加工中心工件坐标系原点确定方法的设计与探讨

加工中心工件坐标系原点确定方法的设计与探讨

【摘要】在对工件进行机械加工的过程中，由于工件材质、形状和加工区域等因素的不一致，坐标系和坐标原点的建立和确定往往存在一定的难度，而且在大批量的生产加工中，由于工件夹位置漂移的不可避免性，使得重复加工的精度无法达到统一，因此本文将就这一问题，采用一种传感器硬件捕获的方法，加以设计和改进，将大大提高工件加工中的效率和精度。

【关键词】坐标系；传感器；硬件捕获

1.机床坐标系和工件坐标系

在工件的机械加工中，坐标系的正确建立和标识是良性加工的第一步。这里面要涉及到两个坐标系。第一个坐标系是机床坐标系，即用来确定工件位置和机床运动的基本坐标系，属于遵循国际统一标准的规定—右手笛卡尔坐标系。机床坐标系的原点也成为机械原点或零点，它是机床固有的点，不能改动。虽然它不能作为编程来使用，但是却可以用作参考来建立工件坐标系。第二个坐标系是工件坐标系。在加工中心上进行零件加工时，刀具与工件的相对运动必须在确定的坐标系中才能按程序进行加工。加工中心工作时，其显示屏坐标系页面上一般都有下列坐标系显示：相对坐标系、剩余坐标系、绝对坐标系（也就是工件坐标系）、机床坐标系。生产中，最为关键的是机床坐标系和工件坐标系。设备运行时，刀具的运动轨迹自始至终需要精确的控制，并且是在以机床坐标系下进行的，但编程尺寸却按人为定义的工件坐标系确定。

因此，当工件被家具固定在机床上以后，就必须正确无误的测量出工件坐标系原点所在和相应的坐标值，将所得到的参数输入到要编译的程序中去，其实，测量工件的坐标值，也正是测量工件的坐标系原点在机床坐标系中的坐标值。

2.确定工件坐标系常用方法

一般情况下，确定工件坐标系坐标值的方法是，在工件待加工的状态下，在工件上确定工位，使选择的工件坐标系原点在X轴、Y轴方向与机床的相应主轴线重合；Z轴方向也与机床的主轴端面重合，那么此时设备显示屏幕上的机床坐标系的坐标值就是工件的坐标系原点在机床坐标系中的坐标值。

如果工件坐标系原点正好设置在圆柱定位销中心与定位面的交点上，在加工工件时定位面与主轴垂直，切定位销轴线与主轴平行。此时X、Y坐标值的确定方法为：先在主轴上安装一个专用刀杆，要保证刀杆端面平、且可吸附磁力表座；然后在专用刀杆上固定一个百分表，使表针和圆柱定位销圆柱面接触；手动旋转刀杆使百分表绕定位销旋转，同时在X、Y方向上利用手动脉冲发生器调整主轴位置，直至百分表的指针不动，这时设备显示屏上显示的X、Y机械坐标值即为工件坐标系原点在机床坐标系的位置。如下图1所示：

Z 坐标值的确定：同样在主轴上安装一个专用刀杆，运用手动操作移动Z 轴使刀杆移向定位面，使刀杆与定位面轻微接触（如图2所示）。这时面板上显示的Z轴机械坐标值假设为“-a”，刀长为“b”，则此时工件坐标系Z轴坐标原点即为“-a-b”。

但如果工件原点没有设置在定位销与定位面的交点上，而是设在与X、Y、Z方向上都有一定的偏移量的方向上，此时也可使用上述方法，先测量出定位销与定位面交点的机械坐标点，再通过计算求得所设定的工件原点坐标值。

3.对坐标原点确定新的方法的探讨

传统确定坐标原点的方法，需要在主轴上装有一个特定的专用刀杆，而且对刀杆还需要有吸附磁力表座的要求，操作起来相对较繁琐，而且该方法的精度也不是特别的高，无法用于精度较高的微小加工。因此，本文提出了一种新的方法，即使用传感器硬件捕获的方法来确定坐标原点。

本方法选用的是光栅尺位移传感器，在机床上先既定一个点，当工作台运动到这一点时，传感器立即被触发，读取它的位置。因此这要求传感器的精度很高。目前市面上此类传感器的精度已经可以达到这一要求，一般可以达到120m/min （0.005mm）的反应速度。

按照传统的确定方法，首先需要找到机床坐标系的原点位置，然后根据机床坐标系的位置来设置使得工件坐标系原点在X轴、Y轴方向与机床的相应主轴线重合；Z轴方向也与机床的主轴端面重合，因此这一工作的重点还是来确定机床坐标系的原点。

传感器捕获的方法要求首先要在机床架上装上能够瞬间被触发的位移传感器，采用“home+index”两次循环触发的方法，由于两次出发前工作台运动的速度不一样，而运动速度又和捕获的精度有着很大的关系，运动速度越慢，捕获的精度就越高，因此第一次运动的速度较快，而第二次是在第一次的精度上放慢速度，捕获的精度就会更高。

这种方法的工作原理就是运用位移传感器的高灵敏度，在预设“零点”处的瞬时触发，从而将其作为参考点，然后在软件编程时当作偏移量计算，采用两次循环触发的方法，是为了获取更高的精度。

当工作台向原点（home）开关方向运动时，触发传感器捕获：

当信号产生时，读取原点信号触发时工作台的实际位置，并将目标位置修改为“原点（home）捕获位置+偏移量”。

等工作台停稳以后，调用软件中的函数设置机械原点。

工作台继续运动，寻找Index 信号。当Index信号产生时，读取Index 信号

触发时工作台的实际位置，并将目标位置修改为“Index 捕获位置+偏移量”。

等工作台停稳以后，调用软件中的函数设置机械原点。

当机床的坐标原点被确定以后，我们就可以设置弓箭的坐标原点与机床坐标原点相重合，或者存在一定的偏移量a，不过在进行软件编程的时候，需要把常量a给计算进去，设置成二者之间的偏移量。

假设工作台的运行速度v=0.05m/s，传感器的反应时间（传感器从接到触发信号到触发的时间）t=0.02ms，那么此间的位移s=vt=0.1×10-5m。即：假设工作台的运动速度为0.05m/s，选用反应时间为0.02ms的传感器，那么测量的原点精度偏差也就在±1um左右，一般微造型加工的精度要求在±5um之内，这种方法测的精度已经可以满足一般微造型加工的精度要求。

4.小结

通过对工作台的运动速度控制，来触发灵敏度很高的位置传感器，是一种精度较高的确定机床坐标系原点的方法，而机床坐标系的原点一旦被准确的找到后，那么就可以根据机床坐标系的位置来设置使得工件坐标系原点在X轴、Y 轴方向与机床的相应主轴线重合；Z轴方向也与机床的主轴端面重合，从而确定工件坐标系的各个轴和零点。

这一方法摒弃了传统方法中需要安装专用刀杆的繁琐步骤，而且这一步对专用刀杆还需有吸附磁力表座的要求。现在只需要在底座上安装一个市面上较为常用的位移传感器即可。更主要的是这一方法所确定的坐标系原点很准确，精度可以高达±5um以内，这完全可以满足工业上常见的微造型加工的精度要求，而且为大批量的生产减少了成本投入，具有很强的推广意义。

【参考文献】

[1]何永华.数控机床坐标系的探究[J].希望月报（上半月），2007.08.

[2]张国政，杨海卉.笛卡尔坐标系在数控机床中的应用[J].重庆科技学院学报，2012.02.

[3]杨侔.直角坐标系刍议[J].学报编辑论丛，1992.09.

[4]冯琪玲.数控机床工件坐标系的设定方法分析[J].新乡师范学院学报，2007.03.