数控加工坐标系的优化设计

CNC铣床或加工中心（Machine Center，MC）通过在特定的坐标系统中描述刀具运动的路径，来实现对零件特定外形的加工。坐标系统对CNC程序设计极为重要。常见的坐标系有机床坐标系、工件坐标系等。

机床坐标系是数控加工系统中的绝对坐标系，用来描述整个加工过程中的行为和相对位置。不同的控制系统，机床坐标原点位置不同，一般为右上角，如图1-1所示。在加工过程中，机床坐标系作为其他坐标系的参照坐标系。数控机床在停机后，由于温度、振动等干扰，机床导轨等零部件会发生一定位移或变形，所以数控机床再起动后，应当先校正机床的坐标原点，以保证坐标系统的正确。

图1-1 机床坐标系的原点

工件坐标系是设置在被加工零件上的坐标系，用来描述工件外形和尺寸，它建立在机床坐标系之下，以其为参照，可以有任意多个。

CNC机床上各坐标系轴的标注采用右手直角坐标系（笛卡儿坐标系）。如图1-2所示，大拇指表示X轴，食指表示Y轴，中指表示Z轴，且手指所指的方向为坐标轴的正方向。X、Y、Z轴向用于标注线性移动轴；另外定义三个旋转轴，绕X轴旋转者为A轴，绕Y轴旋转者为B轴，绕Z轴旋转者为C轴。三个旋转轴的正方向皆定义为顺着移动轴正方向看，顺时针转动为正，逆时针转动为负，如图1-3所示。

图1-2 笛卡儿坐标系

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图1-3 坐标系定义

a）右手直角坐标系 b）X、Y、Z移动轴，A、B、C旋转轴 c）A、B、C旋转轴

CNC机床首先定义Z轴，即以机床的主轴线为Z轴，再以刀具远离工件的方向为正。以立式CNC铣床为例，如图1-4所示，定义机床坐标系为：主轴向上为“+Z”方向，向下为“-Z”方向；然后定义X轴，以操作者面向床柱，其刀具沿左右方向移动者为X轴，且规定向左为正方向；最后依右手直角坐标系决定Y轴，刀具沿前后方向移动者为Y轴，向后为“+Y”方向，向前为“-Y”方向，其三轴的交点即为铣床坐标系原点。图1-4a CNC机床上的坐标轴所形成的坐标系为机床坐标系。一般的CNC铣床或MC在机床上会贴上机床坐标系的轴向，方便用户确认。

机床的各个运动是根据机床坐标系来确定的。由于立式CNC铣床或MC在X、Y轴上实际是工件移动而非刀具移动，为了符合编程人员工件固定不动的假设，需要在工件坐标系下来编写刀具路径程序，此时假设工件固定不动，而让刀具沿着工件轮廓移动加工。由此使得工件坐标系的X、Y轴正、负方向与机床坐标系相反，如图1-4b所示。

编程人员指令刀具向工件坐标系的X轴正方向移动，而实际上是工件向机床坐标系的X轴负方向移动。

图1-4 机床坐标系与工件坐标系

a）机床坐标系 b）工件坐标系