數控機床坐標系比較與應用研究

摘 要：本文介紹了在數控機床使用中的幾種坐標系，對它們的相互關系及建立坐標系方法進行了比較和研究，并結合不同數控系統及生產實際，具體闡述了在加工中建立工件坐標系方法及其注意事項。

關鍵詞：數控機床 坐標系 工件原點 指令

在數控編程時，為了描述機床運動，簡化程序編制的方法及保證記錄數據的互換性，必須正確理解和使用數控機床中坐標系。數控機床坐標系是為了確定工件在機床中位置，機床運動部件的特殊位置（如換刀點、參考點等）以及運動范圍（如行程范圍）等建立的幾何坐標系（如圖1、圖2所示）。目前我國執行的行業數控標準JB/T3051-1999《數控機床-坐標和運動方向的命名》，與國際上標準ISO841等效。標準的坐標系采用右手迪卡爾直角坐標系（如圖3所示）。

要建立合理的編程坐標系，編制出合格數控加工程序并做到最優化，必須正確理解和區別機床坐標系、編程坐標系和加工坐標系的含義及其相互關系。

1．數控機床中三種坐標系及其關系

（1）機床坐標系

數控機床動作是由數控裝置來控制的，為確定數控機床的成形運動和輔助運動，必須先確定機床上運動的位移和運動的方向，這就必須通過坐標系來實現，此坐標系稱為機床坐標系。機床坐標系是機床固有的坐標系，他是數控機床生產廠家在機床經過設計、制造和調整后便唯一確定下來的坐標系，如圖（4）中的“Ｏ1”點所示。

針對于不同類型的數控機床加工中可能是主軸移動或工作臺移動，在機床上我們始終認為刀具運動而工件靜止，這樣編程人員可不考慮機床的實際運動情況，而直接依據零件圖樣編制機床的加工程序。

（2）編程坐標系

編程坐標系是編程人員根據零件圖樣及工藝要求為編制程序需要而建立的坐標系。確定編程坐標系時無需考慮工件毛坯在機床上的實際裝夾位置，見圖（5）中“Ｏ2”點。

（3）加工坐標系

加工坐標系是指以確定的加工原點為基準所建立的坐標系，加工原點是指零件被裝夾好后，相應的編程原點在機床坐標系中的位置，見圖（4）中“Ｏ3”點。

在加工過程中數控機床是按照工件裝夾好后所確定的加工原點位置和程序要求進行加工的，編程人員在編程時，只要根據零件圖樣就可以選定編程原點，建立編程坐標系，計算坐標數值，而不必考慮工件的實際裝夾位置。對于加工人員來說，則應在裝夾工件、調試程序時，將編程原點轉換為加工原點，確定加工原點的位置，在數控系統中給于設定，設定加工坐標系后，便可以確定刀具的起始位置，在加工時工件各尺寸的坐標值都是相對于加工原點而言的，這樣數控機床才能按照準確的加工坐標系所確定的位置開始加工。

2．工件坐標系建立的三個原則

理論上講編程原點選在零件上的任何一點都可以，但實際上為換算尺寸盡可能簡便，減少計算誤差，優化程序，應選擇一個合理的編程原點。通常要注意以下三點：

（1）為減小計算量，工件原點應選在零件圖紙設計基準上，這樣可以用圖紙標注的尺寸直接轉換成程序的坐標值。也可選在對稱中心或角點上，便于計算和編程，如圖（6）和圖（7）。

（2）加工原點應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、定位準確。

（3）能方便地安裝工件，便于測量檢驗工件尺寸。

3．建立工件坐標系的三種方法

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

3.1用G54～G59指令設置工件坐標系

用G54～G59指令設置工件坐標系的方法是將工件定位于機床上后，將工件坐標原點在機床坐標系下的機械坐標值X、Y、Z存儲在工件坐標系存儲地址G54～G59中，然后在程序中調用。

如圖（7）所示將工件坐標原點設在工件上表面的左下角。

(1)對刀測量，用直徑為φ10的標準測量棒、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)計算設定值，根據刀位點位置和刀徑及塞尺厚度得到如下計算值：

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

(3)設定加工坐標系，進入數控機床MDI模式的工件坐標系的設定界面，然后將a= -450mm，b= -240mm，c= -220mm輸入到G54中，加工原點即設定完備。

這種方法的特點是在一個加工程序中根據需要可以建立多個不同的工件坐標（如FANUC系統可建G54～G59共6個）而且關機后工件坐標系G54～G59中設定值永久被保存。

3.2調用刀具長度補償值建立工件坐標系

它是將每把刀具的長度補償值測量出來存儲在刀具幾何補償中。編寫程序時直接調用刀具號及該刀具的補償號，程序運行時即建立該刀具的工件坐標系，（如T0101，前兩位為刀具號，后兩位為刀補號。）本文以FANUC 0i系統數控車床為例介紹刀具幾何補償值設置方法：

（1）在手動方式下開動主軸，手動切削工件端面后將刀具沿X方向退出（Z方向不動）。進入刀具幾何補償界面（如圖8所示）。輸入“Z”和“刀尖距工件原點在Z軸方向距離”(如Z0）后，按“測量”軟鍵，Z方向工件原點的機床坐標值被存儲并自動顯示在界面上。

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

此方法的特點是：建立工件坐標系方法簡單，在數控車床中經常采用；換刀后，因刀具幾何尺寸之間有差異，調用刀具指令后，為了防止刀具產生干涉，須有一段調整距離；用此方法建立工件坐標系，G54～G59中零點偏置值一般須清零，否則會相互影響。

3.3 用G50或G92指令設置工件加工坐標系

（1）用G50指令在數控車床中建立工件坐標系

編程格式：G50X～Z～；式中X、Z的值是起刀點相對于加工原點的位置。

在數控車床編程時，所有X坐標值均使用直徑值。

如圖11的程序段可寫為：G50 X200 Z51；

（1）用G92指令在數控銑床中建立工件坐標系。

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

如圖12的程序段可寫為：G92X20Y10 Z10

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

用G92和G50設定工件加工坐標系是通過定義工件加工零點與程序起刀點的相對位置來確定工件原點在機床坐標系中的位置的，它必須通過程序體現出來，即G50和G92指令是工件坐標系設置指令，也就是將機床坐標系與工件坐標系聯系起來的指令。

用G92和G50設定工件加工坐標系的特點是：

（1）必須在程序開始段中通過相應的編程格式設定G92和G50指令。程序開始遠行前，必須通過手動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現。

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

4．加工坐標系的合理選擇與優化的幾點要求

工件加工坐標系的建立是保證數控零件加工能安全、正確地自動運行的前提。為合理的確定加工坐標系和達到優化程序、滿足產品加工精度的要求，通常要注意以下幾點：

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

（2）工件坐標系的選擇要利于尺寸計算、利于優化程序。對于車削工件，為便于對刀和計算，加工原點通常選在工件端面與回轉中心的交點處（如圖4所示）。對于銑削工件，為便于對刀和計算，加工原點通常選在工件的上表面的角點上，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化程序。

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

5．結語

上述的幾種工件坐標系各有特色，在產品實際加工中應根據圖形的種類、尺寸標注、產品批量的大小、手工或自動編程等情況靈活運用。在正確的理解和掌握的基礎上，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：無錫科技職業學院)

參考文獻：

［1］王志平.數控編程與操作［M］.北京：高等教育出版社， 2003

［2］周 虹.數控加工工藝與編程［M］.北京：人民郵電出版社， 2004

［3］朱岱力.數控加工實訓教程［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006

［4］李善術.數控機床及其應用［M］.北京：機械工業出版社， 2001

作者簡介：何永華（1968-），男，江蘇無錫人，學士學位，工程師、講師，研究方向為數控加工、CAD/CAM技術。