数控机床坐标系介绍

在数控机床上加工零件,刀具与工件的相对运动是以数字形式体现的。因此,必须建立相对的坐标系,才能明确刀具与工件的相对位置。数控机床的坐标系包括坐标原点、坐标轴和运动方向。

工件在数控机床上加工的工艺内容多,工序集中,所以每一个数控编程人员和数控机床的操作者,都必须对数控机床的坐标系有一个完整而且能正确地理解。否则,程序编制将发生错误,操作机床时会发生事故。为了简化数控编程和使数控系统规范化,国际标准化组织(ISO)对数控机床规定了标准坐标系。

(1)坐标系

机床坐标系是机床上固有的,用来确定工件坐标系的基本坐标系。国际标准和国家标准规定了数控机床的坐标系采用笛卡尔右手直角坐标系,如图2.2所示。基本坐标轴为X,Y,Z轴,它们与机床的主要导轨相平行,相对于每个坐标轴的旋转运动坐标分别为A,B,C。

基本坐标轴X,Y,Z关系及其正方向用右手直角定则判定。拇指为X轴,食指为Y轴,中指为Z轴,其正方向为各手指指向,并分别用+X,+Y,+Z来表示。围绕X,Y,Z各轴的旋转运动及其正方向用右手螺旋定则判定,拇指指向X,Y,Z轴的正方向,四指弯曲的方向为对应各轴的旋转正方向,并分别用+A,+B,+C来表示。

图2.2　坐标系

(2)坐标轴及其运动方向

1)ISO标准的有关规定

不论数控机床的具体结构是工件静止、刀具运动,还是刀具静止、工件运动,都假定工件不动,刀具相对于静止的工件运动。

机床坐标系X,Y,Z轴的判定顺序为:先Z轴,再X轴,最后按右手定则判定Y轴。

增大刀具与工件之间距离的方向为坐标轴运动的正方向。

2)坐标轴的判定方法

①Z轴——平行于主轴轴线的坐标轴为Z轴。刀具远离工件的方向为Z轴的正方向,如图2.3—图2.5所示。坐标轴名中(+X,+Y,+Z;+A,+B,+C)不带“'”的表示刀具相对工件运动的正方向,带“′”的表示工件相对刀具运动的正方向。对于有多个主轴或没有主轴的机床(如刨床),垂直于工件装夹平面的轴为Z轴,如图2.6、图2.7所示。

②X轴——平行于工件装夹平面的坐标轴为Z轴。它一般是水平的。以刀具远离工件的运动方向为X轴的正方向。对于工件是旋转的机床,X轴为工件的径向,如图2.3所示。对于刀具是旋转的立式机床,从主轴向立柱看,右侧方向为X轴的正方向,如图2.4所示。对于刀具是旋转的卧式机床,从主轴向工件看,右侧方向为X轴的正方向,如图2.5所示。

③Y轴——Y轴垂直于X,Z轴;当X,Z轴确定之后,按笛卡尔直角坐标右手定则判断Y轴及其正方向。

④旋转运动轴A,B,C轴——运动轴A,B,C的轴线平行于X,Y和Z轴,其旋转运动的正方向按右手螺旋定则判定(见图2.2),判别实例如图2.8、图2.9所示。

图2.3　数控车床图

图2.4　数控立式升降台铣床

图2.5　数控卧式升降台铣床

图2.6　数控龙门铣床

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图2.7　数控牛头刨床

图2.8　五坐标数控铣床

图2.9　数控卧式镗床

⑤附加坐标——如果基本坐标轴X,Y,Z轴以外,还有平行于它们的第二或者第三坐标轴,则分别用U,V、W和P,Q,R表示。

⑥主轴旋转方向——从主轴后端向前端(装刀具或工件端)看,顺时针方向旋转为主轴正旋转方向,它与C轴的正方向不一定相同。例如,卧式车床的主轴正旋转方向与C轴正方向相同,对于钻、铣、镗床,主轴正旋转方向与C轴方向相反。

(3)机床坐标系原点与机床参考点

图2.10　立式铣床机床原点

现代数控机床一般都有一个基准位置,称为机床原点或机床绝对原点,是机床制造商设置在机床上的一个物理位置。其作用是使机床与控制系统同步,建立测量机床运动坐标的起始点。机床坐标系建立在机床原点之上,是机床上固有的坐标系。机床坐标系的原点位置在各坐标轴的正向最大极限处,用M表示,如图2.10所示。

与机床原点相对应的还有一个机床参考点,用R表示,如图2.11所示。它是机床制造商在机床上用行程开关设置的一个物理位置,与机床原点的相对位置是固定的,由机床制造商在机床出厂之前精密测量确定。机床参考点一般不同于机床原点。一般来说,加工中心的参考点为机床的自动换刀位置。

图2.11　机床参考点与工件原点的关系

(4)工件坐标系与工件坐标系原点

工件坐标系是编程时使用的坐标系,又称为编程坐标系。编程时,首先根据被加工零件的几何形状和尺寸,在零件图上设定工件坐标系,使零件图上的所有几何元素,在坐标系中都有确定的位置,为编程提供轨迹坐标和运动方向。

工件坐标系的坐标轴,要根据工件在机床上的安装位置和加工方法来确定,如图2.12所示。一般工件坐标系的Z轴要与机床坐标系的Z轴平行,且正方向一致,与工件的主要定位支撑面垂直;工件坐标系的X轴,选择在零件尺寸较大或切削时的主要进给方向上,且与机床坐标系的X轴平行,正方向一致;工件坐标系的Y轴,可根据右手定则确定。

图2.12　工件坐标系与机床坐标系

(5)工件坐标系原点

加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系,也称为工件原点或编程原点,由编程人员根据编程计算方便性、机床调整方便性、对刀方便性、在毛坯上位置确定的方便性等具体情况定义在工件上的几何基准点,一般为零件图上最重要的设计基准点。加工原点也称为程序原点,是指零件被装夹好后,相应的编程原点在机床坐标系中的位置。

工件原点选择如下:

①与设计基准、工艺基准一致。

②尽量选在尺寸精度高、表面粗糙度低的工件表面。③最好在工件的对称中心上。

④要便于测量和检测。