基于西门子840D数控系统工件坐标系的建立

肖源顺　罗丰　胡宇澄

摘 要：CNC加工中心通过用户编写的NC程序对工件进行加工，NC程序的加工坐标需要工件坐标系零点来确定。不同数控系统建立工件坐标系零点的方式不同，本文主要介绍西门子840D数控系统工件坐标系的建立，有助于读者理解工件坐标系定义及编程使用方法。

关键词：西门子840D 工件坐标系 建立

1 引言

西门子840D数控系统应用范围广泛，适合于各种复杂零部件的制造和加工。数控机床的操作简便、灵活、高效，其中工件坐标系的建立是数控机床操作的重要环节之一，工件坐标系是用户编制加工程序的基础。本文将重点讲解西门子840D数控系统工件坐标系的建立和工件坐标系零点偏移的方法。

2 坐标系的基本概念

2.1 机械参考点

加工中心参考点又名原点或零点，是机床的机械原点和电气原点相重合的点，是原点复归后机械上固定的点。每台机床可以有一个参考原点，也可以根据需要设置多个参考原点，用于自动刀具交换或自动托盘交换等。参考点作为工件坐标系的原始参照系。机床参考点确定后，各工件坐标系随之建立。所谓机械原点，是基本机械坐标系的基准点，机械零部件一旦装配完毕，机械原点随即确立。所谓电气原点，是由机床所使用的检测反馈元件所发出的栅点信号或零标志信号确立的参考点。为了使电气原点和机械原点重合，必须将电气原点到机械原点的距离用一个设置原点偏移量的参数进行设置。这个重合的点就是机床原点。在加工中心使用过程中，机床生动或自动回参考点操作是经常进行的动作。不管机床检测反馈元件是配用增量式脉冲编码器还是绝对式脉冲编码器，在某些情况下，如进行自动刀具交换或自动托盘交换过程中，机床某一轴或全部軸都要先回参考原点[1]。

2.2 工件坐标系

工件坐标系是由用户定义的，在加工过程中用来描述工件位置的坐标系。数控加工中心工件坐标系通常由三个轴线组成：X轴、Y轴、Z轴。工件坐标系的原点通常被定义为工件的某个特定点，例如工件的中心点或某个固定的参考点。通过确定原点的位置，可以确定工件坐标系的位置。工件零点是原始工件坐标系的原点，是用户编写加工程序坐标时用到的坐标原点。工件坐标系建立通常是参考机床零点偏置来确定的（图1）[2]。在数控加工中心中，工件坐标系的确定非常重要，因为它直接影响到加工程序的编写和加工过程的准确性。正确地定义和使用工件坐标系可以确保加工过程中的位置和姿态的准确性，从而获得高质量的结果结果。西门子840D数控系统通过G代码来描述加工轨迹，G代码中涉及的坐标值均是相对于工件坐标系而言的。正确的工件坐标系建立显得尤为重要[3]。

3 西门子840D数控系统工件坐标系的建立

3.1 工件坐标系建立指令介绍

西门子840D数控系统工件坐标系建立一般包扣粗偏移和精偏移，粗偏移和精偏移相加成为最后的总偏移。粗偏移一般是机床机械零点到工件坐标系零点距离，精偏移是补偿值。

$P_IFRAME：西门子系统变量的名称总是以“$”符号开始。$P_IFRAME为当前可设定的框架变量，$P_IFRAME 等于 $P_UIFR[$P_IFRNUM]。

CFINE精偏移：使用指令CFINE（X，..，Y，...），可以编程基准框架和所有可设定框架的精偏移。

CTRANS粗偏移：使用CTRANS（...）确定粗偏移。

预定义可设定框架$P_UIFR[n]，通过预定义的框架变量$P_UIFR[n]，可设定的零点偏移G54到G599由零件程序读或写。如：

$P_IFRAME=$P_UIFR[0] 等同于 G500

$P_IFRAME=$P_UIFR[1] 等同于 G54

$P_IFRAME=$P_UIFR[2] 等同于 G55

$P_IFRAME=$P_UIFR[3] 等同于 G56

$P_IFRAME=$P_UIFR[4] 等同于 G57

通过机床数据可以改变框架的个数。如：

$P_IFRAME=$P_UIFR[5] 等同于 G505

………

$P_IFRAME=$P_UIFR[99] 等同于 G599

如：定义G54 A0的工件坐标系可以用程序段：

N100$P_UIFR[1]=CTRANS（X，-151.9+150.089，Y，93，Z，149+37，A，0）：CFINE（X，R320+0.025，Y，R321+0.04，Z，R322+0.5，A，0）；其中R320-R322为机床补偿值。

3.2 工件坐标系建立步骤

为建立准确的工件坐标系，需要考虑到机床和工件的实际情况，即考虑机械结构和工件的相对位置。具体来说，需要确定机床参考点、确定工件参考面、进行必要的校正。

机床参考点是机床上选取的一点或一面，作为机器坐标系的原点和参照基准。机床参考点应该选取在机台上稳固的、易于测量的位置，常见的有机床工作台面、机床主轴中心、机床中心等（如图2中的A点位置）。一旦确定了机床参考点，就可以通过相关测量来确定工件在机床上的位置[2]。

工件参考点是指工件上选取的一点或一面，用来确定工件坐标系的原点和参照基准（如图2中的C点位置）。确定工件参考点需要考虑到工件的实际形状、加工要求和固定方式等因素，选择合适的参考面对加工过程非常重要。

在实际加工中，由于各种因素可能会导致工件坐标系偏移或失准，因此需要进行必要的校正。具体来说，主要包括数控机床自动校正和手动校正两个方面。数控机床自动校正可通过相关程序来实现，而手动校正则需要人工干预，通过精确的测量和调整来实现。

3.3 工件坐标系建立

下面通过详细介绍一种单主轴，夹具为A轴的加工中心来说明工件坐标系建立。某动力总成工厂加工线使用西门子840D数控系统加工中心加工变速箱壳体。变速箱壳体形状复杂，加工工艺精度要求高，不同加工特征尺寸不是相对应唯一一个工件零点。该加工中心将机床机械零点设定在机床中心位置（如图2中的A点位置）。工件定位圆销位置在图2中的B点位置。工件零点在图2中的C点位置。夹具A轴在0°的时候（如图2），建立工件坐标系G54。需要在工件坐标系偏置程序（如OP40_ZOS）里面执行程序：

N100$P_UIFR[1]=CTRANS（X，-151.9+150.089，Y，93，Z，149+37，A，0）：CFINE（X，R320+0.025，Y，R321+0.04，Z，R322+0.5，A，0）；

其中CTRANS确定粗偏移，CFINE确定加工补偿调整量。G54 X轴：其中-151.9为X轴机械零点到圆形销中心距离；150.089为圆形销中心到C基准距离（如图2）。G54 Y轴：其中93为Y轴机械零点到定位面距离（如图3）。G54 Z轴：其中149为Z轴机械零点到圆形销中心距离；37为圆形销中心到C基准距离（如图2）。G54 A轴：0度。

当夹具A轴旋转到270度，需建立工件坐标系G57时。则要在工件坐标系偏置程序（如OP40_ZOS）里面执行程序：N105$P_UIFR[4]=CTRANS （X，-151.9+150.089，Y，-149-37，Z，93，A，0）：CFINE（X，R320+0.025-0.02-0.03，Y，R321+0.01-0.09-0.2+0.4，Z，R322+0.10，A，0）；

其中CTRANS确定粗偏移，CFINE确定加工补偿调整量。G57 X轴：其中-151.9为X轴机械零点到圆形销中心距离；150.089为圆形销中心到C基准距离（如图2）。G57 Y轴：其中-149为Y轴机械零点到圆形销中心距离；-37为圆形销中心到C基准距离（如图4）。G57 Z轴：其中93为Z轴机械零点到定位面距离（如图5）。G57 A轴：270度。

其它G55，G56等工件坐标系定义与上述定义一致。需要注意的是不同工件坐标系是相对应的A轴角度的时候，机械坐标系零点相对于工件坐标系零点的距离。对于A轴设备，X轴的机械坐标零点和工件坐标系零点相对位置是不变的。

4 工件坐标系偏移

在实际零件加工中，可能会出现零件某一加工特征加工尺寸基准与设定的工件坐标系零点不同的情况。这时需要使用可编程的零点偏移指令TRANS，ATRANS，ROT，AROT等来实现从当前一工件坐标系出发，通过坐标或者角度的说明，描述一个目标坐标系的位置。如：TRANS（X，10） 表明：X轴可编程的零点偏移为10毫米。取消编程偏移直接用：TRANS。

通過实例说明TRANS可编程偏移指令的用法。如程序段：

N640 TRANS Z=-8；

N650 X-84 Y12；

N660 G60 Z=122.88；

N670 G1 G64 X0；

N680 G2 X0 Y-12 CR=12；

N690 G0 Z=R10；

N700 TRANS；

原工件坐标系Z向零点在图6中Z点位置。执行完TRANS Z=-8后，将Z向编程零点偏移到了“S”面，后面加工F面时编程Z向加工坐标122.88是相对“S”面的距离了。使用完编程偏转之后使用TRANS取消偏移。其它可编程的零点偏移指令与之类似。

5 结束语

西门子840D数控系统是目前广泛应用的数控系统之一，其工件坐标系的建立非常重要。通过本文的介绍，我们可以更好地理解工件坐标系的相关概念和技术，为实现精准、高效的数控加工提供支持。

参考文献：

[1]祁型虹，熊显文，黄浙英.建立数控工件坐标系的方法综述[J].机械设计与研究2006，2：75-79．

[2]熊显文，明兴祖．数控加工中心工件坐标系的建立[J]．组合机床与自动化加工技术，2003，（12）：69～70．

[3]倪娟.西门子802SE数控车系统中工件坐标系的建立与对刀[J].装备制造技术，2012，5：201-203．