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数控车床中机床坐标系\机床参考点与工件坐标系的关系

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发表于 2012-4-3 18:33:39 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
  [摘要] 我们可以把数控车床分为三大模块,一是数控系统(软件),二是车床本体(硬件),三是被加工工件(浮动件),它们分别有三个坐标系,编程坐标系、机床坐标系和工件坐标系。
  [关键词] 机床坐标系 机床参考点 工件坐标系 之间的关系
  
  在多年的数控编程理论和实践教学中,笔者发现,许多学生只注重数控编程的学习,而对坐标系的设置只是机械的照搬,对各坐标系的原理和它们之间的关系却不求甚解,虽然经常强调,但在思想上还是引不起足够的重视,致使在实际使用的时候不知所措。
  那么什么是机床坐标系?什么是机床原点?什么是机床参考点?它们与设置工件坐标系又有什么关系呢?
  机床原点为机床上的一个固定点,也称机床零点或机床零位。是机床制造厂家设置在机床上的一个物理位置,在数控车床上,一般设在主轴旋转中心与卡盘后端面之交点处。以机床原点为坐标系原点在水平面内沿直径方向和主轴中心线方向建立起来的X、Z轴直角坐标系,成为机床坐标系。建立机床坐标系,其目的(功能)有三:
  一、机床坐标系是制造和调整机床的基础
  不论是普通车床还是数控车床,在车床硬件组装和调试时,都必须首先建立一个工艺点(或坐标系),以此为基准来调整和修调一些工艺尺寸诸如机床导轨与主轴轴线的平行度、导轨与主轴的高度、尾座顶尖与主轴是否等高、主轴的径向跳动量、轴向窜动量等等。这是一个固定点,这个工艺点一旦确定,一般不允许随意变动。
  二、建立机床与数控系统的位置关系
  我们可以把数控车床分为三大模块,一是数控系统(软件),二是车床本体(硬件),三是被加工工件(浮动件)它们分别有三个坐标系,即程序坐标系、机床坐标系和工件坐标系。
  数控机床上电后,三个坐标系并没有直接的联系,因此每次开机后无论刀架停留在机床坐标系中的任何位置,系统都把当前位置认定为(0,0),这样会造成坐标系基准的不统一,数控车床一般采用手动或自动方式让机床回零点的办法来解决这一问题。
  其原理是将刀架运行到主轴旋转中心与卡盘后端面之交点处(机床零点),这时溜板碰到了已预先精确设置好的行程开关或机械挡块,信号即刻传送到计算机系统,系统复位,此时CRT上显示系统已预设置好的X0.000、Z0.000坐标值,使机床与系统建立了同步关系,也就是让系统知道了机床零点的具体坐标位置,建立了测量机床运动坐标的起始点。此后CRT上会适时准确地跟踪刀架在机床坐标系中运动的每一个坐标值。
  但是,由数控车床的结构分析可知,将刀架中心点(对刀参考点)运行到主轴旋转中心与卡盘后端面之交点处是不可能的(会发生机床干涉),故此我们在机床坐标系X、Z轴的正方向的最大行程处设立一个与机床坐标系零点之间有精确位置关系的工艺点,并用行程开关或机械挡块或栅尺定位。这个点我们把它称为针对机床零点的一个参考点。当数控装置通电后让刀架回机床参考点,实际上就达到了机床回零的同样的效果。
  由此可知,机床参考点和机床零点之间是有着密切联系的两个点,机床参考点也是机床上的一个固定点,是数控机床出厂时已设定好的,该点是机床坐标系的X、Z轴的正方向的最大极限处的一个固定不变的极限点。其位置由机械挡块或行程开关或栅尺确定。以参考点为原点,坐标方向与机床坐标方向相同,所建立的坐标系叫作参考坐标系。
  三、机床坐标系也是设置工件坐标系的基础
  在普通车床上加工工件,由于都是靠手工操作,所以对工件坐标系没有太多的要求,但在数控车床操作中,数控系统根据所输入的工件程序,通过系统运算后,由数控装置来控制数控车床的执行机构按工件程序的轨迹运动,来达到对工件加工的目的,但数控车床各个轴的运动都是按机床坐标系进行运动的。当工件在车床上安装后,虽然工件全身置于机床坐标系中,但具体在机床坐标系中的位置并没有得以确认。也就是说机床坐标系与工件坐标系之间还没有建立有机的统一。以机床坐标系运行的刀具,不可能与工件轮廓相吻合。
在实际操作中,人们通常采用试切对刀法来解决这一问题(确定工件坐标系在机床坐标系中的具体位置)。
  我们可以在所装工件上任取一特殊点(一般是工件的左端或右端),这一点我们称为工件坐标系原点,它是工件上所有转折点坐标值之基准点,(为了提高零件的加工精度,避免尺寸换算和基准不重合误差等,工件原点应尽量设定在零件的设计基准或工艺基准上)。以此点建立的坐标系,称之为工件坐标系。在手动方式下,分别用车刀试切工件的端面和外圆找到工件原点,测量出工件原点到机床原点在X、 Z方向间的距离,这个距离称为工件原点偏置值,即机床原点在工件坐标系中的绝对坐标值。将这个偏置值预存到数控系统中,加工时,工件原点偏置值能适时自动地加到以机床坐标系运动的各轴上,使数控系统通过机床坐标系+工件偏置值来确定加工工件的各坐标值。通过这些操作,我们又建立了工件坐标系与机床坐标系及数控系统之间的联系。
  不过由于各厂家的习惯不同,机床零点参数设置不尽相同,CRT位置界面显示值也不一样,大多数数控车床会参考点后CRT显示为X0.000、Z0.000,表明机床坐标系零点与机床参考点重合。也有少部分车床参考点与之相反,CRT显示为参考点到机床零点的实际距离,比如X600.000、Z1010.000。即机床坐标系零点与机床参考点分离。
  由于数控车床的机床零点和参考点设置的不同,在设置工件坐标系时,也就出现了不同的情况。
  一、机床坐标系零点与参考点重合
  机床上电后,执行机床回参考点操作动作,当刀架移动到X、Z轴正向最大行程处时,装在纵向和横向拖板上的行程开关碰到了机械挡块,瞬时向数控系统发出信号,由系统控制拖板停止运动,既回到了参考点,并且以此点为原点建立了机床坐标系,此时CRT显示X0.000、Z0.000(如图1所示),即机床坐标系零点与参考点重合。此后,刀具及X、Z轴的移动范围以及工件的放置位置都在机床坐标系的负方向。
  如果我们用G54设置工件坐标系,用刀具试切工件外圆和右端面,当刀具移至试切点A,此时CRT显示Xj=-210.538, Zj=-200.347,测量工件直径为Ф24.426,那么:
  X方向的零点偏置值X =-Xj-Ф=-210.538-24.426(直径值)=-234.964………(1)
  Z方向的零点偏置值Z =-Zj-0=-200.347-0=-200.347……………………………(2)
  将X=-234.962、Z=-200.347输入到G54下的相应位置中,系统即刻由机床坐标系转换成了以O为原点的工件坐标系,即工件坐标系设置完成。
  (事实上,找工件原点在机械坐标系中的位置并不是求该点的实际位置,而是找当刀位点到达工件(0,0)时,刀架上的参考点在机床坐标系中的位置,这里不详述。)
  
  图1 机床坐标系零点与参考点重合
  二、机床坐标系零点与参考点分离
  机床上电后,执行机床回参考点操作动作,当滑板移动到X、Z轴正方向最大行程处时,装在纵向和横向拖板上的行程开关碰到了机械挡块,瞬时向数控系统发出信号,由系统控制拖板停止运动,表示回到了参考点,此时CRT显示如X600.000、Z1010.000(如图2所示),由CRT显示可知,车机床参考点距机床零点的距离在X方向为600.000,在Z方向1010.000,说明机床坐标系零点与机床参考点分离。车床参考点仍设在机床坐标系X、Z轴的正方向的最大行程处,而车床的机床原点则定义在主轴旋转中心线与卡盘后端面的交点处。由此看出,刀具及X、Z轴的移动范围以及工件的放置位置都在机床坐标系的正方向。
  同样,如果我们用
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