坐標(biāo)系的應(yīng)用.doc

坐標(biāo)系 - 應(yīng)用坐標(biāo)在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用為描述物體所在位置和運(yùn)動(dòng)規(guī)律而選取的參考基準(zhǔn)。導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)的主要任務(wù)就是確定飛行器所在位置，并使它以正確方向和運(yùn)動(dòng)方式飛向預(yù)定目標(biāo)。因此在軌道計(jì)算、控制、導(dǎo)引和測(cè)量等工作中都涉及參考基準(zhǔn)的選擇和轉(zhuǎn)換問題。在航空、航天技術(shù)中，常用的坐標(biāo)系是右手直角坐標(biāo)系或球面坐標(biāo)系。右手直角坐標(biāo)系由原點(diǎn)和從原點(diǎn)延伸的 3個(gè)互相垂直、按右手規(guī)則排列順序的坐標(biāo)軸構(gòu)成。建立直角坐標(biāo)系需要確定原點(diǎn)的位置和3個(gè)坐標(biāo)軸的方向。物體在空間的位置可以用從原點(diǎn)分別量到物體在 3個(gè)坐標(biāo)軸上投影位置間的線段長度來描述。球面坐標(biāo)系(如天文學(xué)中的天球)由原點(diǎn)和基面組成，以原點(diǎn)為中心的任意球面與基面的交線稱基圓，通過原點(diǎn)與基面垂直的一組平面稱子午面，子午面與球面的交線稱子午線。物體在空間的位置用經(jīng)度、緯度、矢徑來描述。經(jīng)度是從指定子午面到通過物體位置的子午面間的球面角或沿基圓從預(yù)定子午面量到物體所在子午面間的弧線長。緯度是從基面到原點(diǎn)與物體位置連線間的夾角。矢徑是從原點(diǎn)到物體位置的直線距離。航空、航天技術(shù)涉及的空間范圍極廣，在導(dǎo)航定位、飛行力學(xué)和地面測(cè)量中常用的坐標(biāo)系主要是按原點(diǎn)位置來區(qū)分。坐標(biāo)原點(diǎn)與太陽、地球或其他星體中心相重合的稱為星體中心坐標(biāo)系；原點(diǎn)在星體表面的稱為星體表面坐標(biāo)系；原點(diǎn)在天體之外的稱為宇宙中心坐標(biāo)系；原點(diǎn)在飛行器內(nèi)部的稱為飛行器牽連坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系間都存在一定的幾何關(guān)系，可以用球面三角，四元素法或方向余弦等數(shù)學(xué)方法相互轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 - 數(shù)控坐標(biāo)系數(shù)控機(jī)床的加工是由程序控制完成的，所以坐標(biāo)系的確定與使用非常重要。根據(jù)ISO841標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系用右手笛卡兒坐標(biāo)系作為標(biāo)準(zhǔn)確定。數(shù)控車床平行于主軸方向即縱向?yàn)閆軸，垂直于主軸方向即橫向?yàn)閄軸，刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎颉?數(shù)控車床有三個(gè)坐標(biāo)系即機(jī)械坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系。1、機(jī)械坐標(biāo)系的原點(diǎn)是生產(chǎn)廠家在制造機(jī)床時(shí)的固定坐標(biāo)系原點(diǎn)，也稱機(jī)械零點(diǎn)。它是在機(jī)床裝配、調(diào)試時(shí)已經(jīng)確定下來的，是機(jī)床加工的基準(zhǔn)點(diǎn)。在使用中機(jī)械坐標(biāo)系是由參考點(diǎn)來確定的，機(jī)床系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)行返回參考點(diǎn)操作，機(jī)械坐標(biāo)系就建立了。坐標(biāo)系一經(jīng)建立，只要不切斷電源，坐標(biāo)系就不會(huì)變化。2、編程坐標(biāo)系是編程序時(shí)使用的坐標(biāo)系，一般把我們把Z軸與工件軸線重合，X軸放在工件端面上。工件坐標(biāo)系是機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)使用的坐標(biāo)系，它應(yīng)該與編程坐標(biāo)系一致。能否讓編程坐標(biāo)系與工坐標(biāo)系一致，使操作的關(guān)鍵。 在使用中我們發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)與航天數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械坐標(biāo)系確定基本相同，都是在系統(tǒng)啟動(dòng)后回參考點(diǎn)確定。 工件坐標(biāo)系 3、工件坐標(biāo)系（ Workpiece Coordinate System ）固定于工件上的笛卡爾坐標(biāo)系，是編程人員在編制程序時(shí)用來確定刀具和程序起點(diǎn)的，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)可使用人員根據(jù)具體情況確定，但坐標(biāo)軸的方向應(yīng)與機(jī)床坐標(biāo)系一致并且與之有確定的尺寸關(guān)系。坐標(biāo)系 - 機(jī)床坐標(biāo)系確定 圖1立式數(shù)控銑床1、 機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)定 工件相對(duì)靜止，而刀具運(yùn)動(dòng)。 在機(jī)床上，始終認(rèn)為工件靜止，而刀具是運(yùn)動(dòng)的。這樣編程人員在不考慮機(jī)床上工件與刀具具體運(yùn)動(dòng)的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機(jī)床的加工過程。 2、機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系用右手笛卡爾直角坐標(biāo)系決定。 在數(shù)控機(jī)床上，機(jī)床的動(dòng)作是由數(shù)控裝置來控制的，為了確定數(shù)控機(jī)床上的成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)，必須先確定機(jī)床上運(yùn)動(dòng)的位移和運(yùn)動(dòng)的方向，這就需要通過坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)坐標(biāo)系被稱之為機(jī)床坐標(biāo)系。例如銑床上，有機(jī)床的縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)以及垂向運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。在數(shù)控加工中就應(yīng)該用機(jī)床坐標(biāo)系來描述，如圖2所示。請(qǐng)按圖2中按鈕觀察機(jī)床坐標(biāo)系的相互關(guān)系。 圖2數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系用右手笛卡爾直角坐標(biāo)系決定：1)伸出右手的大拇指、食指和中指，并互為90度。則大拇指代表X坐標(biāo)，食指代表Y坐標(biāo)，中指代表Z坐標(biāo)。 2)大拇指的指向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向，食指的指向?yàn)閅坐標(biāo)的正方向，中指的指向?yàn)閆坐標(biāo)的正方向。 3)圍繞X、Y、Z坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別用A、B、C表示，根據(jù)右手螺旋定則，大拇指的指向?yàn)閄、Y、Z坐標(biāo)中任意一軸的正向，則其余四指的旋轉(zhuǎn)方向即為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C的正向。 請(qǐng)按圖3中按鈕觀察機(jī)床運(yùn)動(dòng)的方向 （3）運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)定 增大刀具與工件距離的方向即為各坐標(biāo)軸的正方向。 坐標(biāo)系 - 坐標(biāo)軸方向確定圖3 數(shù)控車床的Z坐標(biāo)1、Z坐標(biāo) Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向是由傳遞切削動(dòng)力的主軸所決定的，即平行于主軸軸線的坐標(biāo)軸即為Z坐標(biāo)，Z坐標(biāo)的正向?yàn)榈毒唠x開工件的方向。 如果機(jī)床上有幾個(gè)主軸，則選一個(gè)垂直于工件裝夾平面的主軸方向?yàn)閆坐標(biāo)方向；如果主軸能夠擺動(dòng)，則選垂直于工件裝夾平面的方向?yàn)閆坐標(biāo)方向；如果機(jī)床無主軸，則選垂直于工件裝夾平面的方向?yàn)閆坐標(biāo)方向。圖3 所示為數(shù)控車床的Z坐標(biāo)。 圖4 數(shù)控車床的x坐標(biāo)2、X坐標(biāo) X坐標(biāo)平行于工件的裝夾平面，一般在水平面內(nèi)。 如果工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則刀具離開工件的方向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向； 如果刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則分為兩種情況： 1)Z坐標(biāo)水平時(shí)，觀察者沿刀具主軸向工件看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方； 2)Z坐標(biāo)垂直時(shí)，觀察者面對(duì)刀具主軸向立柱看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方。 圖4所示為數(shù)控車床的X坐標(biāo)。 圖5 數(shù)控車床的Y坐標(biāo)。2、 Y坐標(biāo) 在確定X、Z坐標(biāo)的正方向后，可以用根據(jù)X和Z坐標(biāo)的方向，按照右手直角坐標(biāo)系來確定Y坐標(biāo)的方向。 圖5所示為數(shù)控車床的Y坐標(biāo)。 根據(jù)圖4所示的數(shù)控立式銑床結(jié)構(gòu)圖，試確定X、Y、Z直線坐標(biāo)。 (1)Z坐標(biāo)：平行于主軸，刀具離開工件的方向?yàn)檎?(2)X坐標(biāo)：Z坐標(biāo)垂直，且刀具旋轉(zhuǎn)，所以面對(duì)刀具主軸向立柱方向看，向右為正。 (3)Y坐標(biāo)：在Z、X坐標(biāo)確定后，用右手直角坐標(biāo)系來確定。 坐標(biāo)系 - 編程坐標(biāo)系圖6 編程坐標(biāo)系編程坐標(biāo)系編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標(biāo)系。 編程坐標(biāo)系一般供編程使用，確定編程坐標(biāo)系時(shí)不必考慮工件毛坯在機(jī)床上的實(shí)際裝夾位置。如圖6所示。 編程原點(diǎn)是根據(jù)加工零件圖樣及加工工藝要求選定的編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)。 編程原點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)上，編程坐標(biāo)系中各軸的方向應(yīng)該與所使用的數(shù)控機(jī)床相應(yīng)的坐標(biāo)軸方向一致，如圖7所示為車削零件的編程原點(diǎn)。 圖7 車削零件的編程原點(diǎn)坐標(biāo)系 - 加工坐標(biāo)系圖8 齒輪坯 1、加工坐標(biāo)系的確定 加工坐標(biāo)系是指以確定的加工原點(diǎn)為基準(zhǔn)所建立的坐標(biāo)系。 加工原點(diǎn)也稱為程序原點(diǎn)，是指零件被裝夾好后，相應(yīng)的編程原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。 在加工過程中，數(shù)控機(jī)床是按照工件裝夾好后所確定的加工原點(diǎn)位置和程序要求進(jìn)行加工的。編程人員在編制程序時(shí)，只要根據(jù)零件圖樣就可以選定編程原點(diǎn)、建立編程坐標(biāo)系、計(jì)算坐標(biāo)數(shù)值，而不必考慮工件毛坯裝夾的實(shí)際位置。對(duì)于加工人員來說，則應(yīng)在裝夾工件、調(diào)試程序時(shí)，將編程原點(diǎn)轉(zhuǎn)換為加工原點(diǎn)，并確定加工原點(diǎn)的位置，在數(shù)控系統(tǒng)中給予設(shè)定（即給出原點(diǎn)設(shè)定值），設(shè)定加工坐標(biāo)系后就可根據(jù)刀具當(dāng)前位置，確定刀具起始點(diǎn)的坐標(biāo)值。在加工時(shí)，工件各尺寸的坐標(biāo)值都是相對(duì)于加工原點(diǎn)而言的,這樣數(shù)控機(jī)床才能按照準(zhǔn)確的加工坐標(biāo)系位置開始加工。圖8中O2為編程原點(diǎn)。 圖9 加工坐標(biāo)系設(shè)置2、加工坐標(biāo)系的設(shè)定 方法一：在機(jī)床坐標(biāo)系中直接設(shè)定加工原點(diǎn)。（1）加工坐標(biāo)系的選擇 編程原點(diǎn)設(shè)置在工件軸心線與工件底端面的交點(diǎn)上。 設(shè)工作臺(tái)工作面尺寸為800mm320mm，若工件裝夾在接近工作臺(tái)中間處，則確定了加工坐標(biāo)系的位置，其加工原點(diǎn)03就在距機(jī)床原點(diǎn)O1為X3、Y3、Z3處。并且X3=-345.700mm, Y3=-196.22mm, Z3=-53.165mm。 （2）設(shè)定加工坐標(biāo)系指令 1）G54G59為設(shè)定加工坐標(biāo)系指令。G54對(duì)應(yīng)一號(hào)工件坐標(biāo)系，其余以此類推。可在MDI 方式的參數(shù)設(shè)置頁面中，設(shè)定加工坐標(biāo)系。如對(duì)已選定的加工原點(diǎn)O3，將其坐標(biāo)值 圖10 加工坐標(biāo)系設(shè)置X3= -345.700mm Y3= -196.220mm Z3=-53.165mm 設(shè)在G54中，如圖10所示。則表明在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)定了一號(hào)工件加工坐標(biāo)。設(shè)置頁面如圖10。2）G54G59在加工程序中出現(xiàn)時(shí)，即選擇了相應(yīng)的加工坐標(biāo)系。 方法二：通過刀具起始點(diǎn)來設(shè)定加工坐標(biāo)系。 圖11設(shè)定加工坐標(biāo)系（1）加工坐標(biāo)系的選擇 加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)可設(shè)定在相對(duì)于刀具起始點(diǎn)的某一符合加工要求的空間點(diǎn)上。 應(yīng)注意的是，當(dāng)機(jī)床開機(jī)回參考點(diǎn)之后，無論刀具運(yùn)動(dòng)到哪一點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其位置都是已知的。也就是說，刀具起始點(diǎn)是一個(gè)已知點(diǎn)。 （2）設(shè)定加工坐標(biāo)系指令G92為設(shè)定加工坐標(biāo)系指令。在程序中出現(xiàn)G92程序段時(shí)，即通過刀具當(dāng)前所在位置即刀具起始點(diǎn)來設(shè)定加工坐標(biāo)系。 G92指令的編程格式：G92 X a Y b Z c 該程序段運(yùn)行后，就根據(jù)刀具起始點(diǎn)設(shè)定了加工原點(diǎn)，如圖11所示。 從圖11中可看出，用G92設(shè)置加工坐標(biāo)系，也可看作是：在加工坐標(biāo)系中，確定刀具起始點(diǎn)的坐標(biāo)值，并將該坐標(biāo)值寫入G92編程格式中。 例題：在圖5中，當(dāng)a=50mm,b=50mm,c=10mm時(shí)，試用G92指令設(shè)定加工坐標(biāo)系。 設(shè)定程序段為 G92 X50 Y50 Z10。 坐標(biāo)系 - 機(jī)床加工坐標(biāo)系設(shè)定圖12 零件圖樣1、數(shù)控銑床（FANUC 0M）加工坐標(biāo)系的設(shè)定步驟在選擇了圖12所示的被加工零件圖樣，并確定了編程原點(diǎn)位置后，可按以下方法進(jìn)行加工坐標(biāo)系設(shè)定： （1）準(zhǔn)備工作 機(jī)床回參考點(diǎn)，確認(rèn)機(jī)床坐標(biāo)系； （2）裝夾工件毛坯 通過夾具使零件定位，并使工件定位基準(zhǔn)面與機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向一致； （3）對(duì)刀測(cè)量 用簡易對(duì)刀法測(cè)量，方法如下： 用直徑為10的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量棒、塞尺對(duì)刀，得到測(cè)量值為X = -437.726, Y = -298.160,如圖2所示。Z = -31.833，如圖13所示。 （4）計(jì)算設(shè)定值 將前面已測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù),按設(shè)定要求運(yùn)算。 X坐標(biāo)設(shè)定值：X= -437.726+5+0.1+40= -392.626mm 注：如圖13所示。 圖13 XY向?qū)Φ斗?437.726mm為X坐標(biāo)顯示值； +5mm為測(cè)量棒半徑值； +0.1mm為塞尺厚度； +40.0為編程原點(diǎn)到工件定位基準(zhǔn)面在X坐標(biāo)方向的距離。 Y坐標(biāo)設(shè)定值：Y= -298.160+5+0.1+46.5= -246.46mm 注：如圖2所示，-298.160mm為坐標(biāo)顯示值；+5mm為測(cè)量棒半徑值；+0.1mm為塞尺厚度；+46.5為編程原點(diǎn)到工件定位基準(zhǔn)面在Y坐標(biāo)方向的距離。 Z坐標(biāo)設(shè)定值：Z= -31.833-0.2=-32.033mm。 注：-31.833為坐標(biāo)顯示值；-0.2為塞尺厚度,如圖3所示。 通過計(jì)算結(jié)果為：X -392.626；Y -246.460；Z -32.033 （5）設(shè)定加工坐標(biāo)系 將開關(guān)放在 MDI 方式下，進(jìn)入加工坐標(biāo)系設(shè)定頁面。輸入數(shù)據(jù)為: X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033 表示加工原點(diǎn)設(shè)置在機(jī)床坐標(biāo)系的X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033 的位置上。 圖14 Z向?qū)Φ斗ǎ?）校對(duì)設(shè)定值 對(duì)于初學(xué)者，在進(jìn)行了加工原點(diǎn)的設(shè)定后，應(yīng)進(jìn)一步校對(duì)設(shè)定值，以保證參數(shù)的正確性。 校對(duì)工作的具體過程如下：在設(shè)定了G54加工坐標(biāo)系后，再進(jìn)行回機(jī)床參考點(diǎn)操作，其顯示值為 X +392.626 Y +246.460 Z +32.033 這說明在設(shè)定了G54加工坐標(biāo)系后，機(jī)床原點(diǎn)在加工坐標(biāo)系中的位置為： X +392.626 Y +246.460 Z +32.033 這反過來也說明G54的設(shè)定值是正確的。 2、注意事項(xiàng) （1）G54G59設(shè)置加工坐標(biāo)系的方法是一樣的，但在實(shí)際情況下，機(jī)床廠家為了用戶的不同需要，在使用中有以下區(qū)別：利用G54設(shè)置機(jī)床原點(diǎn)的情況下，進(jìn)行回參考點(diǎn)操作時(shí)機(jī)床坐標(biāo)值顯示為G54的設(shè)定值，且符號(hào)均為正；利用G55G59設(shè)置加工坐標(biāo)系的情況下，進(jìn)行回參考點(diǎn)操作時(shí)機(jī)床坐標(biāo)值顯示零值。 （2）G92指令與G54G59指令都是用于設(shè)定工件加工坐標(biāo)系的，但在使用中是有區(qū)別的。G92指令是通過程序來設(shè)定、選用加工坐標(biāo)系的，它所設(shè)定的加工坐標(biāo)系原點(diǎn)與當(dāng)前刀具所在的位置有關(guān)，這一加工原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置是隨當(dāng)前刀具位置的不同而改變的。 （3）G54G59指令是通過MDI在設(shè)置參數(shù)方式下設(shè)定工件加工坐標(biāo)系的，一旦設(shè)定，加工原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置是不變的，它與刀具的當(dāng)前位置無關(guān)，除非再通過MDI 方式修改。 （4）本課程所例加工坐標(biāo)系的設(shè)置方法，僅是