数控机床坐标系系统

数控机床坐标系系统概述数控加工的刀具与工件的相对位置必须在相应的坐标系下确定。应保证工件坐标系各坐标轴与机床坐标系各对应坐标轴平行，正方向一致，工件坐标系原点位置由对刀保证。统一规定数控机床坐标轴及其运动的方向，可使编程方便，也给维修和使用带来极大的方便。ISO和我国都拟定了命名的标准。数控机床坐标系系统一、数控机床坐标系的作用六、工件的运动机床坐标系的关系五、机床附加坐标系四、机床坐标系与工件坐标系的关系(难点)三、坐标轴运动方向的确定(重点)二、数控机床坐标系确定原则本节内容要点:数控机床坐标系系统一、数控机床坐标系的作用数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。数控机床坐标系系统二、数控机床坐标系确定原则1、刀具相对静止工件运动的原则这一原则使编程人员能在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就能根据零件图样确定机床的加工过程。当工件运动时，在坐标轴符号上加“′”表示。数控机床坐标系系统2、标准坐标系（机床坐标系）的规定标准坐标系采用右手直角笛卡儿定则。基本坐标轴x、Y、z的关系及其正方向用右手直角定则判定。拇指为x轴，食指为Y轴，中指为z轴，围绕x、Y、z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用右手螺旋定则判定，拇指为x、Y、z的正向，四指弯曲的方向为对应的A、B、C的正向。数控机床坐标系系统拇指为x轴，食指为Y轴，中指为z轴1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。数控机床坐标系系统(1)不论机床的具体结构，一律看作是工件相对静止，刀具运动。ISO标准规定：(3)增大工件与刀具之间距离的方向为坐标轴正方向。(2)机床的直线坐标轴X、Y、Z的判定顺序是：先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。数控机床坐标系系统三、坐标轴运动方向的确定1、X、Y、Z坐标轴与正方向的确定（1）Z坐标轴3）、若机床有几个主轴，可选择一个垂直与工件装夹面的主要轴为主轴，并以它确定Z坐标轴。1）、Z坐标轴的运动由传递切削力的主轴决定，与主轴平行的标准坐标轴为Z坐标轴，其正方向为增加刀具和工件之间距离的方向。2）、若机床没有主轴（刨床），则Z坐标轴垂直与工件装夹面。数控机床坐标系系统（2）、X坐标轴4）、对刀具和工件均不旋转的机床（刨床），X坐标平行于主要切削方向，并以该方向为正方向。1）、X坐标轴的运动是水平的，它平行于工件装夹面，是刀具或工件定位平面内的运动的主要坐标。2）、对于工件旋转的机床（车床、磨床），X坐标的方向在工件的径向上，并且平行与横滑座，刀具离开工件回转中心的方向为X坐标的正方向。3）、对于刀具旋转的机床（铣床），若Z坐标轴是水平的（卧式铣床），当由主轴向工件看时，X坐标轴的正方向指向右方；若Z坐标轴是垂直的（立式铣床），当由主轴向立柱看时，X坐标轴的正方向指向右方；对于双立柱的龙门铣床，当由主轴向左侧立柱看时，X坐标轴的正方向指向右方。数控机床坐标系系统（3）、Y坐标轴根据X、Z坐标轴，按照右手直角笛卡儿坐标系确定。注：如在X、Y、Z主要直线运动之外还有第二组平行于它们的运动，可分别将它们坐标定为U、V、W。数控机床坐标系系统Z轴垂直（与主轴轴线重合），向上为正方向；面对机床立柱的左右移动方向为X轴，将刀具向右移动（工作台向左移动）定义为正方向；根据右手笛卡尔坐标系的原则，Y轴应同时与Z轴和X轴垂直，且正方向指向床身立柱。立式数控铣床的坐标方向为：数控机床坐标系系统Z轴水平，且向里为正方向（面对工作台的平行移动方向）；工作台的平行向左移动方向为X轴正方向；Y轴垂直向上。卧式升降台铣床的坐标方向为：数控机床坐标系系统2、旋转运动旋转运动A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动，其正方向按照右旋螺纹旋转的方向。5轴联动的加工中心的坐标系数控机床坐标系系统4轴联动的数控机床的坐标系数控机床坐标系系统主轴正旋转方向：从主轴尾端向前端(装刀具或工件端)看顺时针方向旋转为主轴正旋转方向对于普通卧式数控车床，主轴的正旋转方向与C轴正方向相同3、主轴正旋转方向与c轴正方向的关系对于钻、镗、铣加工中心机床，主轴的正旋转方向为右旋螺纹进入工件的方向，与c轴正方向相反数控机床坐标系系统四机床坐标系与工件坐标系1．机床坐标系与机床原点、机床参考点(1)机床坐标系机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系，并建立在机床原点上。数控机床坐标系系统(2)机床原点现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。机床坐标系原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。一般取在机床运动方向的最远点。通常车床的机床零点多在主轴法兰盘接触面的中心即主轴前端面的中心上。主轴即为Z轴，主轴法兰盘接触面的水平面则为X轴。+X轴和+Z轴的方向指向加工空间。数控机床坐标系系统在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，见下图数控机床坐标系系统(3)机床参考点也是机床上的一个固定点，不同于机床原点。回零操作（回参考点）后表明机床坐标系建立。机床参考点对机床原点的坐标是已知值，既可根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。数控机床坐标系系统2．工件坐标系与工件坐标系原点(1)工件坐标系编程人员在编程时设定的坐标系，也称为编程坐标系。(2)工件坐标系原点也称为工件原点或编程原点，由编程人员根据编程计算方便性、机床调整方便性、对刀方便性、在毛坯上位置确定的方便性等具体情况定义在工件上的几何基准点，一般为零件图上最重要的设计基准点工件原点选择：1.与设计基准一致2.尽量选在尺寸精度高，粗糙度低的工件表面3.最好在工件的对称中心上4.要便于测量和检测工件坐标系坐标轴的确定与机床坐标系坐标轴方向一致数控机床坐标系系统机床坐标系与工件坐标系的关系数控机床坐标系系统五附加坐标系对于直线运动，通常建立的附加坐标系有：指定平行于X、Y、Z的坐标轴可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。如果还有平行或不平行于A、B、C的第二回转运动，可指定为D、E和F。指定不平行于X、Y、Z的坐标轴也可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。对于回转运动，数控机床坐标系系统六工件的运动对于移动部分是工件而不是刀具的机床，用带“′”的字母表示工件的正向运动，如+X′、+Y′、+Z′分别表示工件相对于刀具正向运动的指令，它们与+X、+Y、+Z表示的运动方向恰好相反。数控机床坐标系系统小结：机床坐标系原点是指在机床上设置的一个固定点，是数控机床进行加工运动的基准参考点；机床参考点对机床原点的坐标是已知值，既可根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置；编程人员在编程时设定的坐标系称工件坐标系，工件坐标系坐标轴的确定与机床坐标系坐标轴方向一致。机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系。确定数控机床坐标系时总是假设工件固定，刀具相对工件运动。标准坐标系采用右手直角笛卡儿定则判断，直线坐标轴X、Y、Z的判定顺序是：先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。Z坐标轴的运动由传递切削力的主轴决定，与主轴平行的标准坐标轴为Z坐标轴，X坐标轴的运动是水平的，它平行于工件装夹面，Y坐标轴根据X、Z坐标轴，按照右手直角笛卡儿坐标系确定，各坐标轴的正方向为增加刀具和工件之间距离的方向；旋转坐标轴A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动，其正方向按照右旋螺纹旋转的方向。对于移动部分是工件而不是刀具的机床，用带“′”的字母表示工件的正向运动。数控机床的精度数控机床正在向高精度化方向发展，数控机床精度的提高日益为人们所重视。本章主要介绍数控机床的精度标准和提高数控机床精度措施的基本概念。并重点介绍数控机床的精度检测项目和评定方法。概述一机床精度的基本概念工件的加工精度是指加工后的几何参数(尺寸、形状和表面相互位置)与理想几何参数符合的程度。精度的高低用误差的大小来表达。误差是指实际值与理想值之间的差值，误差愈小，则精度愈高。工件的加工精度用尺寸精度、形状精度和位置精度三项指针来衡量。在机械加工中，工件和刀具直接或通过夹具安装在机床上，工件的加工精度主要取决于工件和刀具在切削成形运动过程中相互位置的正确程度。数控机床精度的主要检测项目1.几何精度机床的几何精度是指机床的主要运动部件及其运动轨迹的形状精度和相对位置精度。它对工件的加工精度有直接影响，因而是衡量机床质量的基本指标。几何精度通常在运动部件不动或低速运动的条件下检查，其中主要包括：(1)导轨的直线度(2)导轨或主要运动部件运动基准间的相对位置精度(3)主轴的回转精度2.定位精度机床的定位精度是指其主要运动部件沿某一坐标轴方向，向预定的目标位置运动时所达到的位置的精度。3.工作精度机床的工作精度是机床在实际切削加工条件下的一项综合考核。数控机床的定位精度定位精度的基本概念定位精度的高低用定位误差的大小来衡量。按国家标准规定，对数控机床定位精度采用统计检验方法确定。1.定位误差的统计检验方法(1)系统性误差(2)随机性误差2.定位精度的确定定位精度主要用以下三项指标表示：(1)定位精度(2)重复定位精度(3)反向差值3.实际检测中定位精度的计算定位精度的检测数控机床的定位精度一般采用刻线基准尺和读数显微镜、激光干涉仪、光栅、感应同步器等测量工具进行检测。利用刻线基准尺和读数显微镜的测量原理见图8.3(a)。较高精度的数控机床常用双频激光干涉仪测量定位精度。其测量原理见图8.3(b)。图8.4为激光干涉仪测量系统的原理图。数控机床定位精度的评定按国家标准GBl0931—89“数字控制机床位置精度的评定方法”的规定，数控坐标轴定位精度的评定项目有以下三项：轴线的重复定位精度R；轴线的定位精度A；轴线的反向差值B。检测时，在各坐标轴上选择若干测点，在每个测点位置上，使移动部件按正、反两个方向移动趋近。测定定位误差。用图表示的检测结果如图所示。数控机床定位精度分析和提高措施三开环系统的定位精度分析在开环伺服系统中，指令脉冲经脉冲分配器、功率放大器、步进电动机、减速齿轮、滚珠丝杠螺母副转换为机床工作台(或刀架)的移动。在机床使用过程中，定位精度进一步受到负载变化、振动、热变形、机床导轨和丝杠螺母副的磨损以及数控装置组件特性变化等的影响。其中，主要的影响因素有下列各项。1.步进电动机的误差(1)步进电动机的步距角误差(2)步进电动机的动态误差(3)步进电动机的起停误差2.机械传动部分的误差(1)齿轮副的传动误差及传动间隙(2)滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙开环系统的定位精度分析3.导轨副的误差当导轨副的导轨面存在直线度误差、平面度误差、两导轨间的平行度误差以及滚动体存在形状、尺寸误差时都会使运动件不能沿给定方向作直线运动，使导轨副的运动件偏离给定方向运行；或产生运动轨迹的不直线性，使运动件颠摆(上、下摆动)或摇摆(水平摆动)，这就产生了导向误差，直接影响了定位精度。4.机械传动部分的受力变形由于负载的变化(包括切削力、摩擦力以及加减速过程中的惯性力等)会引起弹性变形量的变化，造成移动部件的定位误差以及反向时的失动量。5.机械进给部分的热变形数控机床由于机动时间长，由摩擦温升