工坐標(biāo)122.88是相對“S”面的距離了。使用完編程偏轉(zhuǎn)之后使用TRANS取消偏移。其它可編程的零點(diǎn)偏移指令與之類似。

5 結(jié)束語

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)之一，其工件坐標(biāo)系的建立非常重要。通過本文的介紹，我們可以更好地理解工件坐標(biāo)系的相關(guān)概念和技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的數(shù)控加工提供支持。

參考文獻(xiàn)：

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