梁貴寶　王建生　皮小園　王林

【摘 要】在對工件進行機械加工的過程中，由于工件材質(zhì)、形狀和加工區(qū)域等因素的不一致，坐標系和坐標原點的建立和確定往往存在一定的難度，而且在大批量的生產(chǎn)加工中，由于工件夾位置漂移的不可避免性，使得重復加工的精度無法達到統(tǒng)一，因此本文將就這一問題，采用一種傳感器硬件捕獲的方法，加以設(shè)計和改進，將大大提高工件加工中的效率和精度。

【關(guān)鍵詞】坐標系；傳感器；硬件捕獲

1.機床坐標系和工件坐標系

在工件的機械加工中，坐標系的正確建立和標識是良性加工的第一步。這里面要涉及到兩個坐標系。第一個坐標系是機床坐標系，即用來確定工件位置和機床運動的基本坐標系，屬于遵循國際統(tǒng)一標準的規(guī)定—右手笛卡爾坐標系。機床坐標系的原點也成為機械原點或零點，它是機床固有的點，不能改動。雖然它不能作為編程來使用，但是卻可以用作參考來建立工件坐標系。第二個坐標系是工件坐標系。在加工中心上進行零件加工時，刀具與工件的相對運動必須在確定的坐標系中才能按程序進行加工。加工中心工作時，其顯示屏坐標系頁面上一般都有下列坐標系顯示： 相對坐標系、剩余坐標系、絕對坐標系（ 也就是工件坐標系）、機床坐標系。生產(chǎn)中， 最為關(guān)鍵的是機床坐標系和工件坐標系。設(shè)備運行時，刀具的運動軌跡自始至終需要精確的控制， 并且是在以機床坐標系下進行的，但編程尺寸卻按人為定義的工件坐標系確定。

因此，當工件被家具固定在機床上以后，就必須正確無誤的測量出工件坐標系原點所在和相應(yīng)的坐標值，將所得到的參數(shù)輸入到要編譯的程序中去，其實，測量工件的坐標值，也正是測量工件的坐標系原點在機床坐標系中的坐標值。

2.確定工件坐標系常用方法

一般情況下，確定工件坐標系坐標值的方法是，在工件待加工的狀態(tài)下，在工件上確定工位，使選擇的工件坐標系原點在X軸、Y軸方向與機床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機床的主軸端面重合，那么此時設(shè)備顯示屏幕上的機床坐標系的坐標值就是工件的坐標系原點在機床坐標系中的坐標值。

如果工件坐標系原點正好設(shè)置在圓柱定位銷中心與定位面的交點上，在加工工件時定位面與主軸垂直，切定位銷軸線與主軸平行。此時X、Y坐標值的確定方法為： 先在主軸上安裝一個專用刀桿，要保證刀桿端面平、且可吸附磁力表座； 然后在專用刀桿上固定一個百分表， 使表針和圓柱定位銷圓柱面接觸；手動旋轉(zhuǎn)刀桿使百分表繞定位銷旋轉(zhuǎn)， 同時在X、Y方向上利用手動脈沖發(fā)生器調(diào)整主軸位置，直至百分表的指針不動，這時設(shè)備顯示屏上顯示的X、Y機械坐標值即為工件坐標系原點在機床坐標系的位置。如下圖1所示：

Z 坐標值的確定： 同樣在主軸上安裝一個專用刀桿，運用手動操作移動Z軸使刀桿移向定位面， 使刀桿與定位面輕微接觸（ 如圖2所示） 。這時面板上顯示的Z軸機械坐標值假設(shè)為“-a”，刀長為“b”， 則此時工件坐標系Z軸坐標原點即為“-a-b”。

但如果工件原點沒有設(shè)置在定位銷與定位面的交點上， 而是設(shè)在與X、Y、Z方向上都有一定的偏移量的方向上， 此時也可使用上述方法， 先測量出定位銷與定位面交點的機械坐標點， 再通過計算求得所設(shè)定的工件原點坐標值。

3.對坐標原點確定新的方法的探討

傳統(tǒng)確定坐標原點的方法，需要在主軸上裝有一個特定的專用刀桿，而且對刀桿還需要有吸附磁力表座的要求，操作起來相對較繁瑣，而且該方法的精度也不是特別的高，無法用于精度較高的微小加工。因此，本文提出了一種新的方法，即使用傳感器硬件捕獲的方法來確定坐標原點。

本方法選用的是光柵尺位移傳感器，在機床上先既定一個點，當工作臺運動到這一點時，傳感器立即被觸發(fā)，讀取它的位置。因此這要求傳感器的精度很高。目前市面上此類傳感器的精度已經(jīng)可以達到這一要求，一般可以達到120m/min（0.005mm）的反應(yīng)速度。

按照傳統(tǒng)的確定方法，首先需要找到機床坐標系的原點位置，然后根據(jù)機床坐標系的位置來設(shè)置使得工件坐標系原點在X軸、Y軸方向與機床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機床的主軸端面重合，因此這一工作的重點還是來確定機床坐標系的原點。

傳感器捕獲的方法要求首先要在機床架上裝上能夠瞬間被觸發(fā)的位移傳感器，采用“home+index”兩次循環(huán)觸發(fā)的方法，由于兩次出發(fā)前工作臺運動的速度不一樣，而運動速度又和捕獲的精度有著很大的關(guān)系，運動速度越慢，捕獲的精度就越高，因此第一次運動的速度較快，而第二次是在第一次的精度上放慢速度，捕獲的精度就會更高。

這種方法的工作原理就是運用位移傳感器的高靈敏度，在預(yù)設(shè)“零點”處的瞬時觸發(fā)，從而將其作為參考點，然后在軟件編程時當作偏移量計算，采用兩次循環(huán)觸發(fā)的方法，是為了獲取更高的精度。

當工作臺向原點（home）開關(guān)方向運動時，觸發(fā)傳感器捕獲：

當信號產(chǎn)生時，讀取原點信號觸發(fā)時工作臺的實際位置，并將目標位置修改為“原點（home）捕獲位置+偏移量”。

等工作臺停穩(wěn)以后，調(diào)用軟件中的函數(shù)設(shè)置機械原點。

工作臺繼續(xù)運動，尋找Index 信號。當Index信號產(chǎn)生時，讀取Index 信號觸發(fā)時工作臺的實際位置，并將目標位置修改為“Index 捕獲位置+偏移量”。

等工作臺停穩(wěn)以后，調(diào)用軟件中的函數(shù)設(shè)置機械原點。

當機床的坐標原點被確定以后，我們就可以設(shè)置弓箭的坐標原點與機床坐標原點相重合，或者存在一定的偏移量a，不過在進行軟件編程的時候，需要把常量a給計算進去，設(shè)置成二者之間的偏移量。

假設(shè)工作臺的運行速度v=0.05m/s， 傳感器的反應(yīng)時間（傳感器從接到觸發(fā)信號到觸發(fā)的時間）t=0.02ms，那么此間的位移s=vt=0.1×10-5m。即：假設(shè)工作臺的運動速度為0.05m/s，選用反應(yīng)時間為0.02ms的傳感器，那么測量的原點精度偏差也就在±1um左右，一般微造型加工的精度要求在±5um之內(nèi)，這種方法測的精度已經(jīng)可以滿足一般微造型加工的精度要求。

4.小結(jié)

通過對工作臺的運動速度控制，來觸發(fā)靈敏度很高的位置傳感器，是一種精度較高的確定機床坐標系原點的方法，而機床坐標系的原點一旦被準確的找到后，那么就可以根據(jù)機床坐標系的位置來設(shè)置使得工件坐標系原點在X軸、Y軸方向與機床的相應(yīng)主軸線重合；Z軸方向也與機床的主軸端面重合，從而確定工件坐標系的各個軸和零點。

這一方法摒棄了傳統(tǒng)方法中需要安裝專用刀桿的繁瑣步驟，而且這一步對專用刀桿還需有吸附磁力表座的要求?，F(xiàn)在只需要在底座上安裝一個市面上較為常用的位移傳感器即可。更主要的是這一方法所確定的坐標系原點很準確，精度可以高達±5um以內(nèi)，這完全可以滿足工業(yè)上常見的微造型加工的精度要求，而且為大批量的生產(chǎn)減少了成本投入，具有很強的推廣意義。

【參考文獻】

[1]何永華.數(shù)控機床坐標系的探究[J].希望月報（上半月），2007.08.

[2]張國政，楊?；?笛卡爾坐標系在數(shù)控機床中的應(yīng)用[J].重慶科技學院學報，2012.02.

[3]楊侔.直角坐標系芻議[J].學報編輯論叢，1992.09.

[4]馮琪玲.數(shù)控機床工件坐標系的設(shè)定方法分析[J].新鄉(xiāng)師范學院學報，2007.03.