1.2.1 数控机床坐标系

1．机床坐标系与机床原点

（1）机床坐标系 在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和移动的距离，这就需要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系称为机床坐标系，也叫标准坐标系。机床坐标系是机床固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。

（2）机床原点 机床原点（或称机床零点）即机床坐标系的原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，又是数控机床进行加工或位移的基准点。在数控机床经过设计、制造和调整后，这个原点便被确定下来，一般情况下不允许用户更改。机床原点的作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床坐标系运动坐标（X、Y、Z轴）的起始点。

（3）坐标轴及其运动方向 对于数控机床坐标轴名称及其正负方向，我国已制定了《数控机床坐标和运动方向的命名》，与ISO标准相同。标准坐标系采用右手笛卡儿定则，如图1-12所示。在图中，直线进给运动用直角坐标轴X、Y、Z表示，称为基本坐标轴。基本坐标轴平行于机床的主要导轨，它与安装在机床上，并按机床的主要直线导轨找正的工件有关；根据右手螺旋定则，围绕X、Y、Z轴旋转的转动轴分别用A、B、C坐标表示。

X、Y、Z坐标的相互关系用右手定则确定。伸出右手的拇指、食指和中指，并互为90°，则拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向，分别用+X、+Y、+Z表示。A、B、C正向根据右手螺旋定则确定，拇指指向X、Y、Z轴的正方向，四指弯曲的方向为各旋转轴的正方向，并分别用+A、+B、+C来表示。与+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用带“′”的+X′、+Y′、+Z′、+A′、+B′、+C′表示。

数控机床的进给运动是相对运动，有的是刀具相对于工件运动，有的是工件相对于刀具运动，为了使编程人员能在不知道刀具相对于工件运动还是工件相对于刀具运动的情况下，按零件图要求编写出加工程序，统一规定永远假定刀具相对于静止的工件而运动，机床的某一运动部件的运动正方向，为增大工件与刀具间距离的方向。规定数控机床坐标轴及运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。

（4）确定机床坐标轴 确定机床各坐标轴的方法和步骤如下。

1）Z轴。Z坐标的运动由主要传递切削动力的主轴决定，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。对于具有旋转主轴的机床，如图1-13所示的卧式车床和如图1-14所示的立式升降台铣床，与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标轴；对于没有主轴的机床，如图1-15所示的牛头刨床等，以垂直于装夹面的坐标轴为Z轴。若机床有几个主轴，可选择一个垂直于工件装夹面的主要轴作为主轴，并以它确定Z坐标。

2）X轴。X坐标运动是水平的，它平行于工件装夹面，是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如数控车床等，X坐标方向规定在工件的径向上且平行于机床的横导轨，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向，如图1-13所示。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，如数控铣床、钻床、刨床等，如果Z轴是竖直的，则从刀具（主轴）向立柱看，X轴的正方向指向右边，如图1-14所示；如果Z轴是水平的，则从刀具（主轴）向工件看，X轴的正方向指向左边，如图1-16所示；对于无主轴的机床，如刨床等，则选定主要切削方向为X轴正方向，如图1-15所示。

3）Y轴。Y坐标垂直于X、Z坐标轴，并按照右手笛卡尔坐标系来确定。

4）旋转运动A、B、C轴。在确定了X、Y、Z坐标的正方向后，可按右手螺旋定则确定A、B、C坐标的正方向。

2．工件坐标系与工件坐标系原点

工件坐标系是编程人员在编程时使用的坐标系，也称编程坐标系或加工坐标系，它是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。为了方便编程，首先在零件图上适当选定一个编程原点，该点应尽量设置在零件的工艺基准与设计基准上，并以该点作为坐标系的原点，再建立一个新的坐标系，称为工件坐标系，该编程原点称为工件坐标系原点。数控车床的机床坐标系、工件坐标系关系如图1-17所示，数控铣床的机床坐标系、工件坐标系关系如图1-18所示。

工件坐标系用来确定编程与刀具的起点，确定时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。设定工件坐标系时应遵循的原则如下。

1）工件原点应尽量选在零件图的尺寸基准上，这样可以直接用图样标注的尺寸作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。

2）工件原点应尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上，以提高工件的加工精度。

3）对于对称的工件，最好将工件原点设在工件的对称中心上。

4）工件原点的选择要便于装夹、测量和检验工件。

3．机床参考点

机床数控装置通电后不知道机床零点的位置，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内（一般在X轴和Z轴的正方向最大行程处）设置一个机床参考点（测量起点）。机床启动时，通常要运行机动或手动返回参考点，以建立机床参考点到机床零点的距离。机床回了参考点，也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点。CNC就建立了机床坐标系。

机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点，它的位置由设置在机床X轴方向、Z轴方向滑板的机械挡块的位置确定。当刀架返回到机床参考点时，装在X轴方向和Z轴方向的滑板上的两挡块分别压下对应的开关，向数控系统发了信号，停止刀架滑板运动，即完成了回参考点的操作。

机床参考点距机床的原点在其进给轴方向上的距离在出厂时已确定，利用系统指定的自动返回参考点G28指令，可以使指令的轴自动返回到机床上的参考点。在机床通电后，刀架返回参考点之前，无论刀架处于什么位置，此时屏幕上显示的X、Z轴坐标值均为0。当完成了返回机床参考点的操作后，屏幕上立即显示刀架中心点（对刀参考点）在机床坐标系中的坐标值，即建立了机床坐标系。数控车床的参考点如图1-19所示；数控铣床的参考点如图1-20所示。

4．数控车床工件坐标系的确定

在数控车床上，工件坐标系原点一般设在右端面与主轴回转中心线交点O上。坐标系以机床主轴线方向为Z轴方向，刀具远离零件的方向为Z轴的正方向，接近零件的方向为负方向。X轴位于水平面且垂直于零件旋转轴线的方向，刀具远离主轴轴线的方向为X轴正方向。前置刀架卧式数控车床的坐标系与方向如图1-21a所示。

5．数控铣床工件坐标系的确定

数控铣床与数控车床相比坐标轴增多了，其坐标系规定如下：不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，确定坐标系时，一律看作工件静止，刀具产生运动。立式数控铣床的坐标系与方向如图1-21b所示。

Z轴的确定：一般取产生切削力的轴线（即主轴轴线）为Z轴，取刀具远离工件的方向为Z轴正方向。

X轴的确定：立式数控铣床，面对立柱，取右手方向为+X方向；卧式数控铣床，从主轴后端往前看，取右手方向为+X方向。

Y轴的确定：+Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡尔坐标系来确定。