基于西門子840D數控系統工件坐標系的建立

肖源順　羅豐　胡宇澄

摘 要：CNC加工中心通過用戶編寫的NC程序對工件進行加工，NC程序的加工坐標需要工件坐標系零點來確定。不同數控系統建立工件坐標系零點的方式不同，本文主要介紹西門子840D數控系統工件坐標系的建立，有助于讀者理解工件坐標系定義及編程使用方法。

關鍵詞：西門子840D 工件坐標系 建立

1 引言

西門子840D數控系統應用范圍廣泛，適合于各種復雜零部件的制造和加工。數控機床的操作簡便、靈活、高效，其中工件坐標系的建立是數控機床操作的重要環節之一，工件坐標系是用戶編制加工程序的基礎。本文將重點講解西門子840D數控系統工件坐標系的建立和工件坐標系零點偏移的方法。

2 坐標系的基本概念

2.1 機械參考點

加工中心參考點又名原點或零點，是機床的機械原點和電氣原點相重合的點，是原點復歸后機械上固定的點。每臺機床可以有一個參考原點，也可以根據需要設置多個參考原點，用于自動刀具交換或自動托盤交換等。參考點作為工件坐標系的原始參照系。機床參考點確定后，各工件坐標系隨之建立。所謂機械原點，是基本機械坐標系的基準點，機械零部件一旦裝配完畢，機械原點隨即確立。所謂電氣原點，是由機床所使用的檢測反饋元件所發出的柵點信號或零標志信號確立的參考點。為了使電氣原點和機械原點重合，必須將電氣原點到機械原點的距離用一個設置原點偏移量的參數進行設置。這個重合的點就是機床原點。在加工中心使用過程中，機床生動或自動回參考點操作是經常進行的動作。不管機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，如進行自動刀具交換或自動托盤交換過程中，機床某一軸或全部軸都要先回參考原點[1]。

2.2 工件坐標系

工件坐標系是由用戶定義的，在加工過程中用來描述工件位置的坐標系。數控加工中心工件坐標系通常由三個軸線組成：X軸、Y軸、Z軸。工件坐標系的原點通常被定義為工件的某個特定點，例如工件的中心點或某個固定的參考點。通過確定原點的位置，可以確定工件坐標系的位置。工件零點是原始工件坐標系的原點，是用戶編寫加工程序坐標時用到的坐標原點。工件坐標系建立通常是參考機床零點偏置來確定的（圖1）[2]。在數控加工中心中，工件坐標系的確定非常重要，因為它直接影響到加工程序的編寫和加工過程的準確性。正確地定義和使用工件坐標系可以確保加工過程中的位置和姿態的準確性，從而獲得高質量的結果結果。西門子840D數控系統通過G代碼來描述加工軌跡，G代碼中涉及的坐標值均是相對于工件坐標系而言的。正確的工件坐標系建立顯得尤為重要[3]。

3 西門子840D數控系統工件坐標系的建立

3.1 工件坐標系建立指令介紹

西門子840D數控系統工件坐標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。粗偏移一般是機床機械零點到工件坐標系零點距離，精偏移是補償值。

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

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

CTRANS粗偏移：使用CTRANS（...）確定粗偏移。

預定義可設定框架$P_UIFR[n]，通過預定義的框架變量$P_UIFR[n]，可設定的零點偏移G54到G599由零件程序讀或寫。如：

$P_IFRAME=$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

通過機床數據可以改變框架的個數。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為機床補償值。

3.2 工件坐標系建立步驟

為建立準確的工件坐標系，需要考慮到機床和工件的實際情況，即考慮機械結構和工件的相對位置。具體來說，需要確定機床參考點、確定工件參考面、進行必要的校正。

機床參考點是機床上選取的一點或一面，作為機器坐標系的原點和參照基準。機床參考點應該選取在機臺上穩固的、易于測量的位置，常見的有機床工作臺面、機床主軸中心、機床中心等（如圖2中的A點位置）。一旦確定了機床參考點，就可以通過相關測量來確定工件在機床上的位置[2]。

工件參考點是指工件上選取的一點或一面，用來確定工件坐標系的原點和參照基準（如圖2中的C點位置）。確定工件參考點需要考慮到工件的實際形狀、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。

在實際加工中，由于各種因素可能會導致工件坐標系偏移或失準，因此需要進行必要的校正。具體來說，主要包括數控機床自動校正和手動校正兩個方面。數控機床自動校正可通過相關程序來實現，而手動校正則需要人工干預，通過精確的測量和調整來實現。

3.3 工件坐標系建立

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

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確定加工補償調整量。G54 X軸：其中-151.9為X軸機械零點到圓形銷中心距離；150.089為圓形銷中心到C基準距離（如圖2）。G54 Y軸：其中93為Y軸機械零點到定位面距離（如圖3）。G54 Z軸：其中149為Z軸機械零點到圓形銷中心距離；37為圓形銷中心到C基準距離（如圖2）。G54 A軸：0度。

當夾具A軸旋轉到270度，需建立工件坐標系G57時。則要在工件坐標系偏置程序（如OP40_ZOS）里面執行程序：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確定加工補償調整量。G57 X軸：其中-151.9為X軸機械零點到圓形銷中心距離；150.089為圓形銷中心到C基準距離（如圖2）。G57 Y軸：其中-149為Y軸機械零點到圓形銷中心距離；-37為圓形銷中心到C基準距離（如圖4）。G57 Z軸：其中93為Z軸機械零點到定位面距離（如圖5）。G57 A軸：270度。

其它G55，G56等工件坐標系定義與上述定義一致。需要注意的是不同工件坐標系是相對應的A軸角度的時候，機械坐標系零點相對于工件坐標系零點的距離。對于A軸設備，X軸的機械坐標零點和工件坐標系零點相對位置是不變的。

4 工件坐標系偏移

在實際零件加工中，可能會出現零件某一加工特征加工尺寸基準與設定的工件坐標系零點不同的情況。這時需要使用可編程的零點偏移指令TRANS，ATRANS，ROT，AROT等來實現從當前一工件坐標系出發，通過坐標或者角度的說明，描述一個目標坐標系的位置。如：TRANS（X，10） 表明：X軸可編程的零點偏移為10毫米。取消編程偏移直接用：TRANS。

通過實例說明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；

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

5 結束語

西門子840D數控系統是目前廣泛應用的數控系統之一，其工件坐標系的建立非常重要。通過本文的介紹，我們可以更好地理解工件坐標系的相關概念和技術，為實現精準、高效的數控加工提供支持。

參考文獻：

[1]祁型虹，熊顯文，黃浙英.建立數控工件坐標系的方法綜述[J].機械設計與研究2006，2：75-79．

[2]熊顯文，明興祖．數控加工中心工件坐標系的建立[J]．組合機床與自動化加工技術，2003，（12）：69～70．

[3]倪娟.西門子802SE數控車系統中工件坐標系的建立與對刀[J].裝備制造技術，2012，5：201-203．