2.2　数控车床坐标系与工件坐标系

2.2.1　机床坐标系

(1)数控车床机床坐标系

数控车床用于加工轴、套类等回转体零件。数控车床导轨形式有两种:水平导轨(图2⁃8)和斜导轨(图2⁃9)。水平导轨数控车床采用前置刀架,如图2⁃8(b)所示,刀架位于主轴前面,与传统卧式车床刀架的布置形式一样,装备四工位电动刀架。普通数控车床通常采用水平导轨,控制2个运动轴:刀具直线运动的Z轴和X轴,如图2⁃8(b)所示。刀具离开工件的方向为X轴正向。

斜导轨车床采用后置刀架,如图2⁃9(b)所示,刀架位于主轴的后面,刀架导轨位置与正平面倾斜。斜导轨形式便于观察刀具的切削过程,切屑容易排除,后置刀架空间大,可装备多工位回转刀架。数控车削中心机床采用斜导轨,该机床在控制直线运动轴X、Z基础上还能控制主轴的旋转运动,即C轴功能,由于C轴是工件回转(工件装夹在主轴上),所以C轴的标注符号为C'。车削中心控制X、Z、C' 3个坐标轴,刀具离开工件的方向为X轴正向,如图2⁃9(b)所示。车削中心采用回转刀架,容量大,回转刀架上可配置铣削动力头,增强了车床加工功能,除车削圆柱表面外,还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削以及中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等。

(2)机床坐标系原点(机床原点)

数控机床坐标系原点是机床上一个固定的点。数控车床的机床原点一般设在主轴前端面与其旋转中心线的交点上,如图2⁃10中的M点。机床坐标系原点M由机床制造商设定,并且无法改变。

(3)机床参考点

机床制造厂对每台机床设置一个基准点,称为机床参考点。机床参考点与机床原点有固定的尺寸关系,通常设在X、Z轴的正向极限位置,如图2⁃10中的R点。机床开机后,首先进行“回参考点”(或称“回零”)操作,通过回参考点操作在数控系统中建立起机床坐标系。

在以下三种情况下,数控系统会失去对机床参考点的记忆,必须进行返回机床参考点的操作。

① 机床超程报警信号解除后。

② 机床关机以后重新接通电源开关时。

③ 机床解除急停状态后。

数控系统运行中可以通过返回参考点指令G28使刀具返回到参考点。

在没有绝对编码器的机床上,接通机床电源后通过手动回参考点操作,建立机床坐标系。在采用绝对编码器为检测元件的机床上,由于数控系统能够记忆绝对原点位置,所以机床开机后即自动建立机床坐标系,并显示出刀具位置坐标,不必进行回参考点操作。

数控机床坐标系是机床的基本坐标系,是其他坐标系和机床内部参考点的出发点。不同数控机床参考点也不同,因生产厂家而异。

2.2.2　工件坐标系

数控程序是根据工件图样编制的,依据工件图确立工件坐标系,程序中的坐标值均以工件坐标系为依据,工件坐标系原点也称为程序原点、工件原点。为操作方便,车削工件原点一般都设在工件轴线与左端面的交点[图2⁃11(a)]或轴线与右端面的交点[图2⁃11(b)]。

2.2.3　工件坐标系与机床坐标系的关系

(1)工件原点偏移

工件装夹在机床上,工件坐标系原点(程序原点)相对机床坐标系原点的距离(有正负符号)称为工件(程序)原点偏移,如图2⁃11所示,图中还标出了工件(程序)原点偏移距离。

(2)设定工件坐标系

数控系统上电自动启动机床坐标系,刀具按机床坐标系运动,数控程序是按照工件坐标系编制的,为使数控系统按照工件坐标系运行,需要在程序中设定工件坐标系。常用两种设定工件坐标系方法。

① 指令G54~G59,可以设定六个工件坐标系。

② 指令G50设定工件坐标系。

2.2.4　用G54~G59设定工件坐标系

用工件原点相对于机床原点的偏移值设定工件坐标系,指令是G54~G59。

(1)程序原点偏移数据存储地址G54~G59

数控系统中备有程序原点偏移存储地址G54~G59。操作数控系统打开车床工件坐标系设定屏面,如图2⁃12所示,图中的“番号”即存储地址G54~G59,图中的“数据”即工件(程序)原点偏移数值。G54~G59总计六组地址,可存储六个工件坐标系。

(2)设定工件坐标系指令G54~G59

存储了原点偏移数据后,在程序中指令G54~G59可设定当前工作的工件坐标系,操作步骤如下。

① 装夹工件,须使工件坐标轴与机床导轨(机床坐标轴)方向一致。

② 对刀,测量出工件原点偏移数值,并把偏移数值输入到图2⁃12中地址G54(或G55~G59)。

③程序中给出设定工件坐标系指令G54(或G55~G59),则系统按给定的工件坐标系运动。

2.2.5　用G50设定工件坐标系

用刀具相对工件(程序)原点的偏移值设定工件坐标系,指令是G50。该指令通过指定刀具相对于程序原点的位置建立工件坐标系。用G50建立工件坐标系的程序段格式为:

G50 X_ Z_;

该程序段中“X_ Z_ ”是刀具在所设定的工件坐标系中的坐标值。

刀具上代表刀具位置的点称为刀位点,在使用G50指令前,一般使刀位点定位于加工始点,该加工始点称为对刀点。用G50设定工件坐标系的操作步骤如下。

① 把工件装夹在机床上,对刀,移动刀具到对刀点。

② 运行G50程序段,建立工件坐标系。

如图2⁃13所示,用G50设定工件坐标系。

① 工件坐标系原点设定在工件右端面,刀具定位后刀具位置P(坐标X=300,Z=250),设定工件坐标系程序段为:

G50 X300.0 Z250.0;

② 工件坐标系原点设定在工件左端面,刀具定位后刀具位置P(坐标X=300,Z=350),设定工件坐标系程序段为:

G50 X300.0 Z350.0;

运行G50指令程序段并不使刀具运动,只是改变显示屏幕中刀具位置的坐标值,从而在系统中建立工件坐标系。注意用G50建立的工件坐标系在重新启动机床后消失。

2.2.6　G54~G59设置坐标系和G50设置坐标系的区别

用G54~G59可以调用加工前已经设定好的坐标系,而G50需要在程序中设定的坐标系。用了G54~G59就没有必要再使用G50,否则G54~G59会被替换。注意:一旦使用了G50设定坐标系,再使用G54~G59不起任何作用,除非断电重新启动系统,或接着用G50设定所需新的工件坐标系。

使用G50的程序结束后,若刀具没有回到原对刀点就再次启动程序,则会改变坐标原点位置,易发生事故,所以要慎用G50。在实际生产中较少使用G50指令,多使用G54~G59设定工件坐标系。本书例题基本使用G54~G59指令设定工件坐标系。

2.2.7　直径编程与半径编程

车床X轴坐标值是工件回转圆的截面尺寸,所以X坐标有两种表示方法,即直径编程和半径编程。X指令值采用圆的直径值,称为直径编程,X指令值采用圆的半径值,称为半径编程。例如,如图2⁃14所示,在工件坐标系中B点和C点的坐标值如下。

直径编程:B(X=20.0,Z=-10.0),C(X=40.0,Z=-45.0)。

半径编程:B(X=10.0,Z=-10.0),C(X=20.0,Z=-45.0)。

FANUC系统半径编程或直径编程由系统参数1006号的第3位(DIA)选择决定。半径编程时X坐标值符合直角坐标系的表示方法,直径编程时X坐标值与回转工件直径尺寸一致,不需要尺寸换算。由于图样上都用直径表示轴类零件的径向尺寸,所以车削一般使用直径编程,本书例题都使用直径编程。

2.2.8　绝对坐标值与增量坐标值

表示刀具位置的坐标有两种方法,即绝对坐标和增量坐标。绝对坐标值是指相对于坐标系原点的坐标。用地址X、Z表示的坐标值为绝对坐标值。

增量坐标值也称相对坐标值,与刀具运动有关,增量坐标值是一个程序段中刀具运动距离,即一个程序段中刀具运动终点相对于起点的增量。用地址U、W表示增量坐标值,其中沿X 轴增量用U表示,沿Z 轴增量用W表示。

例如:工件坐标系如图2⁃14所示,刀具从P点运动到A点(采用直径编程)。

A点绝对坐标编程:G00 X20.0 Z0;

A点增量坐标编程:G00 U⁃80.0 Z⁃150.0;

在一个程序段中绝对坐标和增量坐标可单独使用,也可以混合使用。如图2⁃14中,刀具从B点运动到C点,表示C点的坐标形式如下。

① C点绝对坐标编程:G01 X40.0 Z⁃45.0 F200;

② C点增量坐标编程:G01 U20.0 W⁃35.0 F200;

③ C点X轴用绝对坐标值,Z轴用增量坐标值的编程:G01 X40.0 W⁃35.0 F200;

上述三种表示方法效果等同。

2.2.9　指定切削进给速度单位G98、G99

直线插补(G01)、圆弧插补(G02 G03)等的进给速度是由 F代码后的数值指令的。进给速度可用两种方式指令。

① 每分进给(G98)。在指定G98(每分进给方式)后,在F后用数值直接指定刀具每分钟的刀具进给量,单位mm/min。G98是模态代码,一旦指定G98,它就一直有效直到指定了 G99(每转进给)。用机床操作面板上的开关可从0~254%(以1%为步距)选择每分进给的倍率。

② 每转进给(G99)。在指定了G99(每转进给方式)后,在F之后用数值直接指定主轴每转的刀具进给量,单位mm/r。G99是模态代码,一旦指定G99,它就一直有效直到指定了G98(每分进给)。用机床操作面板上的开关可从0~254%(以1%为步距)选择每转进给的倍率。