數(shù)控機(jī)床各級坐標(biāo)系的設(shè)定原理及相互關(guān)系分析

汪全友

南京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代裝備制造大學(xué)生工程訓(xùn)練中心 江蘇南京 211816

坐標(biāo)是數(shù)控機(jī)床操作和編程時用來表達(dá)空間位置的基本對象。如何建立和設(shè)定坐標(biāo)系是學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床操作的基礎(chǔ)性入門知識，也是初學(xué)者難以理解和掌握的內(nèi)容。隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的編程和操作會顯得愈加輕松和高效。科學(xué)合理地設(shè)定坐標(biāo)系，深刻理解各坐標(biāo)系的設(shè)定原理，靈活地運(yùn)用各種方法建立坐標(biāo)系就成為了數(shù)控機(jī)床操作的重要內(nèi)容。因此，正確地理解各個坐標(biāo)系的概念及它們之間的關(guān)系，是熟練操作數(shù)控機(jī)床的前提和基礎(chǔ)。

1 操作中的錯誤現(xiàn)象

初學(xué)者學(xué)習(xí)機(jī)床編程和操作時，各種錯誤現(xiàn)象出現(xiàn)較多，具體如下：(1)采用試切法對刀后，未將參數(shù)記錄于Offset零偏數(shù)據(jù)區(qū)便移開刀具，工件實(shí)際零點(diǎn)高于設(shè)定位置，導(dǎo)致實(shí)際加工時深度達(dá)不到程序要求，或刀具根本不能觸及工件。(2)在Offset零偏狀態(tài)下，坐標(biāo)值位置記錄錯誤，導(dǎo)致零偏指令使用前后不一致。(3)程序開頭未使用G54(～G59)指令激活工件坐標(biāo)系，導(dǎo)致刀具不能觸及工件或發(fā)生安全事故。(4)機(jī)械式記憶操作，在【測量工件】操作方式下，未將刀補(bǔ)數(shù)據(jù)清零而使用自動計算，導(dǎo)致工件零點(diǎn)發(fā)生偏移。(5)借助尋邊器和Z軸設(shè)定器等儀器進(jìn)行間接對刀方式操作，在【測量工件】方式下，不能正確設(shè)定偏移方向和偏移距離。(6)利用CAD/CAM軟件編程時，忽略圖形在坐標(biāo)系中的定位，導(dǎo)致程序無效。種種錯誤表明機(jī)床的操作者只是機(jī)械地模仿和記憶各種操作，不能正確理解坐標(biāo)系的概念及相互間的關(guān)系，導(dǎo)致各種錯誤出現(xiàn)，嚴(yán)重時還會發(fā)生各類操作事故。這就需要我們教學(xué)指導(dǎo)人員積極探索教學(xué)方法，科學(xué)安排教學(xué)內(nèi)容，靈活運(yùn)用各種教學(xué)手段，增強(qiáng)初學(xué)者對坐標(biāo)系的理解。

2 機(jī)床坐標(biāo)系

機(jī)床坐標(biāo)系是由機(jī)床制造廠家在生產(chǎn)制造機(jī)床時設(shè)定的一個機(jī)械坐標(biāo)系，分別在數(shù)控銑床的每個進(jìn)給運(yùn)動方向安裝一個機(jī)械擋塊來設(shè)定機(jī)床零點(diǎn)位置[1]。機(jī)床坐標(biāo)系的三根坐標(biāo)軸：X，Y，Z，各軸位置符合右手笛卡兒坐標(biāo)系的位置關(guān)系。軸的正負(fù)方向為刀具相對工件的運(yùn)動方向(刀具不一定做絕對運(yùn)動)，坐標(biāo)系的原點(diǎn)定在機(jī)床零點(diǎn)，是所有坐標(biāo)軸的零點(diǎn)位置。

圖1 坐標(biāo)位置界面

工件若已固定安裝到工作臺上，其上任何一點(diǎn)的坐標(biāo)也就同步確定。此時移動工作臺，工件同步移動，但工件任何一點(diǎn)的坐標(biāo)不再改變，改變的只是刀具的空間位置和坐標(biāo)。

進(jìn)行零件的批量生產(chǎn)時，需安裝支撐墊鐵和定位塊，保證每個工件都是安裝在工作臺的相同位置，從而保證每個工件安裝后都處在機(jī)床坐標(biāo)系內(nèi)的相同坐標(biāo)處。

SIEMENS系統(tǒng)每次開機(jī)，在坐標(biāo)位置顯示狀態(tài)下顯示的刀具當(dāng)前坐標(biāo)值為(0，0，0)，很顯然這是不正確的，因為關(guān)機(jī)前刀具所處位置未必都是處在機(jī)床坐標(biāo)系的零點(diǎn)，雖然在此狀態(tài)下移動刀具，系統(tǒng)也會跟蹤并顯示刀具的當(dāng)前坐標(biāo)，但此時屏幕的坐標(biāo)值和刀具所處空間位置的坐標(biāo)值不統(tǒng)一，若在此狀態(tài)啟動先前的零件程序進(jìn)行批量生產(chǎn)，必然發(fā)生刀具不能觸及工件或發(fā)生重大安全事故。因此，務(wù)必進(jìn)行回原點(diǎn)(回參考點(diǎn))操作，使機(jī)床的每個坐標(biāo)軸自動回到零點(diǎn)位置，并將系統(tǒng)坐標(biāo)自動清零，從而修復(fù)機(jī)床坐標(biāo)系的開機(jī)錯誤。 具體操作如下：

要求：各軸回參考點(diǎn)之前應(yīng)處于零點(diǎn)以內(nèi)。當(dāng)選擇另一種運(yùn)行方式(MDA，AUTO，JOG)結(jié)束該功能。

3 工件坐標(biāo)系

編寫零件的加工程序時，可能工件尚未裝夾，工件處在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)便未確定，因此無法使用機(jī)床坐標(biāo)系來表達(dá)工件的各點(diǎn)坐標(biāo)，須在工件上尋找一個參考點(diǎn)作為編程基準(zhǔn)，這就必須建立另一個坐標(biāo)系——工件坐標(biāo)系(或稱編程坐標(biāo)系)，工件坐標(biāo)系就是由編程人員根據(jù)編程需要而設(shè)定的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)可在編程圖紙(或工件)上自由設(shè)定，而坐標(biāo)軸必須與機(jī)床坐標(biāo)系一致。原點(diǎn)位置的設(shè)定原則需滿足以下條件：(1)方便計算和表達(dá)各編程坐標(biāo)；(2)方便對刀操作。

由于工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)是編程時人為設(shè)定點(diǎn)，在裝夾好工件后，機(jī)床自身是不能識別該點(diǎn)的，必須在系統(tǒng)執(zhí)行程序前將該位置告知機(jī)床，這一過程就是通過對刀操作來實(shí)現(xiàn)的。因為數(shù)控系統(tǒng)能反饋刀具在坐標(biāo)系內(nèi)的實(shí)時坐標(biāo)，對刀就是將刀具與工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置重合(也可使用間接對刀計算出該點(diǎn)坐標(biāo))，獲取工件裝夾后該點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值，然后將該坐標(biāo)值保存下來。

操作時，將刀具停留在該點(diǎn)，記錄保存該位置坐標(biāo)值的操作方法有如下兩種，分別建立不同級別的工件坐標(biāo)系：

3.1 第一級工件坐標(biāo)系

操作方法如下：

(2)按【X=0】【Y=0】【Z=0】，直接將該點(diǎn)設(shè)成工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，也可采用間接對刀，計算出工件原點(diǎn)的坐標(biāo)值后，通過數(shù)據(jù)輸入的方式寫入X，Y，Z 對應(yīng)參數(shù)區(qū)。

一級工件坐標(biāo)系也稱基礎(chǔ)坐標(biāo)系，是位于底層的工件坐標(biāo)系。該坐標(biāo)一旦建立，便處于激活狀態(tài)，在AUTO自動運(yùn)行狀態(tài)下執(zhí)行的程序或在MDI狀態(tài)下運(yùn)行的程序，將以該點(diǎn)作為工件原點(diǎn)執(zhí)行。

用【基本設(shè)定】建立的一級工件坐標(biāo)系只能記錄一個空間位置，并始終以該位置作為當(dāng)前坐標(biāo)系工作，操作者若想設(shè)定另一個位置作為工件坐標(biāo)系，只能將其覆蓋，因此以該方式建立的工件坐標(biāo)系只能作為單件生產(chǎn)，批量生產(chǎn)方式就顯得很不方便。

3.2 第二級工件坐標(biāo)系

該坐標(biāo)系是操作者最常用也是生產(chǎn)中最方便使用的坐標(biāo)系，在SIEMENS 802D操作系統(tǒng)中有6個指令可供操作者使用(G54～G59)，可以分別記錄6個空間位置作為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，也就表明可以同時建立6個工件坐標(biāo)系，有的操作系統(tǒng)(如FANUC OI MC)可同時存儲100多個位置。具體操作時，可使用以下兩種方法：

3.2.1 自動計算零點(diǎn)偏置值

圖2 自動計算零偏狀態(tài)

操作步驟：

(1)將刀具移動至相對工件的所需位置(相對工件坐標(biāo)系的已知位置)；

(3)分別選定要計算的坐標(biāo)軸，在偏置項輸入偏置尺寸；

選擇【計算】，系統(tǒng)自動計算出零點(diǎn)位置，并實(shí)現(xiàn)同步保存。

3.2.2 手動輸入零點(diǎn)偏置值

圖3 手動設(shè)定零偏狀態(tài)

操作步驟：

(1)將光標(biāo)移到適當(dāng)位置(如G54)。

(2)通過編輯面板的數(shù)字鍵將當(dāng)前位置的WCS坐標(biāo)值 (前一組坐標(biāo)值) 記錄到對應(yīng)指令的單元格內(nèi)。

(3)選擇【改變有效】，保存該數(shù)據(jù)。

SIEMENS系統(tǒng)操作時應(yīng)特別注意，用G54(～G59)建立的二級工件坐標(biāo)系是臨時有效坐標(biāo)系，具體使用規(guī)則是：當(dāng)程序執(zhí)行到G54指令時，該坐標(biāo)系激活成為當(dāng)前坐標(biāo)系，若程序執(zhí)行另一個零點(diǎn)偏移指令(如G58)，則關(guān)閉當(dāng)前的G54坐標(biāo)系，新坐標(biāo)系生效。當(dāng)程序執(zhí)行完畢(執(zhí)行到M02)或按RESET復(fù)位鍵，該坐標(biāo)系關(guān)閉，系統(tǒng)自動恢復(fù)一級工件坐標(biāo)系為當(dāng)前坐標(biāo)系。

3.3 第三級工件坐標(biāo)系

第三級工件坐標(biāo)系是由TRANS(或ATRANS)指令建立的工件坐標(biāo)系，編程人員可在原某級坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，再次偏移工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，滿足下一步的編程需要。

指令使用格式為：TRANS/ATRANS X…Y…Z…其中，X，Y，Z分別表示新工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在原工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。當(dāng)程序再次執(zhí)行到單獨(dú)的TRANS(或ROT/SCALE/ MIRROR)指令時，關(guān)閉此級坐標(biāo)系，系統(tǒng)自動回復(fù)到上級工件坐標(biāo)系中工作。

4 結(jié)束語

機(jī)床坐標(biāo)系及三級工件坐標(biāo)系構(gòu)成了數(shù)控機(jī)床編程和操作時的復(fù)雜坐標(biāo)系系統(tǒng)，機(jī)床坐標(biāo)是位于最底層的坐標(biāo)系，然后是第一、第二或第三級坐標(biāo)系，當(dāng)?shù)讓拥淖鴺?biāo)系發(fā)生變化時，上層坐標(biāo)系也必然相應(yīng)發(fā)生變化。

不同的操作者對于各級坐標(biāo)系有著不同的操作習(xí)慣和使用方法，甚至有些操作人員在未建立任何一級的工件坐標(biāo)系時，直接使用刀具補(bǔ)償在機(jī)床坐標(biāo)系中就可實(shí)現(xiàn)對工件的加工。當(dāng)然工件坐標(biāo)系建立的層次越多，意味著加工期間各級坐標(biāo)系間變換也就越靈活。深刻理解各級坐標(biāo)系的工作特點(diǎn)和建立方法，才能使手工編程工作變得得心應(yīng)手。

[1]劉亞文.機(jī)械制造實(shí)習(xí)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2008.

[2]SIEMENS SINUMERIK 操作編程—銑床.