建立工件坐标系与对刀验证

一、任务导入

(一) 任务描述

数控机床可以安装多种刀具进行加工，不同的刀具长度、直径其安装位置都有所不同，因此对刀是一个经常要进行的操作动作，对刀操作通常是在手动模式下操作完成的。

我们都知道一个数控程序的第1把刀是需要对刀的，通常包括X、Y、Z轴对刀。那第2把刀呢? 甚至之后的第N把刀呢? 都需要和第一把刀一样的对刀吗?

第一把刀的对刀数据存放在G54，那第2把刀……第11把刀的对刀数据放在哪里呢?带着这些问题，我们开始这个任务的学习。

(二) 知识目标

学会数控铣床操作中刀具的安装与对刀。

(三) 能力目标

(1) 熟练掌握机床的手动操作、刀柄结构及刀具安装方法。

(2) 掌握数控机床对刀原理与对刀方法。

(3) 掌握数控机床坐标系建立。

(4) 掌握对刀结果验证。

二、知识准备

(一) 手动 (JOG) 操作与试切削

1. 手动 (JOG) 操作

1) 坐标轴控制

按一下(JOG)按键(指示灯亮)，系统处于手动运行方式，可手动移动机床坐标轴，按压“+X”“-X”“+Y”“-Y”“+Z”或“-Z”按键 (指示灯亮)，各轴将产生正向或负向连续移动; 松开各轴的方向按键 (指示灯灭)，各轴即减速停止移动。可以移动单轴、双轴或三轴，移动速度由进给旋钮控制。

2) 手动快速移动

如果同时按下(快速移动键)和相应的坐标轴键，则坐标轴以快进速度运行。手动快速移动的速率为系统参数“最高快移速度”乘以快速修调选择的快移倍率。

3) 主轴控制

按下“JOG”键，选择手动工作模式，按、、键来控制主轴正转、停转、反转。(注: FANUC系统开机第一次，要求先在MDI环境下输入转速，否则启动正反转按钮不能实现主轴转动。)

2. 工件装夹、刃具装夹训练

1) 夹具校正与工件装夹训练

(1) 选用150mm平口钳置于铣床工作台上，并用紧固件将其固定在工作台上。校正平口钳位置的操作步骤如下:

将紧固螺丝一端适当锁紧作为旋转轴，将百分表固定于机床主轴上，百分表测量头接触平口钳钳口，作为基准，表针调整为零。另一端夹紧力小一些，手动沿X轴往复移动工作台，同时观察百分表的指针，校正钳口对X轴的平行度，直至百分表的指针变化范围不超过0.01mm为止，锁紧紧固螺丝，再检验平行度。

(2) 将工件装夹在平口钳上，下用垫铁支撑，使工件高于钳口10mm左右 (但必须留有足够量的加工深度)，工件放置平稳并夹紧。

2) 刃具装夹训练

选一把立铣刀和相对应规格的弹簧夹头，把刀柄置于卸刀座上，通过弹簧夹头把立铣刀装夹到刀柄中并夹紧，再把刀柄装夹到机床主轴中。

加工结束后，把刀柄从铣床主轴上卸下，再放到卸刀座上，拆下立铣刀和弹簧夹头。

训练中所用工、量、刃具清单见表2-1-4。

表2-1-4 训练中所用工、量、刃具清单

3) 试切削训练

(1)按“手轮”键，选择手动方式，再按键使主轴正转。

(2) 操纵手轮控制各轴，使铣刀在X、Y轴方向接近工件上表面任意一角，并使Z轴接触工件表面，设置显示器“REL”(相对坐标系) 的Z轴值为“0”。

(3) 移动X、Y轴，使刀具离开工件。

(4) Z坐标向下移动1～2mm。

(5) 按“JOG”键，选择工进方式，调节“进给速度”旋钮至60mm/min，按“X”“Y”轴移动方向键，使刀具切削工件。最好保持刀具连续切削，不要间断。

(6) 切削结束后，拆下工件和刀柄并清理机床。

(二) 数控铣床坐标系基础知识和建立的方法

1. 工件坐标系

1) 工件坐标系的概念

工件坐标系又称编程坐标系，是编程人员为方便编写数控程序而人为建立的坐标系，一般建立在工件上或零件图样上。

2) 工件坐标系的建立原则

(1) 工件坐标系方向的选择: 工件坐标系的方向必须与所采用的数控机床坐标系相一致。

(2) 工件坐标系原点位置的选择: 工件坐标系的原点又称为工件零点或编程零点。编程原点的位置可以任意设定，但为方便求解，常以工件轮廓上基点作为原点进行编程，一般按以下要求进行设置:

①工件零点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上;

②工件零点尽量选择在精度较高的工件表面，以提高加工零件的加工精度;

③对于对称的零件，工件零点应选择在工件对称中心上;

④对于一般零件，工件零点可选择在工件外轮廓的某一角上;

⑤Z坐标零点一般设置在工件上表面。

2. 程序指令

1) 可设定的零点偏置指令

(1) 指令代码: G54～G59。

(2) 指令功能: 可设定的零点偏置指令是将机床坐标系原点偏置到工件坐标系原点上，使机床坐标系与工件坐标系重合。通过对刀操作将工件原点在机床坐标系中的位置 (偏移量) 输入到数控系统相应的存储器 (G54等) 中，以实现机床坐标系与工件坐标系的重合。

(3) 指令使用说明。

a. 六个可设定的零点偏置指令均为模态有效指令，一旦使用，一直有效。

b. 六个可设定的零点偏置功能一样，使用中可任意使用其中之一。

2) 主轴转速功能指令

地址: S

功能: 表示主轴的转速，单位为r/min。如S1000表示主轴转速为1000r/min。

3) 主轴正、反转启动与停止指令

功能: M03表示主轴正转;

M04表示主轴反转;

M05表示主轴停止。

(三) 数控刀柄、平口钳等工艺装备知识

1. 数控铣刀刀柄

数控铣床使用的刀具是通过刀柄与主轴相连的，刀柄与主轴的配合锥面一般采用7∶24的锥度。目前国际和国家标准规定的BT-40和BT-50系列为常用的刀柄和拉钉。

(1) 弹簧夹头刀柄、卡簧及拉钉如图2-1-18所示，用于装夹各种直柄立铣刀、键槽铣刀、直柄麻花钻等。卡簧装入数控刀柄前端夹持数控铣刀; 拉钉拧紧在数控刀柄尾部的螺纹孔中，用于拉紧主轴。

图2-1-18 弹簧夹头刀柄、卡簧及拉钉

(2) 莫氏锥度刀柄如图2-1-19所示。莫氏锥度刀柄有莫氏2号、莫氏3号、莫氏4号等，可装夹相应的莫氏钻夹头、莫氏铣刀、莫氏攻螺纹夹头等。

图2-1-19 莫氏锥度刀柄

2. 卸刀座

卸刀座是用于铣刀从铣刀柄上装卸的位置，如图2-1-20所示。

3. 平口钳

平口钳用于装夹工件，并用螺钉固定在工作台上，如图2-1-21所示。

(四) 数控铣床程序结构及编程

1. 机床坐标系的确定原则

(1) 假定刀具相对于静止的工件而运动的原则。

(2) 采用右手笛卡儿直角坐标系的原则，如图2-1-22所示。

图2-1-20 卸刀座

图2-1-21 平口钳

图2-1-22 右手笛卡儿直角坐标系

(3) 机床坐标轴的确定方法: Z坐标轴的运动由传递切削动力的主轴所规定，对于铣床，Z坐标轴是带动刀具旋转的主轴; X坐标轴一般为水平方向，它垂直于Z轴且平行于工件的装夹平面; 最后再根据右手笛卡儿直角坐标系原则确定Y轴的方向。

2. 数控铣床机床坐标系

(1) 立式铣床机床坐标系如图2-1-23所示。

(2) 卧式铣床机床坐标系如图2-1-24所示。

图2-1-23 立式铣床机床坐标系

图2-1-24 卧式铣床机床坐标系

3. 机床原点、机床参考点

(1) 机床原点即数控机床坐标系的原点，又称机床零点，是数控机床上设置的一个固定点。它在机床装配、调试时就已设置好，一般情况下不允许用户进行更改。

(2) 机床参考点。该点在机床制造厂出厂时已调好，并将数据输入到数控系统中。对于大多数数控机床，开机时必须先进行各轴回参考点的操作，以建立机床坐标系并确定机床坐标系的原点。

三、方案设计

在任务实施中，介绍了具体的对刀方法，学生可以根据自己的习惯进行选择，教师可以准备几个不同厚度的块，比如10mm、20mm、50mm厚的块，当学生完成了对刀时，可以让学生操作机床，当G54坐标显示为Z50时，用厚度为50mm的块去比较Z0面到刀尖 (具体的对刀点) 的距离，若没有空隙，则说明对刀正确，其他几个厚度的块用来多次效验对刀的正确性。

四、任务实施

(一) “试切法”对刀及检验方法

1. 工件装夹

平口钳安装于铣床工作台上，用百分表校正 (钳口与X轴方向平行)。将50 mm× 50mm×20mm坯料装入平口钳中，下用垫铁，工件露出约钳口10mm，放平且夹紧。

2. 刀具装夹

把φ10mm键槽铣 (立铣刀)、8～10mm卡簧装入铣刀刀柄，再把铣刀刀柄连同铣刀装入铣床主轴。

3. 采用试切法对刀及刀具补偿实例

试切法对刀，就是在回参考点后，将标准刀具或标准测量棒移动并接触到毛坯工件原点或可以间接确定在工件原点的其他点上，利用数控系统反馈的坐标值，经过计算后获得工件原点与机床原点的位置关系。由于是利用数控系统的位置反馈获得工件原点在机床坐标系的位置，所以又称为机内对刀法。例如: 图2-1-25中的零件，工件坐标系设定在左上角点上，可以通过三次寻边接触毛坯获得工件原点的坐标值。注意: 在获取X/Y值时要将刀具半径考虑在内。

图2-1-25 试切法对刀

(a) 试切上表面获得Z值; (b) 试切左端面获得X值; (c) 试切前端面获得Y值

4. 对刀操作

使用G54～G59等零点偏置指令，将机床坐标系原点偏置到工件坐标系零点上。本次对刀，工件坐标系在工件左下角上表面处，通过对刀将偏置距离测出并输入存储到G54中，步骤如下:

(1)在MDI方式下输入“S500M3;”指令，按键，使主轴转动;或在手动方式下按主轴正转按钮，使主轴转动。

(2) X轴对刀。

在手动 (JOG) 方式下移动刀具，让刀具刚好接触工件左侧面，Z方向提起刀具，进行面板操作，操作步骤如下:

①按键，出现如图2-1-26所示画面。

②按“坐标系”软键，出现如图2-1-27所示画面。

图2-1-26 “OFFSET”界面

图2-1-27 “坐标系”界面

③光标移至G54的X轴数据。

④输入刀具在工件坐标系的X轴坐标值，此处为X-5，按“操作”软键，再按“测量”软键，完成X轴对刀。

(3) Y轴对刀。

在手动方式下移动刀具，让刀具刚好接触工件前侧面，Z方向提起刀具，进行面板操作，操作步骤如下:

①按键，出现如图2-1-26所示画面。

②按“坐标系”软键，出现如图2-1-27所示画面。

③光标移至G54的Y轴数据。

④输入刀具在工件坐标系的Y轴坐标值，此处为Y-5，按“操作”软键，再按“测量”软键，完成Y轴对刀。

(4) Z轴对刀。

在手动方式下移动刀具刚好接触工件上表面，进行面板操作。步骤如下:

①按键，出现如图2-1-26所示画面。

②按“坐标系”软键，出现如图2-1-27所示画面。

5. 对刀检验

(1)按键，使机床运行于MDI(手动输入)工作方式。

(2)按键。

(3) 按“MDI”软键，自动出现加工程序名称“O0000”。

(4) 输入测试程序“G90G00G54X0Y0Z10;”(或“G90G01G54X0Y0Z10. F5000;”)

(5)按键，运行测试程序。

(6) 程序运行结束后，观察刀具是否处于工件左下角工件原点上方10mm处，如是，则对刀正确; 如不是，则对刀操作不正确，需查找原因重新对刀。

6. 数控铣床报警与诊断

当数控铣床出现故障或操作失误时，数控系统就会报警，通过查找报警信息可知报警原因并加以消除。

(1)按功能键。

(2) 按“HISTRY”软键，显示报警信息如下。

①出现报警的日期;

②报警号;

③报警信息 (有些没有信息);

④页号;

(3) 用翻页键进行换页，查找其他报警信息。

(4) 要删除记录信息，按“操作”软键，然后再按“DELETE”软键。

(5) 查看系统说明书，了解报警内容及删除方法。

(二) 采用对刀辅助工具对刀

1. 对刀方法

根据现有条件和加工精度要求选择对刀方法，可采用试切、寻边器对刀、机内对刀仪对刀、自动对刀等方法。其中试切法对刀精度较低，加工中常用寻边器和Z轴设定器对刀，其效率高，能保证对刀精度。

1) 对刀工具

寻边器(见图2-1-28)、Z轴设定器(见图2-1-29) 和自动对刀仪(见图2-1-30)。

利用寻边器对刀，如图2-1-31所示。

Z轴设定器与刀具和工件的关系如图2-1-32所示。

2. 对刀工具

1) 寻边器

寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的X、Y值，也可以用于测量工件的简单尺寸。

图2-1-28 寻边器

(a) 偏心式寻边器; (b) 光电式寻边器

图2-1-29 Z轴设定器

图2-1-30 自动对刀仪

图2-1-31 寻边器对刀

图2-1-32 Z轴设定器与刀具和工件的关系

寻边器有偏心式和光电式等类型，其中以光电式较为常用。光电式寻边器的测头一般为10mm的钢球，用弹簧拉紧在光电式寻边器的测杆上，碰到工件时可以退让，并将电路导通，发出光信号，通过光电式寻边器的指示和机床坐标位置即可得到被测表面的坐标位置。

2) Z轴设定器

Z轴设定器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的Z轴坐标，或者说是确定刀具在机床坐标系中的高度。

Z轴设定器有光电式和指针式等类型，通过光电指示或指针判断刀具与对刀器是否接触，对刀精度一般可达0.005mm。Z轴设定器带有磁性表座，可以牢固地附着在工件或夹具上，其高度一般为50mm或100mm。

3. 对刀实例

如图2-1-33所示零件，采用寻边器对刀，其详细步骤如下:

图2-1-33 对刀实例

1) X、Y向对刀

(1) 将工件通过夹具装在机床工作台上，装夹时，工件的四个侧面都应留出寻边器的测量位置。

(2) 快速移动工作台和主轴，让寻边器测头靠近工件的左侧。

(3) 改用微调操作，让测头慢慢接触到工件左侧，直到寻边器发光，记下此时机床坐标系中的X坐标值，如-310.300。

(4) 抬起寻边器至工件上表面之上，快速移动工作台和主轴，让测头靠近工件右侧。

(5) 改用微调操作，让测头慢慢接触工件左侧，直到寻边器发光，记下此时机械坐标系中的X坐标值，如-200.300。

(6) 若测头直径为10mm，则工件长度为-200.300-( -310.300) -10=100 (mm)，据此可得工件坐标系原点W在机床坐标系中的X坐标值为-310.300+100/2+5=-255.300。

(7) 同理可测得工件坐标系原点W在机械坐标系中的Y坐标值。

2) Z向对刀

(1) 卸下寻边器，将加工所用刀具装上主轴。

(2) 将Z轴设定器 (或固定高度的对刀块，以下同) 放置在工件上平面。

(3) 快速移动主轴，让刀具端面靠近Z轴设定器上表面。

(4) 改用微调操作，让刀具端面慢慢接触Z轴设定器上表面，直到其指针指示到零位为止。

(5) 记下此时机床坐标系中的Z值，如-250.800。

(6) 若Z轴设定器的高度为50mm，则工件坐标系原点W在机械坐标系中的Z坐标值为-250.800-50-(30-20) =-310.800。

3) 将测得的X、Y、Z值输入到机床工件坐标系存储地址中 (一般使用G54～G59代码存储对刀参数)。

4. 注意事项

在对刀操作过程中需注意以下问题:

(1) 根据加工要求采用正确的对刀工具，控制对刀误差。

(2) 在对刀过程中，可通过改变微调进给量来提高对刀精度。

(3) 对刀时需小心操作，尤其要注意移动方向，避免发生碰撞危险。

(4) 对刀数据一定要存入与程序对应的存储地址，以防止因调用错误而产生严重后果。

(5) 机床回参考点后切换成手动模式时不能再按“+X”“+Y”“+Z”键，否则机床会因超程而报警; 沿-X、-Y、-Z方向移动时也应注意不能超过机床移动范围。

(6) 刚开始训练时尽量不用快速移动键，尤其是-X、-Y、-Z方向，以免刀具撞到机床主轴或工件表面。

(7) 工件、刀具的装拆要严格遵守安全操作规程; 夹紧工件后，加工过程中应关好机床防护门。

(8) 在试切削过程中，应随时注意调节“进给速度”旋钮，以避免进给速度过快而损伤刀具。

(9) 程序命名时不能取相同的程序名。

(10) 不可随意删除程序，特别是机床内部固定程序。

(11) 禁止修改机床参数值。

(12) 不允许随意进入不熟悉的控制界面，进行乱操作。

(13) MDI手动输入操作及对刀练习前，机床应已回参考点。

(14) 练习MDI手动输入操作训练时不能随意运行快速移动等指令，以免撞刀。

(15) 手动 (JOG) 状态下，移动方向不能错，否则会损坏刀具和机床。

(16) 在对刀练习中，刀具接近工件外圆面、端面时，进给倍率应较小，一般为1%～2%，进给倍率过大会损坏刀具或机床。

(17) 对刀前应注意确定刀具在刀架中的刀位号。

五、任务考核 (见表2-1-5)

表2-1-5 任务考核

六、拓展练习

(1) 多把刀具在一个程序中使用，使用G54～G59中的一个还是可以同时使用?

(2) 简述FANUC系统对刀步骤。