CNC 铣削坐标系变得简单

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您将在任何地方使用您的 CNC 铣削坐标系基础知识，而不仅仅是一台特定的 CNC 机床。即使是最新的 CNC 机器的核心也是相同的：它们使用 X、Y 和 Z 轴来定义机器内部的坐标空间，并且工具（有时是立铣刀，有时是挤出机，有时是激光束）移动在那个空间周围。技术可能会改变，但基本面基本保持不变。在本文中，我们将介绍 CNC 坐标系的基础知识，包括笛卡尔坐标系、工件坐标系 (WCS) 和偏移量。

为什么坐标对于 CNC 铣削很重要？

增材机自下而上构建零件。毫无疑问，部件从构建板上的哪个位置开始。然而，像铣床这样的东西必须从外部物体中减去材料。为此，机器需要了解库存在物理空间中的位置。如果只是像将一块金属推入您的 CNC 并按下 go 一样简单。

添加各种铣刀时，事情开始变得复杂。每个钻头都有不同的长度，这会改变主轴基准和工件之间的距离。您刚刚为 1 英寸长的立铣刀设置的原点不适用于 3 英寸长的钻头。

您可以将坐标系视为 CNC 机器如何理解 3D 空间。如果没有坐标系，您的 CNC 绝对无法知道：

• 你的材料块在哪里
• 您的工具距离您的零件有多远
• 使用哪些动作来加工零件

坐标系乍一看似乎很复杂，但它可以分解为简单的组件。我们先从笛卡尔坐标系的基础开始。

笛卡尔基础

几乎所有 CNC 机床都使用基于 X、Y 和 Z 轴的笛卡尔坐标系。该系统允许机器沿特定平面在特定方向上移动。

将笛卡尔系统简化为基础，您就有了一个熟悉的数轴。线上的一个点被指定为 Origin . Origin左边的数字都是负数，右边的数字是正数。

将 X、Y 和 Z 轴以 90 度角组合在一起，您就可以为 CNC 机床创建一个可以在其中移动的三维空间。每个轴在 原点相交 .

当两个轴连接时，它们形成一个平面。例如，当 X 轴和 Y 轴相交时，您会得到一个 XY 平面，其中大部分工作发生在 2.5D 零件上。这些平面分为四个象限，编号为 1-4，有各自的正负值。

了解与 CNC 机床相关的笛卡尔坐标系的一种简单方法是使用 右手定则 .将手掌向上伸出，拇指和食指朝外，中指朝上。将手放在 CNC 机床前，与机床主轴对齐，您会看到轴完美对齐。

• 中指是 Z 轴。
• 食指是 Y 轴。
• 拇指是 X 轴。

CNC 机床如何使用坐标

使用笛卡尔坐标系，我们沿每个轴控制 CNC 机器，将一块材料转换成成品零件。虽然很难使用相对术语来描述轴，但基于每个轴，您通常会从面向机器的操作员的角度获得以下运动：

• X 轴允许“左”和“右”移动
• Y 轴允许“向前”和“向后”移动
• Z 轴允许“向上”和“向下”移动

将所有这些放在一起，您就有了一台 CNC 机床，可以在 XY 平面和沿 Z 轴的不同深度切割工件的各个侧面。无论是铣床、刳刨机还是激光机，都使用这种基本运动系统。

CNC 沿坐标系的移动始终基于工具的移动方式，而不是工作台。例如，增加 X 坐标值，工作台向左移动，但从工具的角度来看，它是沿着工件向右移动。

增加 Z 轴坐标会使主轴向上移动，减小 Z 轴坐标会将其向下移动到工件中。您正在切割对应于负 Z 轴坐标的部分。

如果阅读让您比以前更加困惑，请不要担心。理解工具和桌子移动之间的区别比用文字解释更容易展示。观看下面来自 Robert Cowan 的视频，了解实际情况：

您的 CNC 机床的来源

每台 CNC 机床都有自己的内部原点，称为 Machine Home .当您的 CNC 首次启动时，它不知道它在物理空间中的位置，需要校准才能获得其轴承。

当此过程发生时，CNC 的所有三个轴都会向其最大机械极限移动。一旦达到极限，就会向控制器发送一个信号，该控制器记录该特定轴的起始位置。当所有三个轴都发生这种情况时，机器现在已“归位”。

在引擎盖下，该过程可能因机器而异。对于某些机器，有一个物理限位开关，可向控制器发出机器已达到轴极限的信号。在某些机器上，有一个完整的伺服系统，使整个过程非常流畅和精确。机器控制器通过电路板将信号发送到连接到每个机器轴的伺服电机。伺服电机旋转连接在 CNC 机床工作台上的滚珠丝杠，使其移动。

工作台的来回运动可即时传达坐标变化，精度高达 0.0002 英寸。

机械师如何使用 CNC 坐标

到目前为止，我们已经讨论了 CNC 机床如何使用其内部坐标系。问题是，这个坐标系并不是我们人类很容易参考的。例如，当您的 CNC 找到其原始位置时，它通常在 X、Y 和 Z 轴上处于极端的机械限制中。想象一下，必须使用这些极端坐标值作为 CNC 程序的起点。真是一场噩梦。

为了更轻松地编写 CNC 程序，我们使用了一种专为人工操作而设计的不同坐标系，称为 工作坐标系 或 WCS . WCS 在一块材料上定义一个特定的原点，通常在 Fusion 360 等 CAM 软件中。

您可以将材料块上的任何点定义为 WCS 的原点。原点确定后，您需要使用寻边器、百分表、探针或其他定位方法在 CNC 机床内定位它。

为您的 WCS 选择一个起点需要仔细规划。在进行此过程时请记住以下几点：

• 需要使用寻边器或探头通过机械方式找到原点
• 可重复的来源有助于节省更换零件的时间
• 来源需要考虑下游操作所需的容差

可能还有另一个关于选择最佳原点的完整博客，尤其是对于每个后续设置，因为公差叠加开始增长。请务必牢记先前加工的特征、定位机构和机器的公差，以确保您的最终零件符合规格。

CNC 和人体坐标如何交互

正如我们上面提到的，人工操作员将使用 WCS，它为编写 CNC 程序提供了一组简单的坐标。但是，这些坐标总是与机床坐标不同，那么您的 CNC 机床如何将两者对齐？带偏移量。

CNC 机床将使用零偏来确定您的 WCS 与其自己的起始位置之间的距离差。这些偏移量存储在机器的控制器中，通常可以在偏移量表中访问。

在这里我们可以看到编程了几个偏移量； G54、G55 和 G59。拥有多个偏移量有什么好处？如果您在一个作业中加工多个零件，则可以为每个零件分配自己的偏移量。这使得 CNC 机床能够准确地将其坐标系与不同位置的多个零件相关联，并一次完成多个设置。

工具偏移

在同一工作中使用多个工具是很常见的，但您需要一种方法来考虑不同的工具长度。将刀具偏移编程到您的 CNC 机床中使这项工作变得简单。通过编程刀具偏置，您的 CNC 机床将准确地知道每把刀具从主轴伸出多远。记录刀偏的方法有以下几种：

• 慢跑 .将工具从机器的原始位置移动到零件的零位。行进的距离被测量并作为工具的偏移量输入。
• 精密块。将所有工具设置在位于机器工作台上的 1-2-3 精密块顶部的公共 Z 位置。
• 试探。使用测头自动确定刀具偏置。这是最有效的方法，但也是最昂贵的方法，因为它需要探测设备。

把它们放在一起

现在我们已经有了所有的坐标基础，让我们来看看一组示例作业。我们正在使用已经手动加工的零件来定义外部形状。现在我们需要使用 CNC 机床钻一些孔、口袋和槽。

工作 1
我们首先需要保护并建立我们的轴和原点：

• 零件用虎钳夹住，用螺栓固定在我们的机床工作台上，并与机床轴成直角。
• 这会使 WCS X 轴与机器的 X 轴对齐。
• 脸部的左侧靠着虎钳挡板。这将建立一个可重复的 X 轴原点。
• 由于其中一个副爪是固定的，我们可以使用这个爪来确定可重复的 Y 轴原点，并借助寻边器或探头找到该位置。

有了我们的 WCS，我们的机器现在可以了解相对于其内部坐标的库存位置。加工过程从在零件的第一侧加工凹槽和钻孔开始。

工作 2
现在必须翻转零件才能在另一侧工作。由于我们只是将零件翻转了 180 度，外轮廓是对称的，并且之前的 X 和 Y 偏移是可重复的，因此 WCS 不会改变。我们也使用相同的工具，因此可以使用相同的 Z 偏移量。

这里要记住的一个重要变量是虎钳的夹紧力。如果您还没有在商店中看到它，机械师通常会用黑色记号笔标记虎钳的关闭位置或使用扭矩扳手。他们为什么这样做？在移动或旋转零件时产生一致的夹紧压力。夹紧压力的变化可能导致零件定位的差异或其他故障，例如零件变形或弯曲，具体取决于零件的几何形状。假设我们的锁模力大致相同，现在可以加工 Job 2。

工作 3
现在我们需要钻一些孔，这需要将零件竖立起来。这种旋转不会改变 WCS 的 XY 原点。但是，我们现在的工具和零件之间的行程距离更短了。

这需要使用新的偏移量，它将原点移动到零件的顶角。我们还移除了平行线以增加夹持表面并降低了副挡块，因此它与零件的表面连接，而不是底部口袋。

我们仍然可以在这里使用我们原来的两个参考平面来完成 Job 3。

这是一个简单的例子；零件是方形的，所有三种设置的 XY 原点都是可重复的，甚至 Z 原点也只改变了一次。但是，工件夹具对齐、可重复性和先前特征的准确性的思考过程很重要，您会发现自己一遍又一遍地经历这些基本步骤。

锁定并加载

您现在已经在您的机械师工具带中获得了精确的 CNC 坐标知识。随时随地使用它！工作坐标系 (WCS) 弥合了内部机器坐标和 CNC 程序之间的差距。这三个系统协同工作，一次又一次地以一致的质量精确定位和加工零件。无论您是在摇摆 Bridgeport、Tormach 还是 Haas，坐标系始终保持真实。

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