1.2　数控机床的坐标系

1.2.1　机床坐标系的命名规定

根据ISO841国际标准，我国制定了标准JB/T3051—1999《数控机床坐标和运动方向的命名》，对数控机床的坐标轴及运动方向作了明文规定。

标准规定，加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，都一律假定刀具相对于静止的工件移动，并且将刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。

为了确定机床的运动方向和移动距离，要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就是标准坐标系，也叫机床坐标系。机床坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系，如图1-4所示。坐标系中的3个移动轴分别用X、Y、Z表示，其中大拇指的方向为X轴的正方向，食指的方向为Y轴的正方向，中指的方向为Z轴的正方向；3个转动轴分别用A、B、C表示，其中围绕X的旋转轴为A轴，其中围绕Y的旋转轴为B轴，其中围绕Z的旋转轴为C轴，A、B、C的正方向根据右手螺旋方法确定。

一般说来，机床坐标系中3个移动坐标轴通常与机床的主要导轨相平行，3个转动轴通常表示对应工作台的旋转或摆动，如图1-5所示。

1.2.2　机床坐标轴的确定

确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，再确定X轴、Y轴。

（1）Z轴的确定

Z轴是由传递切削力的主轴确定的，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z轴，并取刀具远离工件的方向为Z轴正方向。例如在立式铣床上钻孔，钻入工件的方向为Z轴负方向，退刀方向为Z主轴正方向，如图1-6所示。对于没有主轴的机床（例如牛头刨床），则取垂直于工件装夹平面的坐标轴为Z轴，如图1-7所示。如果机床有几个主轴（例如立式镗铣床），则选择其中一个与工件装夹平面垂直的主轴为主要主轴，并以它作为Z轴方向，如图1-8所示。

（2）X轴的确定

X轴位于与工件定位平面相平行的水平面内，且垂直于Z轴。对于工件旋转的机床（例如数控车床），则X轴在水平面内且垂直于工件旋转轴线，刀具远离工件的方向为X轴的正方向，如图1-9所示。对于刀具旋转的机床，若主轴是垂直的（例如立式铣床），当从主轴向立柱看时，X轴的正方向指向右方，如图1-6所示。若主轴是水平的（例如卧式铣床），当从主轴向工件看时，X轴的正方向指向右方，如图1-10所示。当面对机床看时，立式铣床与卧式铣床的X轴正方向相反。对于无主轴的机床（例如刨床），则选定主要切削方向为X轴正方向，如图1-7所示。

（3）Y轴的确定

Y轴方向可根据已确定的Z轴、X轴方向，用右手直角笛卡儿坐标系来确定。

（4）回转轴

绕X轴回转的坐标轴为A，绕Y轴回转的坐标轴为B，绕Z轴回转的坐标轴为C，方向采用右手螺旋定则。例如数控车床的回转轴+C方向与主轴正转方向+C'相反，方向如图1-9所示。

（5）附加坐标轴

如果机床除有X、Y、Z主要的直线运动坐标外，还有平行于它们的坐标运动，则应分别命名为U、V、W，如图1-11所示的龙门铣床坐标系。如果还有第3组直线运动，则应分别命名为P、Q、R。

1.2.3　常见数控机床的坐标系设置

（1）数控车床坐标系

一般来说，简单数控车床的机床坐标系有两个坐标轴，即X轴和Z轴。两根坐标轴相互垂直，分别表示切削刀具不同方向的运动。其中Z轴表示切削刀具的纵向运动，它与车床主轴轴线相平行，且规定从卡盘中心指向尾座顶尖中心的方向为Z轴的正方向。X轴表示切削刀具的横向运动，它位于水平面内且与主轴轴线相垂直，且规定刀具远离主轴旋转中心的方向为X轴的正方向。

数控车床按刀架位置的不同分为前置刀架数控车床和后置刀架数控车床，当刀架与操作者位于工件同一侧时为前置刀架，当刀架与操作者分别位于工件两侧时为后置刀架，如图1-12所示。一般平床身数控车床大多采用前置刀架，斜床身数控车床大多采用后置刀架。由于刀架位置的不同，机床坐标系也有所差异，如图1-13所示。

（2）数控铣床坐标系

一般说来，简单数控铣床的机床坐标系有三个坐标轴，即X轴、Y轴和Z轴。其中与机床主轴轴线平行的方向为Z轴，且规定远离工件的方向为Z轴的正方向。在水平面内与主轴轴线垂直的方向为X轴，且规定水平向右的方向为X轴的正方向。Y轴方向根据右手法则来确定。数控铣床分为卧式铣床和立式铣床，具体坐标系如图1-14所示。

1.2.4　与坐标系相关的基本概念

（1）机床原点和机床坐标系

机床原点又称为机床零点或机械原点，是由机床制造商在机床上设置的一个固定点，该点是机床制造和调整的基础，也是设置工件坐标系的基础，一般情况下不允许用户进行更改。生产过程中，数控车床的机床原点通常设置在主轴旋转中心线与卡盘后端面的交点处或者刀架正向位移的极限位置处，如图1-15所示；数控铣床的机床原点通常设置在X、Y、Z三个直线坐标轴的正向极限位置处，如图1-16所示。

以机床原点为原点建立的坐标系称为机床坐标。机床坐标系是机床本身固有的一个坐标系，是由机床厂家通过硬件系统建立起来的，主要用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的位置以及运动范围等。

（2）机床参考点

机床参考点是机床上相对于机床原点的一个固定点，是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中，因此参考点相对机床原点的坐标是一个已知数。通常情况下，数控铣床或加工中心上的机床原点和机床参考点是重合的，并作为换刀的位置；数控车床上的机床参考点通常位于刀架正向位移的极限点位置处。

数控机床若是采用相对编码器，那么开机后必须先确定机床原点，具体做法是执行回参考点操作，通过参考点当前的位置和系统参数中设定的机床参考点与机床原点间的距离值可反推出机床原点的位置。如图1-17所示，O为机床原点，O'为机床参考点，当机床开机执行回参考点操作之后，系统显示屏就显示ϕa和b，其中b为参考点与原点间的Z向距离参数值，ϕa为参考点与原点间的X向距离参数值。数控机床若采用绝对编码器，那么开机后不需要回参考点就可以进行加工操作。

（3）工件原点与工件坐标系

在实际生产过程中，为了编程方便，需要根据具体零件图样在工件上建立的一个坐标系，该坐标系称为工件坐标系，也称为编程坐标系。工件坐标系是以机床坐标系为参考通过对刀操作建立的，二者相比，其坐标轴及方向完全相同，只有坐标原点位置不同。

工件坐标系的原点就是工件原点，也称工件零点。工件原点一般选在工件图样的设计基准上，以便减少编程计算的工作量，同时还要注意对刀操作方便。在数控车削加工中，工件原点通常设置在工件左端面中心处或右端面中心处，如图1-18所示。在数控铣削加工中，若工件几何形状对称，则工件原点通常设置在上表面的几何中心处；若工件形状非对称，则工件原点通常设置在上表面的某一角点处，如图1-19所示。

另外为了编程方便，常常在图纸上选择一个适当位置作为程序原点，也叫编程原点或程序零点。对于简单零件，工件原点就是程序零点，这时的编程坐标系就是工件坐标系。对于形状复杂的零件，需要编制几个程序或子程序，为了编程方便和减少许多坐标值的计算，编程零点就不一定设在工件零点上，而设在便于程序编制的位置，如图1-20所示。

（4）对刀点

在数控加工中，工件可以安装在机床上任意位置处，然而为了正确执行加工程序，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，也就是程序执行时刀具相对于工件运动的起始点，这个位置称为起刀点。由于起刀点一般通过对刀来确定，所以又称为对刀点。对刀点的设置没有严格规定，可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，但在编程坐标系中必须有确定的位置，如图1-21所示的X1和Y1。

在实际加工中，选择对刀点主要考虑找正容易，编程方便，对刀误差小，加工时检查方便、可靠等因素。为了提高零件的加工精度，对刀点则尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上，例如零件上孔的中心点或两条相互垂直的轮廓边的交点可以作为对刀点，有时零件上没有合适的部位，可以加工出工艺孔来对刀。

（5）换刀点

对于数控车床、加工中心等多刀数控加工机床，在加工过程中需要进行换刀操作，因此必须设置换刀的位置即换刀点。换刀点的设定原则是以刀架转位换刀时不碰撞工件和机床其他部件为准，同时使换刀路线最短。在实际生产中，加工中心一般要求在参考点处进行换刀操作，因此换刀点是一个固定点，如图1-22所示；数控车床一般由编程员设定一个任意点进行换刀，如图1-23所示。