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1.2.1 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系

1．標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的確定

在數(shù)控編程時，為了描述機(jī)床的運(yùn)動，簡化程序編制的方法及保證記錄數(shù)據(jù)的互換性，數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系和運(yùn)動方向均已標(biāo)準(zhǔn)化，目前國際上數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸和運(yùn)動方向均已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。掌握機(jī)床坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系、加工坐標(biāo)系等概念，是具備人工設(shè)置機(jī)床加工坐標(biāo)系的基礎(chǔ)。

（1）機(jī)床相對運(yùn)動的規(guī)定。無論機(jī)床在實際加工中是工件運(yùn)動還是刀具運(yùn)動，在確定編程坐標(biāo)時，一般看作是工件相對靜止，而刀具運(yùn)動這一原則可以保證編程人員在不確定機(jī)床加工零件時是刀具移向工件，還是工件移向刀具的情況下，都可以根據(jù)圖紙或數(shù)模進(jìn)行手工或自動數(shù)控編程。

為了確定機(jī)床的運(yùn)動方向和移動距離，需要在機(jī)床上建立一個坐標(biāo)系，這個坐標(biāo)系就是機(jī)床坐標(biāo)系。數(shù)控機(jī)床上的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用右手直角笛卡兒坐標(biāo)系，如圖1.9所示。

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圖1.9 機(jī)床坐標(biāo)系

（2）機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定。在確定機(jī)床坐標(biāo)軸時，一般先確定Z軸，然后確定X軸和Y軸，最后確定其他軸。機(jī)床某一零件運(yùn)動的正方向，是指增大工件和刀具之間距離的方向。

① Z軸：Z軸的方向是由傳遞切削力的主軸確定的，與主軸軸線平行的坐標(biāo)軸即是Z軸，Z坐標(biāo)的正向為刀具離開工件的方向。如果機(jī)床上有幾個主軸，則選一個垂直于工件裝夾平面的主軸方向為Z坐標(biāo)方向；如果主軸能夠擺動，則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標(biāo)方向；如果機(jī)床無主軸，則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標(biāo)方向。

② X軸：X軸是水平軸，平行于工件的裝夾面，且垂直于Z軸。這是在刀具或工件定位平面內(nèi)運(yùn)動的主要坐標(biāo)。對于工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床（如車床、磨床等），X坐標(biāo)的方向是在工件的徑向上，且平行于橫滑座。刀具離開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向為X軸正方向。

③ Y軸：Y坐標(biāo)軸垂直于X、Z坐標(biāo)軸。Y運(yùn)動的正方向根據(jù)X和Z坐標(biāo)的正方向，按照右手直角笛卡兒坐標(biāo)系來判斷。

④ 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸：圍繞坐標(biāo)軸X、Y、Z旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動，分別用A、B、C表示。它們的正方向用右手螺旋法則判定，如圖1.9所示。

⑤ 附加軸：如果在X、Y、Z主要坐標(biāo)以外，還有平行于它們的坐標(biāo)，可分別指定第2組U、V、W坐標(biāo)，第3組P、Q、R坐標(biāo)。

常見類型數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系如圖1.10～圖1.16所示。

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圖1.10 二軸數(shù)控車床的坐標(biāo)系圖1.11 三軸數(shù)控銑床的坐標(biāo)系

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圖1.12 帶旋轉(zhuǎn)頭的四軸銑床的坐標(biāo)系圖1.13 帶旋轉(zhuǎn)工作臺頭的四軸銑床的坐標(biāo)系

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圖1.14 帶旋轉(zhuǎn)頭和工作臺的五軸銑床的坐標(biāo)系圖1.15 帶雙旋轉(zhuǎn)工作臺的五軸銑床的坐標(biāo)系

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圖1.16 帶雙旋轉(zhuǎn)頭的五軸銑床的坐標(biāo)系

2．工件坐標(biāo)系

工件坐標(biāo)系是用于確定工件幾何圖形上各幾何要素（點(diǎn)、直線和圓弧）的位置而建立的坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)即是工件零點(diǎn)。選擇工件零點(diǎn)時，最好把工件零點(diǎn)放在工件圖的尺寸能夠方便地轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)值的地方。車床工件零點(diǎn)一般設(shè)在主軸中心線上，工件的右端面或左端面。銑床工件零點(diǎn)，一般設(shè)在工件外輪廓的某個角上，進(jìn)刀深度方向的零點(diǎn)，大多取在工件表面。工件零點(diǎn)的一般選用原則如下：

3 工件零點(diǎn)選在工件圖樣的尺寸基準(zhǔn)上，這樣可以直接用圖紙標(biāo)注的尺寸，作為編程點(diǎn)的坐標(biāo)值，減少計算工作量。

3 能使工件方便地裝夾、測量和檢驗。

3 工件零點(diǎn)盡量選在尺寸精度較高的工件表面上。這樣可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

3 對于有對稱形狀的幾何零件，工件零點(diǎn)最好選在對稱中心上。

1.2.2 數(shù)控編程的特征點(diǎn)

1．機(jī)床原點(diǎn)與參考點(diǎn)

機(jī)床原點(diǎn)是指機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即X=0，Y=0，Z=0。機(jī)床原點(diǎn)是機(jī)床的基本點(diǎn)，它是其他所有坐標(biāo)，如工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系，以及機(jī)床參考點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)。從機(jī)床設(shè)計的角度看，該點(diǎn)位置可以是任意點(diǎn)，但對某一具體機(jī)床來說，機(jī)床原點(diǎn)是固定的。數(shù)控車床的原點(diǎn)一般設(shè)在主軸前端的中心（如圖1.17所示）。數(shù)控銑床的原點(diǎn)位置各生產(chǎn)廠家不一致，有的設(shè)在機(jī)床工作臺中心，有的設(shè)在進(jìn)給行程范圍的終點(diǎn)（如圖1.18所示）。

機(jī)床參考點(diǎn)是用于對機(jī)床工作臺、滑板以及刀具相對運(yùn)動的測量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)和控制的點(diǎn)，有時也稱機(jī)床零點(diǎn)。它是在加工之前和加工之后，用控制面板上的回零按鈕使移動部件退回到機(jī)床坐標(biāo)系中的一個固定不變的極限點(diǎn)。機(jī)床參考點(diǎn)的位置是由機(jī)床制造廠家在每個進(jìn)給軸上用限位開關(guān)精確調(diào)整好的，坐標(biāo)值已輸入數(shù)控系統(tǒng)中，因此參考點(diǎn)對機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)是一個已知數(shù)。數(shù)控機(jī)床在工作時，移動部件必須首先返回參考點(diǎn)，測量系統(tǒng)置零之后即可以參考點(diǎn)作為基準(zhǔn)，隨時測量運(yùn)動部件的位置，刀具（或工作臺）移動才有基準(zhǔn)。

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圖1.17 車床的機(jī)床原點(diǎn) 圖1.18 銑床的機(jī)床原點(diǎn)

通常在數(shù)控銑床上機(jī)床原點(diǎn)和機(jī)床參考點(diǎn)是重合的；而在數(shù)控車床上機(jī)床參考點(diǎn)是離機(jī)床原點(diǎn)最遠(yuǎn)的極限點(diǎn)。數(shù)控車床的參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)如圖1.19所示。

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圖1.19 數(shù)控車床的參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)

2．編程原點(diǎn)

編程坐標(biāo)系是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標(biāo)系。編程坐標(biāo)系一般供編程使用，確定編程坐標(biāo)系時，不必考慮工件毛坯在機(jī)床上的實際裝夾位置，如圖1.20所示，其中O₂即為編程坐標(biāo)系原點(diǎn)。

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圖1.20 編程坐標(biāo)系和編程原點(diǎn)

為了編程方便，需要在圖紙上選擇一個適當(dāng)?shù)奈恢米鳛榫幊淘c(diǎn)，即程序原點(diǎn)或程序零點(diǎn)。對于簡單零件，工件零點(diǎn)一般就是編程原點(diǎn)，這時的編程坐標(biāo)系就是工件坐標(biāo)系。而對于形狀復(fù)雜的零件，需要編制幾個程序或子程序。為了編程方便和減少坐標(biāo)值的計算，編程原點(diǎn)就不一定設(shè)在工件零點(diǎn)上，而設(shè)在便于程序編制的位置。

3．對刀點(diǎn)

對刀點(diǎn)就是在數(shù)控加工時，刀具相對于工件運(yùn)動的起點(diǎn)（編制程序時，不論實際是刀具相對于工件運(yùn)動，或是工件相對于刀具運(yùn)動，都看作工件是相對靜止的，而刀具在運(yùn)動），程序就是從這一點(diǎn)開始的。對刀點(diǎn)也可以稱為“程序起點(diǎn)”或“起刀點(diǎn)”。編制程序時應(yīng)首先考慮對刀點(diǎn)的位置選擇。選定的原則如下：① 選定的對刀點(diǎn)位置應(yīng)使程序編制簡單。② 對刀點(diǎn)在機(jī)床上找正容易。③ 加工過程中檢查方便。④ 引起的加工誤差小。

對刀點(diǎn)可以設(shè)在被加工零件上，也可以設(shè)在夾具上，但是必須與零件的定位基準(zhǔn)有一定的坐標(biāo)尺寸聯(lián)系，這樣才能確定機(jī)床坐標(biāo)系與零件坐標(biāo)系的相互關(guān)系。對刀點(diǎn)不僅是程序的起點(diǎn)而且往往又是程序的終點(diǎn)。因此在批量生產(chǎn)中就要考慮對刀的重復(fù)精度，通常，對刀的重復(fù)精度在絕對坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上可由對刀點(diǎn)距機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值來校核，在相對坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上，則經(jīng)常要人工檢查對刀精度。

4．原點(diǎn)偏置

當(dāng)工件在機(jī)床上固定以后，程序原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏置量必須通過測量來確定。現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都配有工件測量頭，在手動操作下能準(zhǔn)確地測量該偏移量，存入G54到G59原點(diǎn)偏置寄存器中，供CNC系統(tǒng)原點(diǎn)移置計算用。在沒有工件測量頭的情況下，程序原點(diǎn)位置的測量要靠對刀的方式進(jìn)行。

圖1.21描述了一次裝夾加工兩個相同零件的多程序原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)之間的關(guān)系及偏移計算方法。采用G54到G59實現(xiàn)原點(diǎn)偏移的有關(guān)指令為：

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圖1.21 原點(diǎn)偏置

N01 G90 G54

…… /*加工第一個零件

N02 G55

…… /*加工第二個零件

當(dāng)然首先要設(shè)置G54到G56原點(diǎn)偏置寄存器：

零件1：G54 X10.0Y15.0Z0.0

零件2：G55 X55.0Y40.0Z0.0

顯然，對于多程序原點(diǎn)偏移，采用G54到G59原點(diǎn)偏置寄存器存儲所在程序原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量，然后在程序中直接調(diào)用G54到G59進(jìn)行原點(diǎn)偏移，無疑給編制復(fù)雜零件的加工程序帶來很大方便。

實現(xiàn)原點(diǎn)偏置的另一種方法是采用G92。在使用絕對坐標(biāo)指令編程時，需要建立工件坐標(biāo)系，以確定絕對坐標(biāo)的原點(diǎn)（即程序原點(diǎn)）。建立工件坐標(biāo)系后，就可以確定刀具當(dāng)前點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。G92可以實現(xiàn)工件坐標(biāo)系的設(shè)定，其格式為：G92 X_Y_Z_，X_Y_Z_為刀具在工件坐標(biāo)系中的當(dāng)前位置，如圖1.22所示的指令為G92X50.0Y80.0Z80.0。因此G92指令是通過設(shè)定刀具起點(diǎn)相對于工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的相對位置建立工件坐標(biāo)系，G92指令將該坐標(biāo)值寄存在數(shù)控系統(tǒng)的存儲器內(nèi)，執(zhí)行G92指令只是建立在工件坐標(biāo)系中刀具起點(diǎn)相對于程序原點(diǎn)的位置，刀具并不產(chǎn)生運(yùn)動，即X、Y、Z軸均不運(yùn)動，但機(jī)床顯示器上的坐標(biāo)值發(fā)生變化，該坐標(biāo)系在機(jī)床重開機(jī)時消失。例如在圖1.21中通過調(diào)零，使機(jī)床回到機(jī)床參考點(diǎn)，刀具中心對準(zhǔn)機(jī)床零點(diǎn)，顯示器中顯示的各軸坐標(biāo)值均為零，執(zhí)行G92X-10.0Y-15.0Z0.0后，建立了工件1的工件坐標(biāo)系，刀具中心（機(jī)床參考點(diǎn)）位于工件坐標(biāo)系的X=-10.0，Y=-15.0，Z=0.0處，刀具相對于機(jī)床的位置沒有改變，但顯示器中的坐標(biāo)值為X=-10.0，Y=-15.0，Z=0.0，在該指令以后的程序中，凡是絕對尺寸指令中的坐標(biāo)值均為點(diǎn)在工件1的工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)。在圖1.21中，采用G92實現(xiàn)原點(diǎn)偏置的指令為：

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圖1.22 采用G92實現(xiàn)原點(diǎn)偏置

N0l G90 /*絕對坐標(biāo)編程，刀具位于機(jī)床參考點(diǎn)

N02 G92X-10.0Y-15.0Z0.0 /*將程序原點(diǎn)定義在第一個零件上的工件原點(diǎn)

…… /*加工第一個零件

N08 G00X0Y0 /*快速回程序原點(diǎn)

N09 G92X-45.0Y-25.0Z0.0 /*將程序原點(diǎn)定義在第二個零件上的工件原點(diǎn)

…… /*加工第二個零件

N12 G00X0Y0 /*快速回程序原點(diǎn)

這里應(yīng)注意比較G92與G54到G59指令之間的差別和不同的使用方法。G92指令須后續(xù)坐標(biāo)值指定當(dāng)前工件坐標(biāo)值，因此須單獨(dú)一個程序段指定，盡管該程序段中有位置指令值，但并不產(chǎn)生運(yùn)動。另外，在使用G92指令前，必須保證機(jī)床處于加工起始點(diǎn)，該點(diǎn)稱為對刀點(diǎn)。

對于編程員而言，一般只要知道工件上的程序原點(diǎn)即可，與機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)及裝夾原點(diǎn)無關(guān)。但對于機(jī)床操作者來說，必須分清楚所選用的數(shù)控機(jī)床上述各原點(diǎn)及其之間的偏移關(guān)系。數(shù)控機(jī)床的原點(diǎn)偏移，實質(zhì)上是機(jī)床參考點(diǎn)向編程員定義在工件上的程序原點(diǎn)的偏移。

5．機(jī)床加工坐標(biāo)系設(shè)定的實例

下面以數(shù)控銑床（控制系統(tǒng)為FANUC 0M）加工坐標(biāo)系的設(shè)定為例，說明工作步驟，使讀者對數(shù)控加工中的坐標(biāo)系以及上述提到的基本概念有一個綜合性的理解。

如圖1.23所示是被加工零件圖樣，在確定了編程原點(diǎn)位置后，可按以下方法進(jìn)行加工坐標(biāo)系設(shè)定。

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圖1.23 機(jī)床加工坐標(biāo)系設(shè)定零件圖樣

（1）準(zhǔn)備工作。機(jī)床返回參考點(diǎn)，確認(rèn)機(jī)床坐標(biāo)系。

（2）裝夾工件毛坯。通過夾具使零件定位，并使工件定位基準(zhǔn)面與機(jī)床運(yùn)動方向一致。

（3）對刀測量。用簡易對刀法測量，方法如下：

用直徑為的標(biāo)準(zhǔn)測量棒、塞尺對刀，得到測量值為X=-437.726，Y=-298.160，如圖1.24所示。Z=-31.833，如圖1.25所示。

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圖1.24 X、Y向的對刀圖1.25 Z向的對刀

（4）計算設(shè)定值。按圖1.24所示，將前面已測得的各項數(shù)據(jù)，按設(shè)定要求運(yùn)算。

X坐標(biāo)設(shè)定值：X=-437.726+5+0.1+40=-392.626mm

其中：-437.726mm為X坐標(biāo)顯示值，+5mm為測量棒半徑值，+0.1mm為塞尺厚度，+40.0為編程原點(diǎn)到工件定位基準(zhǔn)面在X坐標(biāo)方向的距離。

Y坐標(biāo)設(shè)定值：Y=-298.160+5+0.1+46.5=-246.46mm

其中：按照圖1.24所示，-298.160mm為Y坐標(biāo)顯示值；+5mm為測量棒半徑值；+0.1mm為塞尺厚度；+46.5為編程原點(diǎn)到工件定位基準(zhǔn)面在Y坐標(biāo)方向的距離。

Z坐標(biāo)設(shè)定值：Z=-31.833-0.2=-32.033mm

其中：-31.833為坐標(biāo)顯示值；-0.2為塞尺厚度，如圖1.25所示。

通過計算，結(jié)果為：X=-392.626，Y=-246.460，Z=-32.033。

（5）設(shè)定加工坐標(biāo)系。將開關(guān)放在MDI方式下，進(jìn)入加工坐標(biāo)系設(shè)定頁面。輸入數(shù)據(jù)為：X=-392.626，Y=-246.460，Z=-32.033。

這表示加工原點(diǎn)設(shè)置在機(jī)床坐標(biāo)系的X=-392.626，Y=-246.460，Z=-32.033的位置上。

（6）校對設(shè)定值。在進(jìn)行了加工原點(diǎn)的設(shè)定后，為防止出錯應(yīng)進(jìn)一步校對設(shè)定值，以保證參數(shù)的正確性。校對工作的具體過程如下：在設(shè)定了G54加工坐標(biāo)系后，再進(jìn)行回機(jī)床參考點(diǎn)操作，其顯示值為：X=+392.626，Y=+246.460，Z=+32.033。

這說明在設(shè)定了G54加工坐標(biāo)系后，機(jī)床原點(diǎn)在加工坐標(biāo)系中的位置為：X=+392.626，Y=+246.460，Z=+32.033。這反過來也說明G54的設(shè)定值是正確的。

有關(guān)數(shù)控機(jī)床的調(diào)整可參閱1.4節(jié)。

數(shù)控編程的基本概念

1.2.1 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系

1．標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的確定

2．工件坐標(biāo)系

1.2.2 數(shù)控編程的特征點(diǎn)

1．機(jī)床原點(diǎn)與參考點(diǎn)

2．編程原點(diǎn)

3．對刀點(diǎn)

4．原點(diǎn)偏置

5．機(jī)床加工坐標(biāo)系設(shè)定的實例

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