略論數控機床坐標系教學難點的突破方法

【摘 要】數控機床的坐標系統是數控機床編程操作教學中的一個重點內容，其難點體現在機床坐標系、機床參考點和工件坐標系三者的作用及相互關系上，本文探討了這三方面教學難點的突破方法。

【關鍵詞】 機床坐標系 機床參考點 工件坐標系

【文獻編碼】 doi:10.3969/j.issn.0450-9889（C）.2011.04.058

數控機床的動作是由數控系統發出的指令來控制的，為了確定機床的運動方向和移動的距離，就要在機床上建立一個坐標系。在編制程序時，技術員也要通過坐標系來描述刀具的運動軌跡。因此，數控機床的坐標系統是數控機床編程操作教學中的一個重要內容。由于數控機床種類繁多且結構各異，加之機床坐標系統涉及的概念較多，學生不容易清晰掌握數控機床坐標系統的相關知識，從而對后續編程及操作內容的學習造成了不利的影響。數控機床坐標系統的教學難點在于：機床坐標系原點（機床原點）的位置；工件坐標系與機床參考點的關系；工件坐標系與機床坐標系的關系。本文擬探討突破上述教學難點的方法。

一、 機床坐標系原點位置的確定

（一） 機床坐標系原點位置的定義

根據坐標原點位置的定義，數控機床中的坐標系分為機床坐標系和工件坐標系。機床坐標系是機床固有的坐標系，機床坐標系的原點也被稱為機床原點。機床原點在機床經設計和制造調整后便被確定下來，它是固定的點。

在教學中應強調機床原點是相對于機床夾具的位置固定，而不是相對床身的位置固定。因為在數控機床上規定以工件為參照物來描述刀具的運動，當工件安裝到位后與夾具的位置就固定不變，所以將機床原點固定在夾具上就方便描述刀具與工件之間的相對運動關系。

車床的夾具通常為卡盤，因此數控車床的機床原點一般設在卡盤前端面或卡盤后端面的中心（見圖1）。數控銑床的機床原點一般設在刀具相對工作臺沿坐標軸正方向運動的行程極限位置（見圖2），即當刀具相對工作臺沿各個坐標軸的正方向運動到行程極限位置后，銑刀的刀位點就位于機床原點上。

（二） 機床原點與機床參考點的關系

教學中可以用圖3所示的例子說明機床參考點的作用。假設數控系統不知道當前刀位點在機床坐標系中的位置，但已知A點在坐標系中的坐標值，如何讓數控系統找到刀位點在坐標系中的位置呢？由于A點與機床原點的相互位置是固定的，因而只要讓刀具定位到A點，就能確定刀具在坐標系中的坐標值。將A點稱為“參考點”。

為了讓數控系統正確地在機床工作時確定刀具在機床坐標系中的位置，機床制造廠家在每個坐標軸的移動范圍內設置一個機床參考點。機床開機時，通常要讓刀具執行回參考點的操作（也稱為回零操作），讓刀位點運動到參考點上。機床參考點一般設置在刀具相對夾具沿坐標軸正向運動的行程極限位置（見圖4）。

機床廠在各個坐標軸行程正向的極限位置設置機械擋塊，當機床移動部件上的行程開關與擋塊接觸時，數控系統就收到一個到位信號，然后讓坐標軸停止運動。因此，每次機床執行回參考點操作后，刀具都會移動到一個固定位置上。

機床參考點相對機床原點的坐標值由機床廠經過測量后，以系統參數的形式存儲在數控系統當中。當返回參考點的操作完成后，數控系統將該坐標值作為刀位點在機床坐標系中的坐標值顯示出來，表明機床坐標系已經建立。值得注意的是，數控車床的參考點與機床原點通常不重合，而數控銑床的參考點與機床原點則通常是重合的。

二、 工件坐標系與機床坐標系的關系

在教學中介紹工件坐標系時，應首先說明工件的概念以及建立工件坐標系的必要性。工件是機械加工中的加工對象，它可以是單個零件，也可以是固定在一起的幾個零件的組合體。由于工件毛坯每次在機床上的安裝位置是不固定的（見圖5），這樣使得加工同一類零件，用機床坐標系描述的刀具運動軌跡的坐標值會不一樣，就造成針對同一類型零件要編寫不同的加工程序。因此，在加工時用機床坐標系來描述刀具與工件的相對運動并不方便。

如果在工件上建立一個坐標系（見圖6），這樣無論工件毛胚安裝在工作臺的任何位置，用該坐標系描述的刀具與工件相對運動軌跡的坐標值是不變的，也就是說在該坐標系下針對同一類零件編寫的加工程序可以保持不變。建立在工件上的坐標系稱為工件坐標系，工件坐標系的原點稱為工件原點或編程原點。要注意，工件原點是由編程者根據工件特點人為地設定在工件上的。

編程時首先根據被加工零件的幾何形狀和尺寸，在零件圖上設定工件坐標系（工件原點），使零件圖上的所有幾何元素在坐標系中都有確定的位置，為編程提供軌跡和運動方向。建立在零件圖上的工件坐標系也稱為編程坐標系，其原點稱為編程原點。當工件毛坯在機床上裝夾就位后，我們需要通過對刀操作讓數控系統掌握工件原點的位置，也就是要確定工件原點在機床坐標系中的坐標值。這樣數控系統就能通過執行在編程坐標系中編寫的加工程序，控制刀具在工件坐標系中運動，加工出合格的工件（零件）。

在教學中還需要強調兩個注意事項：一是工件毛坯裝夾到機床后，應使工件坐標系與機床坐標系的坐標軸方向保持一致；二是工件毛坯裝夾到機床后，工件原點與機床原點的相對位置就保持不變（見圖6）。

三、 絕對坐標與增量坐標

絕對坐標與增量坐標的概念較容易理解。刀具（或機床）運動軌跡的坐標值是相對于固定的坐標原點給出的，即稱為絕對坐標；刀具（或機床）運動軌跡的坐標值是相對于前一位置（起點）來計算的，即稱為增量坐標。在教學中要注意，數控機床中只有兩種類型的坐標系統，既機床坐標系和工件坐標系，絕對坐標與增量坐標僅是兩種對坐標值的描述方式。

綜上，數控機床的坐標系統是數控機床編程操作教學中的一項重點內容，同時也是難點內容。上述對數控機床坐標系統當中關于機床原點、機床參考點和工件原點的作用及其相互關系的分析，將有助于厘清學習數控機床坐標系統的思路，突破教學難點，讓學生正確掌握數控機床坐標系統的相關知識。

【參考文獻】

［1］陸曲波.數控加工編程與操作［M］. 廣州：華南理工大學出版社，2005

［2］任輝.淺議數控機床坐標系中的“特殊點”［J］.裝備制造技術，2009（7）

［3］鐘麗珠.數控加工編程與操作［M］.北京：北京理工大學出版社，2009

【作者簡介】韓雪松（1978- ），男，河北衡水人，廣西水利電力職業技術學院講師，碩士，研究方向：數控技術。

（責編 吳 筱）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文