王 麗

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽 712000）

隨著機(jī)械加工設(shè)備的數(shù)字化，制造業(yè)需要大批的數(shù)控機(jī)床，很多職業(yè)技術(shù)學(xué)校將數(shù)控設(shè)備操作人才培養(yǎng)作為發(fā)展的主要方向，并發(fā)表了大量的研究論文，任東[1]提出了數(shù)控編程與加工中設(shè)定工件坐標(biāo)系的方法；牛祿峰等[2]對數(shù)控編程中必然涉及的幾個(gè)問題進(jìn)行分析，完整地論述了數(shù)控程序與操作之間的內(nèi)在聯(lián)系；高秀蘭[3]提出一種利用數(shù)控機(jī)床刀具補(bǔ)償功能編制加工程序的思考方法和處理技巧；王麗[4]針對輪廓加工和點(diǎn)位加工位置誤差表現(xiàn)出的特征，給出了相應(yīng)的誤差補(bǔ)償方法；魏仕華[5]提出數(shù)控機(jī)床對刀原理及其常見精準(zhǔn)方法分析。數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)綜合應(yīng)用的加工設(shè)備，從機(jī)床的設(shè)計(jì)制造到數(shù)控編程加工構(gòu)成一個(gè)完整的體系，要想完全掌握以上所有環(huán)節(jié)是十分困難的，在數(shù)控編程與操作的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)許多學(xué)員對數(shù)控機(jī)床編程與加工過程之間的聯(lián)系理解不深刻，導(dǎo)致數(shù)控編程與操作時(shí)出現(xiàn)困難，歸納起來就是不能很好的解決下面幾個(gè)問題：

（1）數(shù)控編程為何采用工件坐標(biāo)系而不是機(jī)床坐標(biāo)系；

（2）學(xué)員對坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向理解的十分清楚，但對機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置卻不能正確表述；

（3）數(shù)控機(jī)床是如何將機(jī)床坐標(biāo)系與編程用的工件坐標(biāo)系聯(lián)系起來的，或者說數(shù)控程序與加工過程通過怎樣的措施，使得機(jī)床按照數(shù)控程序規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)；

（4）數(shù)控加工前，為什么要對刀，其目的是什么，它包含了怎樣的原理；

（5）數(shù)控編程前應(yīng)做好那些準(zhǔn)備工作，分清哪些問題應(yīng)該在編程時(shí)解決，哪些問題可以保留到數(shù)控加工時(shí)解決；

（6）數(shù)控機(jī)床編程與加工程序之間有什么聯(lián)系，通過什么方法建立了兩者的聯(lián)系；

（7）數(shù)控機(jī)床刀具補(bǔ)償功能對編程帶來什么好處，在加工時(shí)如何建立刀具補(bǔ)償；

鑒于職業(yè)技術(shù)學(xué)校對學(xué)員的培養(yǎng)目標(biāo)，本文只探討數(shù)控編程和加工之間的聯(lián)系，分清哪些問題應(yīng)該在編程時(shí)解決，哪些問題可以保留到加工時(shí)解決，達(dá)到分解編程與操作難度的目的，從中總結(jié)出編程與加工操作時(shí)必須完成的工作，給出指導(dǎo)性原則，幫助學(xué)員掌握并提高數(shù)控編程技術(shù)、合理使用數(shù)控設(shè)備的能力。

1 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系

數(shù)控機(jī)床加工與普通機(jī)床加工最大的不同是用坐標(biāo)來規(guī)劃刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)，在加工過程中，刀具和工件分別由機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以刀具和工件的運(yùn)動(dòng)是受機(jī)床坐標(biāo)系控制的。機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)是由國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，但對機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置并沒有給出明確的描述，教材上一般是說機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)是機(jī)床上一個(gè)固定點(diǎn)，并規(guī)定位于各坐標(biāo)軸正方向的極限位置，在機(jī)床操作上是用回零或回參考點(diǎn)表述，即認(rèn)為回零或回參考點(diǎn)后機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件所處的位置就是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，顯然這些描述都是很模糊的，因?yàn)檫@些描述都是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（刀具或工件臺）所處的位置，而機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)該是一個(gè)確定點(diǎn)。這使得初次接觸數(shù)控機(jī)床的學(xué)員感到迷惘，希望能明確給出機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)是機(jī)床上的那一個(gè)確定點(diǎn)。另外，機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)是由多個(gè)部件協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的，因而不能將機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)定義到某個(gè)指定部件上，更談不上是哪個(gè)部件上哪個(gè)指定點(diǎn)。

事實(shí)上，數(shù)控機(jī)床從設(shè)計(jì)到制造確實(shí)指定了一個(gè)確定點(diǎn)作為機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，為了說明其準(zhǔn)確位置，先得深刻理解工件靜止的假設(shè)，即認(rèn)為在加工過程中，不論機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)配置怎樣，始終認(rèn)為各坐標(biāo)方向工件是靜止的，是由刀具相對靜止的工件在運(yùn)動(dòng)。這一假設(shè)簡化了數(shù)控編程，工件是靜止的，工件上固連的坐標(biāo)系也是靜止的，加工過程中，刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)就可在靜止的工件坐標(biāo)系中規(guī)劃出來，這使得編程時(shí)只需在工件上選定工件坐標(biāo)系，保證工件裝夾到機(jī)床上后，所選取的工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系平行就可以了。數(shù)控程序就是在工件坐標(biāo)系中規(guī)劃出刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此工件靜止的假設(shè)，使得編程時(shí)無需考慮機(jī)床的運(yùn)動(dòng)配置，也無需考慮工件在機(jī)床上裝夾的具體位置，從而將數(shù)控編程工作從數(shù)控加工眾多環(huán)節(jié)中獨(dú)立出來。

工件靜止的假設(shè)，也為說明機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置成為可能，數(shù)控機(jī)床設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)有兩種方法，一種方法是通過在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)定并存貯參考點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)C(XC,YC,ZC)來設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)的，當(dāng)數(shù)控機(jī)床執(zhí)行回參考點(diǎn)后，刀位點(diǎn)（刀具上最具特征的點(diǎn)）所處的位置就是設(shè)定的參考點(diǎn)，在當(dāng)前位置如果將刀位點(diǎn)沿各坐標(biāo)方向依次移動(dòng)-XC,-YC,-ZC后，所處的位置就是機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)。另一種方法就是直接回零，其實(shí)質(zhì)就是將上述參考點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)設(shè)置為零C(0,0,0)，機(jī)床回零后，刀位點(diǎn)所處的位置就是機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)系原點(diǎn)。參考點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。

對于旋轉(zhuǎn)刀具，刀位點(diǎn)始終位于軸線上，其位置會(huì)隨刀具的長度不同而發(fā)生變化，如圖2所示。刀具長度補(bǔ)償功能為解決不同長度刀具刀位點(diǎn)位置變化引起各種不便提供了簡明的方法。在編程和數(shù)控機(jī)床操作中，先不考慮各刀具的實(shí)際長度而假設(shè)各把刀具的長度都相同，稱為“標(biāo)刀長度”，可以假設(shè)為任意指定值，為了方便起見，設(shè)其為零，則各刀具的刀位點(diǎn)均位于主軸端而與軸線的交點(diǎn)A上，所以在數(shù)控編程加工等操作中的刀位點(diǎn)應(yīng)該指“標(biāo)刀”的刀位點(diǎn)。標(biāo)刀長度設(shè)置為零，所有刀具實(shí)際長度都大于標(biāo)刀長度，在編程時(shí)，每一把刀具均采用正偏置進(jìn)行長度補(bǔ)償，而加工時(shí)各刀具的長度補(bǔ)償量設(shè)置為刀具的實(shí)際長度。

圖1 參考點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系

圖2 旋轉(zhuǎn)刀具的刀位點(diǎn)

2 數(shù)控程序與數(shù)控加工之間的聯(lián)系

數(shù)控程序是根據(jù)工件坐標(biāo)系編制的，程序規(guī)劃了刀具在工件坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡，程序讀入數(shù)控系統(tǒng)之后，數(shù)控系統(tǒng)就知道了刀具在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，而數(shù)控加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)是在機(jī)床坐標(biāo)系下控制刀具運(yùn)動(dòng)的，這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾，需要將程序中刀具在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到機(jī)床坐標(biāo)系。

工件在機(jī)床上裝夾時(shí)，只須使與其固連的工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系平行，如圖3所示。具體位置可以不受限制，對工件上任意一點(diǎn)，它在兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)具有如下關(guān)系：

由上式可知，在加工時(shí)如果能讓數(shù)控系統(tǒng)知道工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，程序讀入之后，數(shù)控系統(tǒng)就能將程序規(guī)劃的刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換到機(jī)床坐標(biāo)系，并在機(jī)床坐標(biāo)系中控制刀位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 工件坐標(biāo)系到機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換

為了使數(shù)控系統(tǒng)知道工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，在加工前必須進(jìn)行試切對刀等輔助操作，這和編程時(shí)建立工件坐標(biāo)系的方法有關(guān)。如果程序是用G54～G59建立工件坐標(biāo)系，需要通過試切的方法，換算出工件坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并將它存貯到數(shù)控系統(tǒng)的緩存中，其方法見參考文獻(xiàn)[6]，然后就可以啟動(dòng)程序進(jìn)行加工。如果程序使用G92方法建立工件坐標(biāo)系，其指令格式：G92X_Y_Z_，它是通過設(shè)定起刀點(diǎn)來建立工件坐標(biāo)系。G92后面的起刀點(diǎn)坐標(biāo)即為在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在加工前需要通過試切或測量的方法將刀具準(zhǔn)確地調(diào)整到相對工件坐標(biāo)系設(shè)定的起刀點(diǎn)上，這個(gè)操作形象地稱為對刀，然后就可以啟動(dòng)程序進(jìn)行加工了。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)在執(zhí)行G92指令時(shí)，它同時(shí)知道了起刀點(diǎn)在工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系中坐標(biāo)，由式（1）得出工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中坐標(biāo)，并將其保存到緩存中。因此這兩種建立工件坐標(biāo)系的方法在加工前的操作目的是不同的，并且前一種方法在啟動(dòng)程序時(shí)數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)知道了工件坐標(biāo)系的位置，而后一種方法，數(shù)控系統(tǒng)在執(zhí)行完G92指令以后才知道工件坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的。

3 數(shù)控編程與數(shù)控加工的必要工作

3.1 編程需要完成的工作

工件靜止的假設(shè)使得編程時(shí)無需考慮機(jī)床的運(yùn)動(dòng)配置，也無需考慮工件在機(jī)床上裝夾的位置。刀具長度補(bǔ)償功能使得在編程時(shí)也不需考慮旋轉(zhuǎn)刀具的長度和輪廓加工刀具的半徑，這些功能簡化了編程的準(zhǔn)備工作，為快速投入編程工作創(chuàng)造了條件。但在編程時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面。

(1)在工件上選擇工件坐標(biāo)系其原點(diǎn)可以是任意的，但坐標(biāo)軸的方向必須保證工件裝夾后坐標(biāo)軸與機(jī)床坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸平行。

(2)如果采用 G92方法建立工件與機(jī)床的坐標(biāo)聯(lián)系，必須在程序中設(shè)定起刀點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)就是通過G92指令來換算工件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系位置的，在數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，刀位點(diǎn)正好位于相對工件坐標(biāo)系設(shè)定的位置上，因此程序在G92指令之前可以有主軸啟動(dòng)、夾緊工件和換刀等輔助功能指令，但不能有刀具的任意坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。如果采用G54～G 59方法建立工件與機(jī)床的坐標(biāo)聯(lián)系，無需在程序中設(shè)定起刀點(diǎn)，它可以在工件上設(shè)置最多不超過6個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)不同而坐標(biāo)軸彼此平行的坐標(biāo)系，在程序中每一把刀具對應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)系。

(3)根據(jù)工序內(nèi)容確定加工所需的刀具數(shù)量，G92方法最具通用性，不論程序中需要多少把刀具，統(tǒng)一假設(shè)各個(gè)旋轉(zhuǎn)刀具長度都相等并等于零，相當(dāng)于用主軸端面中心點(diǎn)編程，程序?qū)γ恳话训毒哌M(jìn)行正偏置長度補(bǔ)償，補(bǔ)償置就是刀具的實(shí)際長度，對輪廓加工刀具也認(rèn)為刀具半徑為零，這就是按工件輪廓編程。如果采用G54～59方法，每一把刀具對應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)系，它適合最多不超過6把刀具的程序，這樣就不需考慮刀具長度補(bǔ)償。

(4)對用于單件加工的程序，程序規(guī)劃的刀具終止位置只考慮加工結(jié)束能方便卸下工件即可。對用于批量加工的程序，必然要用夾具安裝工件，G54～G59方法要求程序規(guī)劃的刀具終止位置以裝卸工件更換刀具方便為度。G92方法除以上要求外，還要求加工結(jié)束取消各種刀具補(bǔ)償，并且使刀具終止于起刀點(diǎn)，這樣對下一個(gè)工件來說，刀具還在起刀點(diǎn)上。

3.2 數(shù)控加工需要完成的準(zhǔn)備工作

數(shù)控加工前需要完成的準(zhǔn)備工作如下：

(1)作為數(shù)控機(jī)床操作工，在加工前首先要弄清程序員在工件上選定的坐標(biāo)系的位置。

(2)找出程序建立工件坐標(biāo)系的方法，兩種方法操作目的是不同的，G54～G59方法，它在工件上設(shè)定了多個(gè)坐標(biāo)系，每個(gè)坐標(biāo)系對應(yīng)不同的刀具，要選用對應(yīng)的刀具進(jìn)行試切，換算出各坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并通過數(shù)控系統(tǒng)的MDI功能，將其存貯到數(shù)控系統(tǒng)。G92方法要通過測量或試切的方法將刀具調(diào)整到相應(yīng)工件坐標(biāo)系設(shè)定的起刀點(diǎn)位置，如圖4所示。

圖4 刀具相對工件坐標(biāo)系設(shè)定的起刀點(diǎn)位置

(3)如果程序用到刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)償指令，需要測量旋轉(zhuǎn)刀具的實(shí)際長度和輪廓加工刀具半徑，通過數(shù)控系統(tǒng)的MDI功能，將其存貯到數(shù)控系統(tǒng)的刀編表中。

(4)即使程序規(guī)劃的走刀路線是正確的，但試切或?qū)Φ恫僮鞑粶?zhǔn)確也可能引起加工出現(xiàn)位置誤差。例如輪廓加工中，加工出的輪廓與零件輪廓形狀和大小一致，但相對定位基準(zhǔn)孔中心存在位置誤差，如圖5所示，說明走刀路線是正確的而試切或?qū)Φ懂a(chǎn)生了位置誤差Δx和Δy。如果程序用G92設(shè)定了起刀點(diǎn)，只需將起刀點(diǎn)向+x和+y方向分別移動(dòng)Δx和Δy，即可消除位置誤差，如果程序用G54～G59方法建立工件坐標(biāo)系，需要將輪廓加工所用的工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的x和y坐標(biāo)分別減去Δx和Δy，并用MDI存貯。

圖5 試切或?qū)Φ恫僮鞑粶?zhǔn)引起的位置誤差