坐標系的應用.doc

坐標系 - 應用坐標在數(shù)控機床應用為描述物體所在位置和運動規(guī)律而選取的參考基準。導航和制導技術的主要任務就是確定飛行器所在位置，并使它以正確方向和運動方式飛向預定目標。因此在軌道計算、控制、導引和測量等工作中都涉及參考基準的選擇和轉(zhuǎn)換問題。在航空、航天技術中，常用的坐標系是右手直角坐標系或球面坐標系。右手直角坐標系由原點和從原點延伸的 3個互相垂直、按右手規(guī)則排列順序的坐標軸構(gòu)成。建立直角坐標系需要確定原點的位置和3個坐標軸的方向。物體在空間的位置可以用從原點分別量到物體在 3個坐標軸上投影位置間的線段長度來描述。球面坐標系(如天文學中的天球)由原點和基面組成，以原點為中心的任意球面與基面的交線稱基圓，通過原點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與物體位置連線間的夾角。矢徑是從原點到物體位置的直線距離。航空、航天技術涉及的空間范圍極廣，在導航定位、飛行力學和地面測量中常用的坐標系主要是按原點位置來區(qū)分。坐標原點與太陽、地球或其他星體中心相重合的稱為星體中心坐標系；原點在星體表面的稱為星體表面坐標系；原點在天體之外的稱為宇宙中心坐標系；原點在飛行器內(nèi)部的稱為飛行器牽連坐標系。各坐標系間都存在一定的幾何關系，可以用球面三角，四元素法或方向余弦等數(shù)學方法相互轉(zhuǎn)坐標系 - 數(shù)控坐標系數(shù)控機床的加工是由程序控制完成的，所以坐標系的確定與使用非常重要。根據(jù)ISO841標準，數(shù)控機床坐標系用右手笛卡兒坐標系作為標準確定。數(shù)控車床平行于主軸方向即縱向為Z軸，垂直于主軸方向即橫向為X軸，刀具遠離工件方向為正向。 數(shù)控車床有三個坐標系即機械坐標系、編程坐標系和工件坐標系。1、機械坐標系的原點是生產(chǎn)廠家在制造機床時的固定坐標系原點，也稱機械零點。它是在機床裝配、調(diào)試時已經(jīng)確定下來的，是機床加工的基準點。在使用中機械坐標系是由參考點來確定的，機床系統(tǒng)啟動后，進行返回參考點操作，機械坐標系就建立了。坐標系一經(jīng)建立，只要不切斷電源，坐標系就不會變化。2、編程坐標系是編程序時使用的坐標系，一般把我們把Z軸與工件軸線重合，X軸放在工件端面上。工件坐標系是機床進行加工時使用的坐標系，它應該與編程坐標系一致。能否讓編程坐標系與工坐標系一致，使操作的關鍵。 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)的機械坐標系確定基本相同，都是在系統(tǒng)啟動后回參考點確定。 工件坐標系 3、工件坐標系（ Workpiece Coordinate System ）固定于工件上的笛卡爾坐標系，是編程人員在編制程序時用來確定刀具和程序起點的，該坐標系的原點可使用人員根據(jù)具體情況確定，但坐標軸的方向應與機床坐標系一致并且與之有確定的尺寸關系。坐標系 - 機床坐標系確定 圖1立式數(shù)控銑床1、 機床相對運動的規(guī)定 工件相對靜止，而刀具運動。 在機床上，始終認為工件靜止，而刀具是運動的。這樣編程人員在不考慮機床上工件與刀具具體運動的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機床的加工過程。 2、機床坐標系的規(guī)定 標準機床坐標系中X、Y、Z坐標軸的相互關系用右手笛卡爾直角坐標系決定。 在數(shù)控機床上，機床的動作是由數(shù)控裝置來控制的，為了確定數(shù)控機床上的成形運動和輔助運動，必須先確定機床上運動的位移和運動的方向，這就需要通過坐標系來實現(xiàn)，這個坐標系被稱之為機床坐標系。例如銑床上，有機床的縱向運動、橫向運動以及垂向運動，如圖1所示。在數(shù)控加工中就應該用機床坐標系來描述，如圖2所示。請按圖2中按鈕觀察機床坐標系的相互關系。 圖2數(shù)控機床坐標系標準機床坐標系中X、Y、Z坐標軸的相互關系用右手笛卡爾直角坐標系決定：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，食指代表Y坐標，中指代表Z坐標。 2)大拇指的指向為X坐標的正方向，食指的指向為Y坐標的正方向，中指的指向為Z坐標的正方向。 3)圍繞X、Y、Z坐標旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標分別用A、B、C表示，根據(jù)右手螺旋定則，大拇指的指向為X、Y、Z坐標中任意一軸的正向，則其余四指的旋轉(zhuǎn)方向即為旋轉(zhuǎn)坐標A、B、C的正向。 請按圖3中按鈕觀察機床運動的方向 （3）運動方向的規(guī)定 增大刀具與工件距離的方向即為各坐標軸的正方向。 坐標系 - 坐標軸方向確定圖3 數(shù)控車床的Z坐標1、Z坐標 Z坐標的運動方向是由傳遞切削動力的主軸所決定的，即平行于主軸軸線的坐標軸即為Z坐標，Z坐標的正向為刀具離開工件的方向。 如果機床上有幾個主軸，則選一個垂直于工件裝夾平面的主軸方向為Z坐標方向；如果主軸能夠擺動，則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標方向；如果機床無主軸，則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標方向。圖3 所示為數(shù)控車床的Z坐標。 圖4 數(shù)控車床的x坐標2、X坐標 X坐標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)運動，則刀具離開工件的方向為X坐標的正方向； 如果刀具做旋轉(zhuǎn)運動，則分為兩種情況： 1)Z坐標水平時，觀察者沿刀具主軸向工件看時，+X運動方向指向右方； 2)Z坐標垂直時，觀察者面對刀具主軸向立柱看時，+X運動方向指向右方。 圖4所示為數(shù)控車床的X坐標。 圖5 數(shù)控車床的Y坐標。2、 Y坐標 在確定X、Z坐標的正方向后，可以用根據(jù)X和Z坐標的方向，按照右手直角坐標系來確定Y坐標的方向。 圖5所示為數(shù)控車床的Y坐標。 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。 (1)Z坐標：平行于主軸，刀具離開工件的方向為正。 (2)X坐標：Z坐標垂直，且刀具旋轉(zhuǎn)，所以面對刀具主軸向立柱方向看，向右為正。 (3)Y坐標：在Z、X坐標確定后，用右手直角坐標系來確定。 坐標系 - 編程坐標系圖6 編程坐標系編程坐標系編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標系。 編程坐標系一般供編程使用，確定編程坐標系時不必考慮工件毛坯在機床上的實際裝夾位置。如圖6所示。 編程原點是根據(jù)加工零件圖樣及加工工藝要求選定的編程坐標系的原點。 編程原點應盡量選擇在零件的設計基準或工藝基準上，編程坐標系中各軸的方向應該與所使用的數(shù)控機床相應的坐標軸方向一致，如圖7所示為車削零件的編程原點。 圖7 車削零件的編程原點坐標系 - 加工坐標系圖8 齒輪坯 1、加工坐標系的確定 加工坐標系是指以確定的加工原點為基準所建立的坐標系。 加工原點也稱為程序原點，是指零件被裝夾好后，相應的編程原點在機床坐標系中的位置。 在加工過程中，數(shù)控機床是按照工件裝夾好后所確定的加工原點位置和程序要求進行加工的。編程人員在編制程序時，只要根據(jù)零件圖樣就可以選定編程原點、建立編程坐標系、計算坐標數(shù)值，而不必考慮工件毛坯裝夾的實際位置。對于加工人員來說，則應在裝夾工件、調(diào)試程序時，將編程原點轉(zhuǎn)換為加工原點，并確定加工原點的位置，在數(shù)控系統(tǒng)中給予設定（即給出原點設定值），設定加工坐標系后就可根據(jù)刀具當前位置，確定刀具起始點的坐標值。在加工時，工件各尺寸的坐標值都是相對于加工原點而言的,這樣數(shù)控機床才能按照準確的加工坐標系位置開始加工。圖8中O2為編程原點。 圖9 加工坐標系設置2、加工坐標系的設定 方法一：在機床坐標系中直接設定加工原點。（1）加工坐標系的選擇 編程原點設置在工件軸心線與工件底端面的交點上。 設工作臺工作面尺寸為800mm320mm，若工件裝夾在接近工作臺中間處，則確定了加工坐標系的位置，其加工原點03就在距機床原點O1為X3、Y3、Z3處。并且X3=-345.700mm, Y3=-196.22mm, Z3=-53.165mm。 （2）設定加工坐標系指令 1）G54G59為設定加工坐標系指令。G54對應一號工件坐標系，其余以此類推?？稍贛DI 方式的參數(shù)設置頁面中，設定加工坐標系。如對已選定的加工原點O3，將其坐標值 圖10 加工坐標系設置X3= -345.700mm Y3= -196.220mm Z3=-53.165mm 設在G54中，如圖10所示。則表明在數(shù)控系統(tǒng)中設定了一號工件加工坐標。設置頁面如圖10。2）G54G59在加工程序中出現(xiàn)時，即選擇了相應的加工坐標系。 方法二：通過刀具起始點來設定加工坐標系。 圖11設定加工坐標系（1）加工坐標系的選擇 加工坐標系的原點可設定在相對于刀具起始點的某一符合加工要求的空間點上。 應注意的是，當機床開機回參考點之后，無論刀具運動到哪一點，數(shù)控系統(tǒng)對其位置都是已知的。也就是說，刀具起始點是一個已知點。 （2）設定加工坐標系指令G92為設定加工坐標系指令。在程序中出現(xiàn)G92程序段時，即通過刀具當前所在位置即刀具起始點來設定加工坐標系。 G92指令的編程格式：G92 X a Y b Z c 該程序段運行后，就根據(jù)刀具起始點設定了加工原點，如圖11所示。 從圖11中可看出，用G92設置加工坐標系，也可看作是：在加工坐標系中，確定刀具起始點的坐標值，并將該坐標值寫入G92編程格式中。 例題：在圖5中，當a=50mm,b=50mm,c=10mm時，試用G92指令設定加工坐標系。 設定程序段為 G92 X50 Y50 Z10。 坐標系 - 機床加工坐標系設定圖12 零件圖樣1、數(shù)控銑床（FANUC 0M）加工坐標系的設定步驟在選擇了圖12所示的被加工零件圖樣，并確定了編程原點位置后，可按以下方法進行加工坐標系設定： （1）準備工作 機床回參考點，確認機床坐標系； （2）裝夾工件毛坯 通過夾具使零件定位，并使工件定位基準面與機床運動方向一致； （3）對刀測量 用簡易對刀法測量，方法如下： 用直徑為10的標準測量棒、塞尺對刀，得到測量值為X = -437.726, Y = -298.160,如圖2所示。Z = -31.833，如圖13所示。 （4）計算設定值 將前面已測得的各項數(shù)據(jù),按設定要求運算。 X坐標設定值：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坐標顯示值； +5mm為測量棒半徑值； +0.1mm為塞尺厚度； +40.0為編程原點到工件定位基準面在X坐標方向的距離。 Y坐標設定值：Y= -298.160+5+0.1+46.5= -246.46mm 注：如圖2所示，-298.160mm為坐標顯示值；+5mm為測量棒半徑值；+0.1mm為塞尺厚度；+46.5為編程原點到工件定位基準面在Y坐標方向的距離。 Z坐標設定值：Z= -31.833-0.2=-32.033mm。 注：-31.833為坐標顯示值；-0.2為塞尺厚度,如圖3所示。 通過計算結(jié)果為：X -392.626；Y -246.460；Z -32.033 （5）設定加工坐標系 將開關放在 MDI 方式下，進入加工坐標系設定頁面。輸入數(shù)據(jù)為: X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033 表示加工原點設置在機床坐標系的X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033 的位置上。 圖14 Z向?qū)Φ斗ǎ?）校對設定值 對于初學者，在進行了加工原點的設定后，應進一步校對設定值，以保證參數(shù)的正確性。 校對工作的具體過程如下：在設定了G54加工坐標系后，再進行回機床參考點操作，其顯示值為 X +392.626 Y +246.460 Z +32.033 這說明在設定了G54加工坐標系后，機床原點在加工坐標系中的位置為： X +392.626 Y +246.460 Z +32.033 這反過來也說明G54的設定值是正確的。 2、注意事項 （1）G54G59設置加工坐標系的方法是一樣的，但在實際情況下，機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設置機床原點的情況下，進行回參考點操作時機床坐標值顯示為G54的設定值，且符號均為正；利用G55G59設置加工坐標系的情況下，進行回參考點操作時機床坐標值顯示零值。 （2）G92指令與G54G59指令都是用于設定工件加工坐標系的，但在使用中是有區(qū)別的。G92指令是通過程序來設定、選用加工坐標系的，它所設定的加工坐標系原點與當前刀具所在的位置有關，這一加工原點在機床坐標系中的位置是隨當前刀具位置的不同而改變的。 （3）G54G59指令是通過MDI在設置參數(shù)方式下設定工件加工坐標系的，一旦設定，加工原點在機床坐標系中的位置是不變的，它與刀具的當前位置無關，除非再通過MDI 方式修改。 （4）本課程所例加工坐標系的設置方法，僅是