CNC加工中心工件坐標(biāo)系的建立
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【摘要】CNC加工中心按照用戶編寫的NC程序加工零件，不同加工中心加工程序因加工內(nèi)容不同而異，但類似于工件坐標(biāo)系設(shè)置等基本條件是一致的，工件坐標(biāo)系的建立方法對同類型的加工中心是普遍適用的，所使用的數(shù)學(xué)公式是一致的。文中簡述工件坐標(biāo)系的建立過程并推導(dǎo)相應(yīng)的算法，有助于理解工件坐標(biāo)系設(shè)置原理以及坐標(biāo)系修正值調(diào)整的影響。
【關(guān)鍵詞】：加工中心 工件坐標(biāo)系 建立
1. 概述
缸蓋的加工中，CNC加工中心完成60%的工序，加工中心設(shè)備數(shù)量占比例75%；缸體的加工中，CNC加工中心完成67%的工序，加工中心設(shè)備數(shù)量占比例80%。可以說，缸體缸蓋的大部分加工內(nèi)容是由加工中心完成的。
加工中心加工工件時(shí)，首先需要根據(jù)工藝圖紙編寫加工程序。而程序的編寫離不開坐標(biāo)系的建立，利用宏程序功能可以方便快捷地建立符合工藝要求的坐標(biāo)系。
2. 坐標(biāo)系
CNC將刀具移動到指定的坐標(biāo)位置。刀具位置由刀具在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值表示，坐標(biāo)值由編程軸X、Y、Z指定，使用下述三個(gè)坐標(biāo)系之一指定坐標(biāo)值，如無特別說明，文中長度單位均用“mm”表示，角度單位均用“°”表示：
（1） 機(jī)床坐標(biāo)系
（2） 工件坐標(biāo)系
（3） 局部坐標(biāo)系
2.1 機(jī)床坐標(biāo)系
用機(jī)床零點(diǎn)作為原點(diǎn)設(shè)置的坐標(biāo)系稱為機(jī)床坐標(biāo)系。機(jī)床零點(diǎn)由機(jī)床廠出廠前設(shè)定。機(jī)床坐標(biāo)系一旦設(shè)定，就保持不變。機(jī)床零點(diǎn)定義如表2.1.1所示
圖2.1.2表示出機(jī)床零點(diǎn)各軸的相對位置，其中，X、Y、Z為直線軸，B軸為回轉(zhuǎn)軸。括號內(nèi)表示XS321型號對應(yīng)的數(shù)值。
圖2.1.2 機(jī)床零點(diǎn)示意
2.2 工件坐標(biāo)系
由于工件的加工基準(zhǔn)點(diǎn)與機(jī)床零點(diǎn)并不重合，如果編程時(shí)以機(jī)床坐標(biāo)系為準(zhǔn)，那么將使得程序的坐標(biāo)值顯得繁瑣，容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，并且新增坐標(biāo)值又需要從機(jī)床零點(diǎn)開始計(jì)算坐標(biāo)值。因此，設(shè)置符合用戶需求的便捷的工件坐標(biāo)系顯得非常必要。用戶可以仍以選擇6個(gè)工件坐標(biāo)系G54~G59。指定其中一個(gè)G代碼，可以選擇6個(gè)中的一個(gè)。通過用外部工件零點(diǎn)偏移來改變G54到G59指定的6個(gè)工件坐標(biāo)系的位置。由于局部坐標(biāo)系實(shí)際中沒有運(yùn)用，不再贅述。
圖2.2.1
3. 工件坐標(biāo)系的建立
工件坐標(biāo)系的建立就是確立用戶要求的工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間確定不變的聯(lián)系，實(shí)際上就是工件零點(diǎn)與機(jī)床零點(diǎn)之間的聯(lián)系。當(dāng)工件零點(diǎn)與機(jī)床零點(diǎn)的關(guān)系確立后，編程過程就可以直接通過工件零點(diǎn)確定各個(gè)使用的坐標(biāo)值，簡化程序和編程過程。
3.1 定義需要使用的宏變量
1.#501: 工作臺中心到機(jī)床零點(diǎn)在X+方向上的距離(XS211 350/XS321 400)
2.#502: 工作臺頂面到機(jī)床零點(diǎn)在Y+方向上的距離(XS211 -70/XS321 -150)
3.#503: 工作臺中心到機(jī)床零點(diǎn)在Z+方向上的距離(XS211 -70/XS321 -150)
4.#511: B0時(shí)工件零點(diǎn)到工作臺中心在X+方向上的距離
5.#512: B0時(shí)工件零點(diǎn)到工作臺頂面在Y+方向上的距離
6.#513: B0時(shí)工件零點(diǎn)到工作臺中心在Z+方向上的距離
7.#801: X軸工件零點(diǎn)修正值（與夾具有關(guān)）
8.#802: Y軸工件零點(diǎn)修正值（與夾具有關(guān)）
9.#803: Z軸工件零點(diǎn)修正值（與夾具有關(guān)）
0.#804: B軸補(bǔ)償值
其中，#511、#512、#513的數(shù)值從工作臺夾具圖紙上讀取，由于這三個(gè)數(shù)值是夾具工藝的理論值，因此需要由#801、#802、#803分別對X、Y、Z軸工件零點(diǎn)進(jìn)行修正，使加工工件的尺寸、位置度等符合工藝要求。#804是對B軸旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行修正。
3.2 工件坐標(biāo)系建立過程
工件坐標(biāo)系的建立首先要完成工件零點(diǎn)的建立，一旦工件零點(diǎn)確定，就可以在此基礎(chǔ)上派生若干個(gè)用戶所需要的工件坐標(biāo)系。
3.2.1 工件零點(diǎn)的建立
建立工件坐標(biāo)系的指令為G10L2。
由于機(jī)床零點(diǎn)建立時(shí)參照的基準(zhǔn)是工作臺中心與主軸前端面中心，而工裝夾具中工件裝夾的各軸定位基準(zhǔn)在工藝上的要求也是以工作臺中心為基準(zhǔn)。因此，機(jī)床零點(diǎn)與工件零點(diǎn)均以工作臺中心為基準(zhǔn)，故而在建立工件坐標(biāo)系時(shí)加以利用。設(shè)B軸位于0度：
首先，建立過渡零點(diǎn)，過渡零點(diǎn)為B軸中心與主軸前端面中心重合，其指令為：
G10L2X[#501];
G10L2Y[#502];
G10L2Z[#503]; 式(1)
當(dāng)然，由于這一位置將使主軸與工作臺干涉，因此在實(shí)際中是不可能的，只是為了理解上的方便，相當(dāng)于主軸前端面中心從機(jī)床零點(diǎn)位置移動到B軸中心位置。如圖3.2.1所示。
圖3.2.1 過渡零點(diǎn)
其次，假設(shè)工件零點(diǎn)距離工作臺中心在X方向上的尺寸為，距離工作臺頂面在Y方向上的距離為，距離工作臺中心在Z方向上的距離為、為無符號數(shù)值，其值從工裝夾具圖紙上獲得。則有：
#511= －
+#801；
#512=
+#802；
#513=
+#803； 式(2)
為使各軸從過渡零點(diǎn)移動到工件零點(diǎn)，需要進(jìn)一步執(zhí)行如下指令：
G10L2X[#511];
G10L2Y[#512];
G10L2Z[#513]; 式(3)
由式(1)、(3)可得，不考慮修正值，建立工件零點(diǎn)的指令為：
G10L2X[#501+#511];
G10L2Y[#502+#512];
G10L2Z[#503+#513];
3.2.2 工件坐標(biāo)系的建立
理論上說，可以確定若干個(gè)工件零點(diǎn)來設(shè)置不同的工件坐標(biāo)系，或者在確定一個(gè)工件零點(diǎn)后以該工件零點(diǎn)（及B0）確定的坐標(biāo)系進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)得到需要的工件坐標(biāo)系。由于實(shí)際加工中要保證同一個(gè)基準(zhǔn)，因此，應(yīng)用中的工件坐標(biāo)系實(shí)際上是由工件零點(diǎn)與B0確定的坐標(biāo)系繞B軸中心線旋轉(zhuǎn)某一角度而成。
以B0位置為起始位置，順時(shí)旋轉(zhuǎn)為正，由于Y軸與回轉(zhuǎn)中心線平行，因此，B軸回轉(zhuǎn)到任意角度，Y軸坐標(biāo)值始終不變，變化的是X軸與Z軸的坐標(biāo)值。
圖3.2.2 B軸旋轉(zhuǎn)示意
如圖3.2.2所示，B軸從B0旋轉(zhuǎn)到Bθ,工件零點(diǎn)由G點(diǎn)移動到D點(diǎn)，設(shè)Bθ時(shí)工件坐標(biāo)系建立指令為：
G10L2X[#501+#514];
G10L2Y[#502+#512];
G10L2Z[#503+#515];
需要計(jì)算出#514及#515，圖中黃線為輔助線。不失一般性：
3.2.3 改變工件零點(diǎn)修正值的影響
#801、#802、#803修正想學(xué)習(xí)UG編程加Q群614096521值分別附加到#511、#512、#513，因此改變其中任意一個(gè)修正值將影響到所有的工件坐標(biāo)系，因?yàn)槠涫聦?shí)上改變了工件零點(diǎn)，自然影響了其他工件坐標(biāo)系，但影響的軸的數(shù)值因而異。
當(dāng)工件零點(diǎn)修正值改變后，由(6)可知工件坐標(biāo)系Y軸零點(diǎn)相應(yīng)地等量改變，由式(7)、(8)可知，而X、Z軸非線性改變。故工件零點(diǎn)修正值的改變是全局性的?？梢葬槍蝹€(gè)工件坐標(biāo)系添加修正值，將不影響任何此外的工件坐標(biāo)系。
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