CNC 机床使用什么坐标系？

• 1
  CNC 机床在机床本体上使用的坐标系
• 2
  工件坐标系与 G54 至 G59
• 3
  绝对、增量以及控制系统如何读取
• 4
  旋转轴、G68 与 3+2 定向
• 5
  机床坐标、工件坐标与程序坐标对照

我们使用的每一套 CNC 控制系统都以笛卡尔坐标系为基础。三个直线轴彼此成 90°：X、Y、Z。Z 通常是主轴轴线，X 和 Y 位于与其垂直的平面内。空间中的一点写作 X、Y、Z，单位为毫米或英寸，从机床内部的固定原点量起。

该原点即机床零点，有时称为机床参考点。它由机床制造商设定，而非操作者。在多数立式加工中心上，机床零点位于行程范围的一个角，三个轴都从该点向正方向运动。在车床上，Z 沿主轴中心线，X 按直径测量，因此车床程序中的 X 是实际径向距离的两倍。

第三个轴与前两个轴同样重要。Z 偏差 0.05 mm，面铣刀就会空切或刮到工作台。在行程 500 × 500 × 450 mm 的 3 轴机床上，控制系统只知道刀尖相对机床零点的位置。在你告诉它之前，它并不知道零件装在哪里。

机床零点不是加工基准。它是控制系统用来跟踪位置的参考。程序中的其他坐标系都建立在它之上，因此一旦机床失去参考点，该机床上的所有偏置在重新回参考点之前都不可信。

若每条刀路都从机床零点编程，会非常麻烦。程序员改为定义工件坐标系（WCS），把原点放在零件上。控制系统将机床零点到该零件原点的距离存为工件偏置。G54 至 G59 是 Fanuc 风格控制系统上的标准六个偏置，多数制造商还增加 G54.1 P1 至 P48 或更多。

在典型加工中，操作者碰毛坯左上角，将其设为 X0 Y0，并在顶面设 Z0。工件坐标系偏移存入 G54 页面。程序随后就按零件角为 0, 0, 0 来读取。换零件后重新碰角，同一程序无需任何修改即可再次运行。

大多数装夹错误就出在这里。如果操作者在错误的角上设 G54，整个零件会偏移一个毛坯尺寸。100 mm 的方块从错误一侧对刀，所有特征都会移动 100 mm。刀路完全正确，零件却报废。

多个偏置可让一台机床在一次循环中加工多个虎钳或一个多工位工装夹具。工位一用 G54，工位二用 G55，工位三用 G56。每个工位有自己的原点，程序在每次换刀前调用相应偏置。计算由控制系统完成。

程序中坐标有两种形式。绝对移动（G90）告诉刀具从零件原点出发去哪里。增量移动（G91）告诉刀具从当前位置走多远。多数生产程序用 G90 定位，用 G91 做短距离重复移动，例如按固定孔距钻一排孔。

意外混用两者是典型的撞机原因。若一段按 G91 编写的程序在控制系统仍处于 G90 时运行，刀具会走到远离切削位置的绝对点。我们在每个程序开头保留安全启动段：G90 G54 G17 G40 G49 G80，加上主轴转速和刀长调用。这一行能避免我们见到的大多数错误。

刀长偏置存放在与工件偏置分开的寄存器中。控制系统在运行时把刀长加到 Z 工件偏置上，因此一个程序可调用十把不同刀具，每把都知道自己的刀尖位置。若刀具测入错误的寄存器，误差会表现为 Z 偏移，其数值等于两把刀之差。

刀具补偿是最后一层坐标。G41 和 G42 按偏置表中的半径把刀心偏离编程路径，这样程序员可按零件轮廓而非刀心标注尺寸。磨损偏置再将该半径微调几微米，以保持 ±0.005 mm 之类的公差，而无需重新后处理程序。

4 轴机床增加一个旋转轴，通常是绕 X 的 A 轴或绕 Y 的 B 轴。坐标系仍是笛卡尔坐标系，但一个直线轴被角度值取代。在卧式多工位工装上，B90° 表示零件转过了四分之一圈，刀具所见的 X 和 Z 方向相对零件已经互换。

五轴机床增加两个旋转轴，控制系统必须同时跟踪两个轴下的刀尖位置。现代控制系统用 TCPC（有时称 RTCP）实现。程序员编写刀尖位置，控制系统解算枢轴点，因此旋转轴倾斜时零件不会移动。没有 TCPC 时，每个倾斜角度都需要单独后处理的程序。

G68 坐标旋转处理较简单的情况。它绕指定中心将 XY 平面旋转一个角度，适用于板上特征图案处于非直角角度的情况。通过旋转坐标系在 30° 方向铣槽，而无需重新编程路径。下一工序前用 G69 取消。

倾斜工作平面更进一步。G68.2 或特定控制系统的循环定义一个与工作台不平行的平面，控制系统变换全部三个轴，使三轴风格的程序能在该倾斜面上切削。这在 3+2 装夹中很常见，转轴先分度到某一位置然后锁紧。这样用三轴编程习惯就能实现五面加工。

在我们 16 台同时五轴加工中心上，转台为 Ø400 mm。需要一次装夹五面加工的零件通常能装进这个范围；更大的零件放到 4,000 × 400 × 150 mm 行程的机床上，分多次装夹加工。