西門子802Se數控車系統中工件坐標系的建立與對刀

倪 娟

（運城學院機電工程系,山西 運城 044000）

數控加工是利用計算機將數控程序編譯為數字信息，從而實現對機床運動軌跡的控制。為了精確地完成加工過程，操作者在運行程序之前，就必須正確地建立起機床坐標系和工件坐標系的相對關系，這就需要對刀。但是對于初學者，在學習的過程當中往往只是記住操作的過程，并不理解其中的原理。從而導致對刀的效率較低，或是換了其它品牌的數控系統后無法很快掌握對刀方法。本文就以SINUMERIK802Se數控系統為例，詳細介紹在數控車削加工中，對刀與工件坐標系建立的原理。

1 數控車床的坐標系統

數控程序中的坐標信息均以編程坐標系為依據，而機床在加工的過程中是以機床原點為依據對移動部件的運動軌跡進行控制的。所以，首先應掌握數控機床中的各坐標系統及相互關系。

1.1 機床坐標系

機床坐標系是機床上固有的坐標系，設有固定的坐標原點，稱為機床原點（有時也稱為機床零點）。它由機床生產廠家設定，一般不允許用戶隨意改動。機床原點一般設在卡盤前端面或后端面的中心，有時也設在靠近正向行程極限的位置上，可通過“回參考點”的操作建立起機床坐標系。

1.2 機床參考點

機床參考點是機床制造廠在機床上設置的，通過末端行程開關粗測定，又用測量系統精測定的一個固定點，通常位于工作臺運行范圍的一個角上。

機床參考點對機床原點的坐標是一個已知定值，故可以根據機床參考點在機床坐標系中的坐標值間接確定機床原點的位置。回參考點操作后，顯示器即顯示出機床參考點在機床坐標系中的坐標值。

1.3 編程坐標系

編程坐標系是在零件圖紙上建立的，由編程人員依據編程的方便自行確定，是程序中坐標值的基準。所以，編程坐標系僅用于程序的編制，與機床坐標系無關[1]。

1.4 工件坐標系

在SINUMERIK802Se中，工件坐標系是通過執行G54～G57程序段建立起來的。工件坐標系的建立就是確定當工件裝夾在機床上以后，編程坐標系在機床坐標系中的位置，是將機床坐標系和編程坐標系建立關系的過程。

對刀操作的實質就是找到編程原點在機床坐標系中的坐標值,再以該點為原點建立與編程坐標系一致的工件坐標系。建立工件坐標系后，機床才能正確地按照編程坐標數據對工件進行加工。

2 SINUMERIK802Se車削系統中工件坐標系的建立

SINUMERIK802Se系統中，通過零點偏移指令G54～G57來建立工件坐標系，其實質就是將編程原點在機床坐標系中的坐標值存儲在G54～G57所指定的原點偏置寄存器中，如圖1所示。

圖1 G54～G57建立工件坐標系

圖2 回參考點

這一過程可通過對刀來完成，數控車床上常用的對刀方法有三種：①試切對刀法，此方法操作簡單，但對刀時間長，對每一把刀具都要進行對刀操作；②機外對刀儀對刀，可自動計算各把刀刀長與刀寬的差值，并將其存入系統中，大大節約時間；③自動對刀，自動對刀是通過刀尖檢測系統實現的[2]。考慮機床成本,試切對刀法應用較廣，本文以此為例。

首先通過機床控制面板上的“回零”操作，使刀架返回參考點R，此時顯示器如圖2所示。由此可知，該機床參考點與機床原點重合。下面開始通過試切對刀建立工件坐標系：

2.1 Z向對刀

用外圓車刀沿“-X”車削工件端面,加工完后刀具Z坐標不變沿“+X”退刀遠離工件，如圖3a所示。按下“菜單”—“參數”—“零點偏移”，選擇G54～G57任一指令，將光標移至Z軸（此處選擇G54），然后“測量”—“計算”—“確認”，系統自動記錄工件原點相對機床原點Z方向坐標值，如圖3b所示。

圖3 Z向對刀原理

2.2 X向對刀

如圖4a所示，沿“-Z”車外圓，保持刀具X坐標不變“+Z”向退刀遠離工件,主軸停轉。使用游標卡尺測量剛才切削的外圓直徑,測量值是Φ75.756 mm。“菜單”——“參數”——“零點偏移”，將光標移至G54的X值處，“測量”—確認刀號。注意，此時刀具所在的位置與工件原點在X方向上還差一個半徑值。所以需將將光標移至“零偏”處，輸入直徑值“75.756”—“確認”，則系統自動沿著-X方向偏移一個半徑值，計算結果如圖4b所示。最終G54下所示坐標值即為工件原點在機床坐標系中的坐標值。

圖4 X向對刀原理

2.3 校驗

通過 MDI功能，輸入“G54 G01 X0 Z0 F0.2”，即可校驗此方法的正確性。

上述方法適合于在加工過程中不換刀，只用一把刀具進行。但是數控車床最少可裝4把刀，轉塔式的刀架一次可裝更多刀具，在加工過程中肯定要進行多次換刀操作，此時還需要通過對刀建立刀具補償。

3 設置刀補

將外圓車刀、切斷刀、螺紋刀分別裝在刀架的1號、2號、3號刀位上。

3.1 刀補建立的原因

在編程時，假設切削加工位上的每把刀的刀尖都是重合的。但是在實際裝刀時，其X、Z向的伸長量和位置均不同，即刀尖不可能完全重合，如圖5所示。當各刀轉至加工位置時，刀尖的位置就會產生偏差△X、△Z，那由前一把所建立的工件坐標系不再適用于其它刀具[3]。所以，必須確定一基準刀，并測出其它刀相對于基準刀在X向和Z向上的刀偏值，亦即刀具補償值。

圖5 刀補建立位置

3.2 建立坐標系

此時刀架上有多把刀具，一般選用外圓車刀作為基準刀，即1號刀，建立的方法同前所述，但此時G54當中的X值應設置為“0”，按下“參數”—“刀具補償”——“長度1”中—“對刀”，在軸X的“零偏”中輸入直徑75.756 mm，如圖6a所示，“計算”—“確認”。得圖6b所示畫面，則之前G54中工件原點X向坐標被存入基準刀的刀補長度L1中。

圖6 基準刀建立工件坐標系

3.3 設置刀具補償

調用2號刀,對2號刀進行對刀。其對刀過程如1號刀所述。①確定：移動2號刀使其輕觸端面，在“刀具補償”找到2號刀，光標移動到“長度L2”—“對刀”—軸 Z 中輸入“G54”，如圖 7 所示，“計算”—“確認”，則L2中即為2號刀相對于基準刀在Z方向上的偏移值；②確定：移動2號刀使其輕觸外圓，將光標移動至在刀具補償的“長度L1”中，“對刀”—“零偏”中輸入直徑值75.756 mm，如圖8所示，“計算”—“確認”。注意此時L1中記錄的并不是2號刀相對于1號刀在X向的偏移量，而是此時2號刀在機床坐標系中的坐標值。而實際的，由此可見，SINUMERIK802Se中刀補的L1記錄的是刀具在X向上的坐標值而不是偏移量，所以G54中的X值應為0。

3號刀刀補的建立同2號刀。

圖7 Z向刀具補償

圖8 X向刀具補償

3.4 校驗

校驗工件坐標系和刀具補償的方法如前所利用“MDI”功能。

4 結束語

綜上所述，G54～G57指令猶如寄存器的名稱，里面設置的應試工件原點在機床坐標系下的坐標值，而SINUMERIK802Se車削系統中，由于其刀具補償中的長度L1并不直接記錄，而是加工位上刀架參考點的X坐標值，故用G54～G57設置零點偏移時X應置0。生產中有各種數控系統，工件坐標系建立方法和刀補記錄方式亦有所不同，但其原理是一致的。掌握對刀原理是將編程和加工連接起來的關鍵環節，對提高數控編程技術、合理使用數控設備都具有重要意義。

[1]宋理敏，張子祥.數控車床對刀[J].機械管理開發2008（4）64-65.

[2]王申銀.數控車床的坐標系和常用對刀方法的比較[J].機械研究與應用 2006（1）16-18..

[3]李建龍.數控車床的對刀方法及其應用[J].裝備制造技術2007（5）87-90.

[4]任 東.數控加工中工件坐標系設定的幾種方法[J].機床與液壓 2004（1）135-136.