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为了满足数控机床的使用要求,在数控机床设计或数控编程中,其坐标系中设置了一系列有着不同用途的特殊点。在数控加工中,发现数控机床坐标系中的一些特殊点,在概念上非常容易混淆,现在通过对这些点的分析,掌握这些特殊点的定义、用途和设置方法,对于正确使用和维护机床是十分有意义的。

与数控机床坐标系有关的点,大体分为三类,第一类是与机床参考点有关的固定点,是机床零点、加工中心的换刀点、坐标轴行程点,这些点是有生产机床的厂家来制定,是不能改变的;第二类是与机床参考点有关但位置关系是可以变化的点,它们是工件坐标系原点、刀位点、编程范围;第三类是与工件坐标系原点有关的点,它们是对刀点,固定循环指令中的三个点。

1、机床原点

机床原点也称为机床零点,是为了使机床工作与数控系统控制同步而在机床上设置的一个物理位置。其作用是建立测量机床运动坐标的起始点。机床坐标系就是以该点为原点而建立的坐标系,它是机床固有的坐标系。也就是说数控机床坐标系是由生产厂家事先确定的,可由机床用户使用说明书中查到。机床零点的位置根据机床类型的不同而不同,一般都是通过机床上一些特殊的平面在空间相交而确定的,它是空间的一点,可以与机床参考点重合,也可以不重合。通常数控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。数控铣床的机床零点因生产厂家而异。

2、参考点

数控机床坐标系是机床固有的坐标系,但是在大多数情况下,当已装好刀具和工件时,机床的零点已不可能返回,因而需设参考点R。参考点是与机床原点相对应的点,是采用机械撞块与微动开关在每一个坐标轴上设置的一个物理位置,它与机床原点的位置相对固定的。机床参考点R是由机床制造厂家定义的一个点,R和M的坐标位置关系是固定的,其位置参数存放在数控系统中。当数控系统启动时,有些机床需要返回参考点R(也就是回零操作),因为每当机床断电后再启动时,数控系统并不知道机床零点在哪里。为了确定机床零点的位置,通常是在每一个坐标轴的行程内设置一个参考点,以此做为坐标轴的测量起点。由此建立各种坐标系。

3、坐标轴行程极限点

坐标行程极限是为了使机床移动部件在导轨上安全运行而设置的区域。为了得到这个区域,通常的做法是采用两个限位开关来设定坐标轴行程的两个极限位置。当安装在机床运动部件上的机械撞块压下相应的限位开关触头时,则产生电信号反馈到数控系统,也就确定了坐标轴行程的极限位置。这种采用极限撞块和限位开关方法而确定的坐标轴行程,称之为坐标轴的机械行程。但在实际数控加工中,仅有机械行程是不够的,还必须有指定坐标轴的编程范围。坐标轴的机械行程并不等于编程范围。前者的作用是把机床运动部件的运动范围限制在一个安全的区域内,而后者是用来规定被加工零件的最大加工范围

4、工件坐标系的原点(编程原点

编程时首先根据被加工零件的几何形状和尺寸,在零件图上设定编程坐标系(编程原点),使零件图上的所有几何元素在坐标系中都有确定的位置,为编程提供轨迹和运动方向。机床坐标系一般不做为编程坐标系。工件坐标系是编程人员在被加工的工件上或工装夹具上或机床的其他位置选定某一个已知点为坐标系的原点而建立的坐标系。我们把它称为工件坐标系。是编程坐标系在机床上的具体实现。这时候我们可以把编程坐标系也称之为工件坐标系。工件坐标系的原点也称之为程序原点或编程原点。然后,数控系统在处理加工零件程序时,自动将相对程序原点的所有点的坐标统一转换为相对机床零点的坐标。

5、刀位点

在进行数控加工编程时,往往是将整个刀具浓缩视为一个点,那就是“刀位点”。它是刀具上用于表现刀具位置的参照点。一般来说,立铣刀、端铣刀的刀位点是刀具轴线与刀具底面的交点;球头铣刀的刀位点是球心;镗刀、车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心;钻头是钻尖或钻头底面中心;线切割的刀位点则是线电极的轴心与零件面的交点。

6、对刀点

对刀点是确定刀具与工件相对位置的起始点。在数控加工中,为了方便测量和简化编程,往往不把程序原点做为对刀点,而另外选择一点作为对刀点。由于加工是从这一点开始的,所以对刀点也称为起刀点。对刀点与程序原点有确定的坐标关系。它可以设置在工件、夹具和机床上的任何点,也可以设置在任何便于对刀之处(如图2所示)。当该工件安装到机床上以后,可通过该点采用“对刀”的办法,来确定它和刀具的相对位置,或者说确定机床坐标系与工件坐标系的相对关系。

7、换刀点

加工中心和数控车床是多把刀具参与切削的数控机床,每当完成一个工序时,数控系统都要按程序指令的要求,将用过的旧刀与刀库中下道工序中即将使用的新刀进行交换以继续加工。新旧刀具的交换需要在一个固定的位置进行,也就是说换刀点是指加工过程中需要换刀时刀具的相对位置。换刀点可以设置在编程范围以内,也可以设置在编程范围以外(但必须在机床坐标轴机械行程范围以内),以能顺利换刀、不碰撞工件和其他部件为准。如在铣床上,常以机床参考点为换刀点;在加工中心上,以换刀机械手的固定位置点为换刀点;在车床上,则以刀架远离工件的行程极限点为换刀点。

8、对刀操作及其作用

所谓对刀操作就是将“对刀点”与“刀位点”重合的操作。该操作是在对工件加工前所进行的现场操作。对刀操作通常是采用手动的办法移动刀具或工件,使刀具的刀位点与工件的对刀点重合。因为对刀点与程序的原点有着确定的坐标关系,是工件坐标系中的一个点。而刀位点在机床坐标系中与机床零点也有着确定的位置关系,是机床坐标系中的一个点。前者代表着工件坐标系,后者代表着机床坐标系。所以,对刀操作使对刀点与刀位点重合,也就意味着确定了程序原点在机床坐标系中的位置,或者说是确定了机床坐标系与工件坐标系的相对关系。

9、数控铣床编程指令中需要设置的点

固定循环指令中的“3个点”。固定循环是孔加工中一些相似的动作预先编制成子程序,存储在数控系统的内存中,使用时用G指令来调用的功能。使用固定循环指令,可以使编程简单。但使用该指令有“3个重要点”关系到固定循环指令的正确使用。初始点:初始点是初始平面的所在位置。初始平面的作用,是为了安全进刀和退刀而设立的一个安全平面,它到被加工零件表面的距离,可以任意设定在一个安全高度上。在该高度上,可以保证刀具在停止状态时,不与加工零件和夹具发生碰撞。当使用同一把刀具加工若干孔时,只有孔间存在障碍需要跳跃或全部孔加工完时,才使用G98指令,使刀具返回初始平面上的初始点。

参考点:参考点又称为R点,是参考平面(也称R点平面)的所在位置。参考平面是刀具进给切削时,刀具由快进转位工进的分界平面。它与被加工零件表面的距离,根据工件表面的尺寸变化来确定,一般可取2~5mm。设置参考平面的主要目的,是当使用同一把刀具加工多个孔时,不必要加工完每一个孔都要返回初始平面。

孔底点:孔底点又称为Z点,是孔底平面的所在位置。加工盲孔时,孔底平面就是孔底的Z轴高度;加工通孔时,一般刀具还要伸长并超过孔底平面一段距离,主要是保证全部孔深都加工到尺寸。特别是钻孔时,要考虑钻尖对孔深的影响。
当采用G90编程时,“三点”位置一律为刀具终点的绝对坐标值。当采用G91编程时,“三点”位置均为相邻两点的距离值,即R为初始点到R点的距离,Z为R点到Z点的距离。