Объяснение систем координат станков с ЧПУ: правило правой руки, MCS, WCS и смещения инструмента.

Прежде чем изучать системы координат, вы можете сначала ознакомиться с нашим руководством о том, что такое станок с ЧПУ и как развивалась технология ЧПУ.

Система координат станка с ЧПУ определяет, как станок идентифицирует положение режущего инструмента, заготовки и начала координат обработки. Без правильно установленных координатных точек станок с ЧПУ не может точно преобразовать запрограммированные размеры в фактические перемещения по осям.

Станок с ЧПУ не сможет точно перемещаться, если не будет знать три вещи:

1. Местонахождение машины в пределах ее диапазона перемещения
2. Место расположения заготовки на рабочем столе станка
3. Где находится точка резания выбранного инструмента

Эти позиции определяются с помощью координатных ссылок и значений компенсации.

Для операторов станков с ЧПУ, программистов и инженеров-технологов понимание системы координат станка, системы координат заготовки и системы координат инструмента имеет важное значение. Неправильное направление осей, смещение заготовки или значения компенсации инструмента могут привести к погрешностям размеров, столкновениям инструментов и повреждению заготовок.

В данной статье рассматриваются правило правой руки, система координат станка, система координат заготовки, смещения заготовки G54–G59 и компенсация инструмента. Также показано, как эти концепции применяются в производстве литейных форм и вторичной обработке на станках с ЧПУ.

Что такое система координат станка с ЧПУ?

Система координат станка с ЧПУ обеспечивает необходимую позиционную привязку для точного перемещения станка. Она помогает контроллеру ЧПУ определять положение станка, начало координат заготовки и эффективную точку резания выбранного инструмента.

Почему станкам с ЧПУ необходимы системы координат?

Программа для станка с ЧПУ содержит команды позиционирования.

Например, программа может дать указание машине переместиться в:

X50.000 Y25.000 Z-5.000

Однако эти значения бессмысленны, если система ЧПУ не знает, где находятся нулевые точки по осям X, Y и Z.

Таким образом, машине требуется несколько опорных слоев:

• Фиксированная точка отсчета для самой машины.
• Программируемый ориентир для заготовки
• Значения компенсации для фактического режущего инструмента

Эти ссылки позволяют использовать одну и ту же программу ЧПУ даже в следующих случаях:

• Заготовка установлена ​​в другом положении.
• Светильник перемещен
• Загружен другой режущий инструмент.
• На одном и том же станочном столе установлено несколько заготовок.
• Для разных операций механической обработки используются разные базовые точки.

Без правильно заданных координат контроллер ЧПУ не сможет преобразовать запрограммированные размеры в фактическое перемещение станка.

Правило правой руки для станков с ЧПУ

В станках с ЧПУ обычно используется правосторонняя декартова система координат.

Правило правой руки представляет собой стандартный метод определения положительных направлений осей X, Y и Z.

Для наглядности правила:

• Направьте большой палец правой руки в положительном направлении оси X.
• Направьте указательный палец правой руки в положительном направлении оси Y.
• Направьте правый средний палец в положительном направлении оси Z.

Три пальца должны быть перпендикулярны друг другу.

Этот метод помогает программистам и операторам понять взаимосвязь между тремя линейными осями.

Как определяются оси X, Y и Z

Несмотря на различное физическое строение станков с ЧПУ, их координатные направления подчиняются стандартизированным принципам.

По оси Z

Ось Z обычно параллельна главной оси шпинделя.

Положительное направление оси Z увеличивает расстояние между режущим инструментом и заготовкой.

Для вертикального обрабатывающего центра:

• Шпиндель расположен вертикально.
• Обычно при нажатии клавиши Z+ инструмент отводится от заготовки.
• Z− перемещает инструмент в сторону заготовки.

Простой способ это запомнить:

Положительное значение Z означает удаление от заготовки.

Это одно из важнейших правил определения направления осей в станках с ЧПУ.

По оси X

На типичном вертикальном обрабатывающем центре, если смотреть со стороны оператора:

• X+ обычно находится справа
• X− обычно направлен влево.

Ось X обычно параллельна основному горизонтальному направлению перемещения стола станка.

Ось Y

Направление оси Y определяется правилом правой руки.

На стандартном вертикальном обрабатывающем центре:

• Обычно Y+ находится вдали от оператора.
• Точка Y− обычно направлена ​​в сторону оператора.

Типичные направления вертикального обрабатывающего центра

Ось	Типичное положительное направление
X+	Правильно
Y+	Вдали от оператора
Z+	Вверх и в сторону от заготовки

Точное физическое перемещение может варьироваться, поскольку на одних станках перемещается стол, а на других — шпиндель или колонна. Направления осей станков с ЧПУ определяются в соответствии с относительным перемещением инструмента и заготовки.

Что такое система координат станка?

Система координат станка , обычно сокращенно обозначаемая как MCS , — это основная система координат станка с ЧПУ.

Он устанавливается производителем станка и связан с диапазоном механического перемещения станка.

Система координат станка фиксирована. Операторы и программисты обычно не изменяют её нулевое положение.

Нулевое и опорное положение станка

Часто используются два связанных термина:

• Машина ноль
• Исходное положение станка

Иногда они располагаются в одном и том же месте, но технически они не всегда могут быть идентичными.

Опорное положение — это известное физическое положение, используемое системой управления для определения или подтверждения координат осей станка.

В машинах, использующих инкрементальную обратную связь по положению, обычно требуется процедура возврата к исходному значению после включения питания.

Современные станки, оснащенные абсолютными энкодерами, могут сохранять положение своих осей после выключения и могут не требовать традиционного цикла возврата в исходное положение каждый раз при запуске станка.

Для чего используется система координат станка?

Система координат станка обеспечивает основу для:

• Ограничения перемещения по оси
• Защита от перебега
• Положения смены инструмента
• Проверка зазоров между светильниками
• Расчеты компенсации трудозатрат
• Отображение положения машины
• Безопасные перемещения машин

Механическое или машинное положение, отображаемое на контроллере ЧПУ, обычно определяется системой координат станка.

Простое сравнение

Машинную систему координат можно сравнить с глобальной картой города.

Независимо от местоположения здания, его положение можно определить по одной и той же карте города.

Аналогичным образом, каждая заготовка, приспособление и режущий инструмент в конечном итоге располагаются в системе координат станка.

Что такое система координат работы?

Рабочая система координат ( WCS ) — это система координат, устанавливаемая в соответствии с чертежом заготовки и базовыми параметрами обработки.

Вместо того чтобы программировать каждое положение относительно фиксированной нулевой точки станка, программисты ЧПУ определяют удобную нулевую точку на заготовке.

К распространённым нулевым положениям заготовки относятся:

• Центр верхней поверхности
• Уголок сырья
• Центр скважины
• Центр круглой части
• Обработанное установочное отверстие
• Опорная точка крепления

Выбранная точка отсчета должна, по возможности, соответствовать проектной базовой точке, стратегии обработки и методу контроля качества.

Зачем нужна система координации работы?

На чертеже детали отверстие может быть обозначено как расположенное на расстоянии 50 мм от левого края и 30 мм от нижнего края.

Таким образом, программа ЧПУ может использовать базовую точку чертежа в качестве начала координат.

Однако физическое положение этой точки отсчета внутри станка с ЧПУ зависит от:

• Место зажима заготовки
• Способ установки светильника
• Какое положение стола станка используется?
• Была ли деталь установлена ​​заново?
• Обрабатывается ли несколько деталей одновременно.

Оператор измеряет фактическое начало координат заготовки и сохраняет его положение в виде смещения заготовки.

Затем система ЧПУ преобразует запрограммированные координаты заготовки в координаты станка.

Что такое компенсации в рамках работ по стандартам G54 и G59?

Во многих системах ЧПУ, включая широко используемые системы FANUC, G54–G59 являются стандартными смещениями рабочих координат.

Каждый код представляет собой независимую рабочую систему координат.

Смещение работы	Типичное применение
G54	Первая заготовка или первая базовая точка обработки
G55	Вторая заготовка или вторая базовая точка
G56	Третья заготовка или третья опорная точка
G57	Дополнительное приспособление или операция
G58	Дополнительное приспособление или операция
G59	Дополнительное приспособление или операция

Строка, например:

G54

Указывает контроллеру ЧПУ, что следующие запрограммированные координаты должны интерпретироваться относительно начала координат заготовки G54.

Пример: Одна заготовка

Если на столе установлен только один компонент, программа может использовать команду G54 для выполнения всей операции обработки.

Пример: Несколько заготовок

Предположим, на одном светильнике установлены три одинаковых алюминиевых корпуса.

Оператор может определить:

• G54 для заготовки 1
• G55 для заготовки 2
• G56 для заготовки 3

Затем ту же самую подпрограмму обработки можно повторить, используя три различных смещения заготовки.

Пример: Многократная обработка на станке

Для разных операций компоненту могут потребоваться разные базовые параметры.

Например:

• G54 для обработки верхней поверхности
• G55 для боковой обработки
• G56 для базовой точки установочного отверстия

Использование отдельных смещений помогает упорядочить настройку и сократить количество ненужных вычислений координат внутри программы ЧПУ.

Расширенные компенсации за отгулы

Некоторые системы ЧПУ поддерживают расширенные смещения при выполнении работ, например:

G54.1 P1
G54.1 P2
G54.1 P3

Количество доступных расширенных смещений зависит от контроллера станка и установленных опций.

Эти дополнительные смещения полезны для:

• Многокомпонентные приспособления
• паллетные системы
• Автоматизированные производственные линии
• Светильники для надгробий
• Гибкие производственные системы

Опорные точки инструмента и компенсация инструмента

Различные режущие инструменты имеют разную длину и диаметр.

Например:

• Фрезерный станок для торцевой обработки может быть относительно коротким.
• Бурение глубоких скважин может занять гораздо больше времени.
• Фреза с шаровым наконечником имеет другую геометрию режущей кромки.
• Диаметр развертки может быть меньше, чем заданная траектория отверстия.

Система ЧПУ должна точно знать соотношение между исходным положением шпинделя и эффективной точкой резания инструмента.

Эти взаимоотношения регулируются посредством смещения и компенсации инструментов.

Компенсация длины инструмента

Компенсация длины инструмента позволяет системе ЧПУ учитывать различия в длине инструмента.

Типичная команда выглядит так:

G43 H01

В этой команде:

• G43 активирует компенсацию положительной длины инструмента.
• H01 вызывает смещение длины, хранящееся в регистре 01.

Фактическая реализация и система обозначений могут различаться в зависимости от оборудования, контроллера, метода измерения и стандарта программирования компании.

Почему важна компенсация длины инструмента

Без компенсации длины инструмента каждая смена инструмента потребовала бы переписывания всей программы ЧПУ в соответствии с новой длиной инструмента.

При правильной настройке смещения длины инструмента можно обрабатывать одну и ту же базовую деталь разными инструментами без изменения запрограммированных координат Z.

Компенсация длины инструмента особенно важна для:

• Бурение
• Нажатие
• Глубокая обработка карманов
• Обработка полостей пресс-формы
• Операции многоинструментальной обработки
• Автоматическая смена инструмента

Компенсация радиуса инструмента

Компенсация радиуса инструмента позволяет контроллеру ЧПУ смещать центр инструмента относительно запрограммированного контура детали.

К числу распространенных команд относятся:

G41
G42
G40

Как правило:

• G41 применяет компенсацию резания к одной стороне запрограммированной траектории.
• G42 применяет компенсацию к противоположной стороне.
• G40 отменяет компенсацию за использование катера.

Точное положение инструмента (влево или вправо) должно определяться в зависимости от направления его движения.

Почему компенсация радиуса инструмента полезна

Компенсация радиуса инструмента упрощает:

• Отрегулируйте размеры компонентов.
• Компенсация износа инструмента
• Используйте инструмент немного другого диаметра.
• Разделите расчеты геометрии компонента и центровки инструмента.
• Оптимизируйте размеры чистовой обработки без полной перерисовки контура.

Однако направление ввода, вывода и компенсации должно быть запрограммировано правильно. Неправильное использование может привести к срабатыванию сигнализации, повреждению или неправильным размерам компонентов.

Как взаимодействуют координатные системы

Контроллер ЧПУ объединяет несколько элементов информации для определения необходимого положения станка.

В концептуальном плане процесс выглядит следующим образом:

Programmed position
+ work offset
+ tool compensation
= actual machine movement

Данная формула представляет собой упрощенное объяснение, а не универсальную формулу расчета контроллера.

Полные взаимоотношения могут также включать в себя:

• Локальные сдвиги координат
• Смещение светильников
• Преобразования вокруг оси вращения
• Пятиосевые кинематические преобразования
• контроль центральной точки инструмента
• Динамические компенсации рабочих нагрузок
• Параметры калибровки станка

Для стандартной трехкоординатной обработки основная взаимосвязь может быть понята следующим образом:

Слой 1: Система координат станка

Это фиксированная физическая точка отсчета для машины.

Уровень 2: Система координат работы

Смещение G54, G55 или другое смещение определяет положение начала координат заготовки в системе координат станка.

Уровень 3: Компенсация инструмента

Длина инструмента и радиус смещения определяют фактическое положение точки резания относительно шпинделя и запрограммированной траектории.

Система ЧПУ объединяет эти опорные точки для правильного позиционирования режущей кромки на заготовке.

Почему рабочий стол станка может двигаться в противоположном направлении?

Одна из распространенных причин путаницы заключается в том, что физическое перемещение стола станка может казаться противоположным направлению осей, отображаемому на контроллере.

Например, на некоторых вертикальных обрабатывающих центрах:

• Оператор нажимает X+
• Стол физически перемещается влево.
• Таким образом, инструмент перемещается вправо относительно заготовки.

Направление координат ЧПУ определяется относительным перемещением инструмента относительно заготовки , а не только тем, какой компонент станка физически перемещается.

Именно поэтому две разные машины могут двигаться по-разному, даже если они используют одну и ту же систему координат, заданную в программе.

Безопасные методы эксплуатации

При работе с незнакомым оборудованием:

• Используйте низкую скорость подачи.
• Выберите небольшой шаг скольжения
• Обратите внимание на относительное перемещение инструмента и заготовки.
• Перед резким движением убедитесь в направлении оси.
• Перед запуском автоматической работы проверьте зазор.

Эта простая процедура может предотвратить коллизии и ошибки настройки.

Системы координат ЧПУ в производстве литейных форм

Координатный контроль особенно важен при изготовлении литейных форм.

Форма для литья под давлением содержит множество компонентов, которые должны быть точно выровнены, в том числе:

• Вставки для полостей
• Вставки в сердцевину
• Горки
• Атлеты
• Отверстия для выталкивающих штифтов
• Каналы охлаждения
• Системы направляющих
• Дополнительные карманы
• Вентиляционные прорези
• Вставные карманы
• Разделительные поверхности

Рабочая система координат должна соответствовать выбранным базовым точкам обработки и сборки.

Обработка полостей пресс-форм и вставок стержней.

При обработке полостей и стержней начало координат заготовки часто определяется с помощью следующих методов:

• Центр вставки пресс-формы
• Точный опорный угол
• Опорные поверхности грунта
• Расположение отверстий
• Центр основания формы

По возможности, данные должны оставаться неизменными во всех операциях.

Стратегия стабильных координат улучшает взаимосвязь между:

• Грубая обработка
• Термическая обработка
• Полуотделка
• Отделка
• позиционирование электрода электроэрозионной обработки
• операции по резке проволоки
• Сборка пресс-формы
• Финальный контроль изделия

Некачественное планирование базовых параметров может привести к несоответствию полости, неправильному позиционированию вставки или отклонению размеров после многократных настроек.

Обрабатывающие направляющие и гнезда для вставок

Направляющие и подвижные компоненты пресс-форм часто имеют наклонные поверхности и несколько координатных систем.

Инженер должен учитывать следующее:

• Направление движения скольжения
• Угол фиксирующей поверхности
• Положение закрытой поверхности
• Вставьте базовую точку сборки
• Доступность обработки
• Ориентация светильника
• Точность повторной установки

Если деталь необходимо обрабатывать в нескольких положениях, для каждой настройки можно использовать отдельные смещения заготовки.

Например:

• G54 для основной поверхности полости
• G55 для боковой запорной поверхности
• G56 для функции наклонного скольжения

Это позволяет сохранить четкую структуру программы и сокращает объем ручного преобразования координат.

Обработка деталей, отлитых под давлением, на станках с ЧПУ.

Детали, изготовленные методом литья под давлением, часто требуют дополнительной обработки на станках с ЧПУ после отливки.

К числу типичных обрабатываемых элементов относятся:

• Уплотнительные поверхности
• Резьбовые отверстия
• Отверстия подшипников
• Отверстия для разъемов
• Базовые точки крепления
• Точные сборочные поверхности
• Плоские монтажные поверхности
• Позиционирующие отверстия

Для серийного производства система координат работы должна быть установлена ​​на основе стабильных отливочных или оснасточных баз.

При проектировании базовой системы необходимо учитывать:

• Отклонение размеров при литье
• Вспышка разделительной линии
• Углы уклона
• Следы от выталкивателя
• Деформация зажима
• Пористость в обработанных областях
• Повторяемость приспособления
• Припуск на обработку

Пример: Корпус из литого алюминия

Рассмотрим литой алюминиевый корпус, для изготовления которого требуются следующие характеристики:

• Фрезерование уплотнительной поверхности
• Сверление четырех монтажных отверстий
• Нарезание резьбы в двух резьбовых отверстиях.
• Сверление отверстия для прецизионного разъема

В практической стратегии работы с координатами могут использоваться:

• Z ноль на готовой уплотнительной поверхности
• Координаты X и Y равны нулю в центре основного позиционирующего элемента.
• Приспособление, разработанное с учетом стабильных базовых параметров литья.
• Смещение длины инструмента для каждого режущего инструмента
• Радиус инструмента или компенсация износа для критически важных размеров

Такая компоновка упрощает проверку программы и позволяет корректировать размеры без изменения всей траектории движения инструмента.

Почему координационное планирование следует начинать на этапе проектирования и строительства (DFM)?

Планирование координации не следует начинать только после того, как отливка или вставка формы попадут в станок с ЧПУ.

Это следует пересмотреть на этапе проектирования с учетом технологичности производства (DFM) и планирования процесса.

Инженерной команде следует учесть следующее:

• Какие поверхности будут использоваться в качестве базовых элементов при обработке?
• Какие характеристики будут использоваться для позиционирования светильников?
• Сохранится ли стабильность опорной точки после литья?
• Способен ли режущий инструмент достичь каждой детали
• Приведёт ли механическая обработка к обнажению внутренней пористости
• Как будет измеряться компонент
• Используют ли несколько операций согласованные ссылки
• Как деформация повлияет на окончательные размеры

Раннее планирование координат и опорных точек может уменьшить:

• Сложность приспособления
• Время установки
• Изменение размеров
• Переделывать
• лом
• Сложность осмотра
• Стоимость производства

Распространенные ошибки при настройке координат на станках с ЧПУ.

1. Неправильное смещение работы

Если выбрано неправильное смещение G54, G55 или другое смещение заготовки, станок может переместиться в неправильное положение заготовки.

2. Неправильная установка нуля по оси Z.

Неправильная ссылка Z может привести к следующим последствиям:

• Слишком глубокий разрез
• Обработка над компонентом
• Поломка инструмента
• Столкновение крепежных элементов

3. Неправильное смещение длины инструмента

Указание неверного значения H может привести к неправильному расположению инструмента на заданной высоте.

4. Неправильная компенсация радиуса инструмента.

Неправильное значение D или направление G41/G42 может привести к получению профиля большего или меньшего размера.

5. Заготовка установлена ​​в неправильном положении.

Смещение рабочей зоны может быть правильным, но компонент может быть повернут или перевернут в приспособлении.

6. Несогласованные данные программирования и настройки.

Если программист CAM-системы и оператор станка используют разные предположения о нулевой точке, программа не сможет работать корректно.

7. Игнорирование относительного перемещения стола и инструмента.

Неправильное понимание физического движения стола может привести к тому, что оператор будет перемещать станок в неправильном направлении.

Рекомендуемая процедура проверки координат

Перед запуском автоматической обработки:

1. Подтвердите выбранную программу и смещение рабочего времени.
2. Проверьте ориентацию заготовки.
3. Проверьте координаты по осям X, Y и Z.
4. Проверьте номера инструментов и регистры смещения.
5. Проверьте значения G43, H и D.
6. Проверьте зазоры между приспособлением и инструментом.
7. Для первого запуска используйте одноблочный режим работы.
8. Уменьшить количество быстрых переопределений
9. При необходимости проведите проверку на герметичность или проверку на безопасную высоту.
10. Перед началом серийного производства проверьте первый готовый компонент.

Для пресс-форм и дорогостоящих компонентов эти проверки особенно важны, поскольку даже одна ошибка в координатах может повредить как заготовку, так и режущий инструмент.

Управление координатами ЧПУ на литейном заводе

В компании Cast Mold планирование координат и базовых точек учитывается на протяжении всего производственного процесса.

Наш рабочий процесс может включать в себя:

1. Проверка чертежей и 3D-моделей
2. DFM-анализ
3. Анализ плесени
4. Проектирование литейных форм
5. Планирование технологических процессов ЧПУ и электроэрозионной обработки
6. Производство пресс-форм
7. Испытание плесени и отбор проб
8. Литье под давлением из алюминия или цинка
9. Вторичная обработка с ЧПУ
10. Обработка поверхности и контроль

Согласовав базовые точки проектирования, пресс-формы, обработки и контроля, мы можем сократить количество ненужных преобразований координат и повысить стабильность производства.