数控编程中的坐标系建立概念及测头自动对刀刀具补偿

1.刀具位置

刀位是刀具上的一个参考点，刀位相对运动的路径就是加工路径，也称为编程路径。

2.刀具设置和刀具设置点

对刀是指操作者在启动数控程序之前，通过一定的测量手段使刀具位置与对刀点重合。使用对刀仪或数控测头进行对刀，操作简单，测量数据准确。也可以在数控机床上定位夹具和安装零件，然后用量块、塞尺、千分表等。使用数控机床上的坐标来设置刀具。对于操作者来说，确定对刀点是非常重要的，它将直接影响零件的加工精度和程序控制的精度。在批量生产过程中，更要注意对刀的重复精度。操作人员有必要加深对数控设备的了解，掌握更多的对刀技巧。

(1)刀具刀尖选择的原则

在机床上找正，加工时检查，编程时计算，容易导致对刀误差。可以选择零件上的一点(如零件的定位孔中心)或零件外的一点(如夹具或机床上的一点)进行对刀，但必须与零件的定位基准有一定的坐标关系。提高对刀的准确度和精度。即使零件要求精度不高或程序要求不严格，所选对刀位置的加工精度也要高于其他位置。选择接触面大、易于监控、加工过程稳定的零件作为对刀点。对刀点应尽可能与设计基准或工艺基准统一，避免因尺寸换算导致对刀精度甚至加工精度降低，增加数控程序或零件数控加工的难度。为了提高零件的加工精度，对刀点应尽可能选在零件的设计基准或工艺基准上。比如用孔定位的零件，以孔的中心为对刀点比较合适。对刀精度不仅取决于数控设备的精度，还取决于零件加工的要求。手动检查对刀精度，提高零件数控加工质量。特别是在批量生产中，要考虑对刀的重复精度，可以通过对刀相对于机床原点的坐标值来检查。

(2)刀点的选择方法

对于数控车床或车铣加工中心数控设备，由于中心位置(X0，Y0，A0)已经由数控设备确定，所以整个加工坐标系可以通过确定轴向位置来确定。因此，只需要确定轴向上的一个端面(Z0或相对位置)作为刀具设定点。对于三坐标数控铣床或三坐标加工中心来说，比数控车床或车铣加工中心复杂得多。根据数控程序的要求，不仅要确定坐标系的原点位置(X0，Y0，Z0)，还要确定加工坐标系G54，G55，G56，G57等。，有时取决于操作者的习惯。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上，但必须与零件的定位基准有一定的坐标关系。Z方向可以简单地通过确定一个容易检测的平面来确定，而X和Y方向则需要根据具体零件选择与定位基准相关的平面和圆。对于4轴或5轴数控设备，增加第4和第5旋转轴，类似于3轴数控设备对刀点的选择。因为设备更复杂，数控系统智能化，所以提供了更多的对刀方式，需要根据具体的数控设备和具体加工的零件来确定。可以简单地将刀具设定点和机床坐标系之间的坐标关系设定为相互关联。比如对刀点的坐标为(X0，Y0，Z0)，与加工坐标系的关系可以定义为(X0+Xr，Y0+Yr，Z0+Zr)，加工坐标系G54，G55，G56，G57等。，可通过控制面板或其他方式输入。这种方法非常灵活巧妙，为后续的数控加工带来了极大的便利。

3.零漂移现象

零点漂移现象是由数控设备周围的环境因素引起的。在相同的切削条件下，同一设备使用相同的夹具、数控程序和刀具加工相同的零件时，会出现加工尺寸不一致或精度降低的现象。零点漂移现象主要表现为数控加工过程中的一种精度降低现象或者可以理解为数控加工中的精度不一致现象。零点漂移现象在数控加工过程中是不可避免的，对于数控设备来说是常见的。一般受数控设备周围环境因素影响较大，严重时会影响数控设备的正常工作。影响零点漂移的因素很多，如温度、冷却液、刀具磨损、主轴转速和进给速度的大幅度变化等。

4.工具补偿

数控加工经过一定时期后，刀具磨损是不可避免的，主要表现在刀具长度和刀具半径的变化。所以刀具磨损补偿主要是指刀具长度补偿和刀具半径补偿。

5.刀具半径补偿

在零件轮廓加工中，由于刀具总是有一定的半径，如铣刀的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于被加工零件的实际轨迹，而是需要偏移一个刀具半径值，习惯上称为刀具半径补偿。因此，数控加工零件轮廓时，必须考虑刀具的半径值。需要指出的是，UG/CAM数控程序是用理想的加工状态和精确的刀具半径编程的，刀具轨迹是刀具中心轨迹，没有考虑数控设备的状态和刀具磨损程度对零件数控加工的影响。因此，无论是轮廓编程还是刀具中心编程，UG/CAM数控程序的实现都必须考虑刀具半径磨损的影响，合理利用刀具半径补偿。

6.刀具长度补偿

在数控铣床和镗床上，当刀具磨损或改变，使刀尖位置不在原加工的编程位置时，需要通过在刀具长度方向上延长或缩短一个偏移值来补偿其尺寸的变化，以保证加工深度或加工表面位置仍满足原设计要求。

7.机床坐标系

数控机床的坐标轴命名规定是机床的直线运动采用笛卡尔坐标系，其坐标命名为X、Y、Z，俗称基本坐标系。绕X、Y、Z坐标轴旋转或平行于X、Y、Z坐标轴旋转的运动分别称为A轴、B轴和C轴。根据右手螺旋定律确定A、B、C的正方向。Z轴:通常将传递切削力的主轴定义为Z轴。对于有刀具旋转的机床，如镗床、铣床、钻床等。，刀具旋转的轴称为Z轴。x轴:x轴通常平行于工件夹紧面，垂直于z轴。对于带有旋转刀具的机床，如卧式铣床和卧式镗床，右手方向是从刀具主轴到工件看X轴的正方向。当Z轴垂直时，对于单柱机床(如立式铣床),从刀具主轴看，右手方向是X轴的正方向。Y轴:Y轴垂直于X轴和Z轴，可以根据确定的X轴和Z轴以及右手笛卡尔坐标系确定其方向。

根据右手定则，旋转轴的定义是:绕X轴旋转为A轴，绕Y轴旋转为B轴，绕Z轴旋转为C轴。数控机床的坐标轴如下图所示。

机床原点是机床坐标系的坐标原点。机床上有一些固定的基准线，如主轴中心线；还有一些固定的基准面，如台面、主轴端面、工作台侧面等。当机床各坐标轴手动返回各自原点时，可以利用各坐标轴部件上基准线与基准面之间的距离来确定机床原点的位置，这一点在数控机床的使用说明书中有说明。

8.零件加工坐标系和坐标原点

工件坐标系也称编程坐标系，是程序员在编程零件时，以工件上的一个固定点为原点建立的坐标系。零件坐标系的原点称为零件零点(零件原点或程序零点)，编程时的刀具轨迹坐标是根据零件轮廓在零件坐标系中的坐标确定的。加工坐标系的原点在机床坐标系中称为调整点。加工时，零件用夹具安装在机床上，零件的夹紧位置相对于机床是固定的，因此确定了零件坐标系在机床坐标系中的位置。此时测得的零件原点与机床原点之间的距离称为零件零偏，需要预先存储在数控系统中。在加工过程中，可以将零件原点的偏移量自动添加到零件的坐标系中，这样数控系统就可以根据机床的坐标系来确定加工过程中的绝对坐标值。因此，程序员可以利用数控系统的偏置功能，通过零件原点的偏置值来补偿零件在机床上的位置误差，而不用考虑零件在机床上的实际安装位置和精度。现在所有数控机床都有这个功能，用起来很方便。零件坐标系的位置基于机床坐标系。在一台数控机床上可以设置多个零件坐标系，这些坐标系存储在G54/G59等中。零件的零点一般位于零件的设计基准和工艺基准上，便于计算尺寸。一般数控设备可以预置几个工作坐标系(G54~G59)，这些坐标系存储在机床的存储器中。工作坐标系都是基于机床原点的，用各自相对于机床原点的偏移量来表示。需要事先输入机床数控系统，或者加工前设定的坐标系。加工坐标系(MCS)是零件加工中所有刀轨输出点的定位基准。加工坐标系用OM-XM-YM-ZM表示。有了加工坐标系，编程时就不用考虑工件在机床上的安装位置，而是根据工件的特点和尺寸进行编程。加工坐标系的原点是工件的加工零点。工件零点的位置是任意的，由程序员在编制数控加工程序时根据零件的特点选择。零点可以设置在加工工件上，也可以设置在夹具或机床上。为了提高零件的加工精度，工件的零点应尽可能选在精度较高的加工面上；为了便于数据处理和简化编程，工件的零点应尽可能设置在零件的设计基准或工艺基准上。对于对称的零件，最好将工件的零点设置在对称中心上，这样便于查找和检查。

9.夹紧原点

夹紧原点常见于带有旋转(或摆动)工作台的数控机床和加工中心，如回转中心。从机床参考点的偏移可以通过测量存储在CNC系统的原点偏移寄存器中，其可以用于CNC系统的原点偏移的计算。