HNC848五軸數控系統螺旋加工解決方案

張宗仁

(吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013)

HNC848五軸數控系統是由華中數控股份有限公司開發的高檔數控系統，具有完全的自主知識產權，在各大中、高職院校和部分工廠應用廣泛。對于刀軸固定不變的加工常采用3+2定向加工，即通過G68.2指令建立特性坐標系，將復雜的五軸編程問題轉換為三軸編程[1-2]。使用過程中發現HNC848型五軸系統在定向加工時不支持螺旋插補指令。如表1所示，當程序執行到N109行時，機床發出如圖1所示報警。經詢問相關技術人員，表示目前HNC848系統，暫不支持在特性坐標系下的螺旋插補指令。

表1 在特性坐標系下的螺旋插補指令

而在HNC三軸數控系統中，G02/G03指令除可以實現圓弧插補外，還可以通過指定第三軸的移動距離實現螺旋線插補[3-4]，其在XY平面編程格式如式(1)所示。運用該功能可以實現螺紋銑削加工、孔加工等。

(1)

針對上述問題提出3種螺旋加工解決方案，一是利用CAM軟件，以直代曲的方式生成相關代碼；二是利用系統用戶宏程序功能，重新構建螺旋加工宏程序，通過調用用戶宏程序解決螺旋加工問題；三是利用系統宏程序功能，重新構建坐標平移和旋轉的用戶宏程序。本文通過實例驗證了這3種方案的可行性。

1 螺旋加工圖例

為了更好地說明3種螺旋加工解決方案，以圖2所示的圖形為例，采用螺旋銑孔的方式加工直徑28 mm深度8 mm的圓孔。

2 CAM方案

UG-NX等CAM軟件具有強大的建模、編程、后處理能力，在數控加工領域中應用廣泛[5-6]。本例操作步驟如下：

(1)建立模型，根據圖2，在軟件中繪制三維模型。

(2)創建加工環境，以零件的頂面中心為原點，創建加工坐標系；以零件模型為部件幾何體；采用φ16 mm的立銑刀作為加工刀具，并設置刀具號為1號刀。

(3)創建螺旋銑孔工序，設置相關參數，其生成的刀軌如圖3所示。

(4)選擇HNC848后處理，對所生成的刀軌進行后處理，為了不輸出螺旋插補代碼，需要將后處理中變量mom_kin_helical_arc_output_mode的值設置為LINEAR。后處理生成的代碼如表2所示。

CAM解決螺旋插補問題有如下特點：

優點：(1)方法通用性強，編程人員容易掌握。(2)生成的程序可通過Vericut等仿真軟件仿真，安全性有保證。

缺點：(1)操作過程復雜，所有零件加工都必須經過建模-創建刀具-編程-后處理等一系列的操作。(2)生成的程序非常龐大，上例在內外公差為0.03時，共188行，占用系統空間。(3)存在逼近誤差，且不方便現場編程。

表2 CAM以直代曲螺旋銑孔程序代碼

3 構建螺旋加工宏程序方案

在特性坐標系加工模式下，HNC848不支持螺旋插補指令，但支持線性插補指令，可以通過用戶宏程序的方式[7-10]，在數控系統中使用G01直線插補代替G02/G03螺旋插補的宏程序，從而解決程序過長的問題。

如圖4，從點P0(X0Y0Z0)逆時針螺旋插補至點P1(X1Y1Z1)，表3為以G01代替G03的用戶宏程序O9030代碼(因篇幅原因，省略一些預定義內容)。宏程序O9030的調用格式如下：

G65 P9030 X_Y_Z_I_J_E_Q_F_

參數含義：X、Y、Z為螺旋終點X、Y、Z坐標；I、J圓心相對于起點X、Y坐標；E直線擬合公差；Q螺旋總圈數；F進給速度。

表3 以直代曲螺旋插補宏程序代碼

利用螺旋插補宏程序銑孔的主程序代碼如表4所示。

主程序共18行，相對方案一明顯簡化。將程序O9030寫入USERDEF.CYC文件中，即可通過G代碼調用該宏程序，使用非常方便。但是本質上該方法依然是以小段直線代替螺旋線，仍存在逼近誤差。

4 構建坐標平移和旋轉宏程序方案

3+2定向加工的實質是三軸加工，對于雙轉臺的五軸數控機床，刀軸始終指向機械坐標系Z+方向的。通過G68.2設置特性坐標系后，加工過程中始終要求特性坐標系的Z軸與機械坐標系的Z軸完全重合，因此可以通過三軸坐標的平移和旋轉達到與G68.2建立特性坐標系相同的效果，而HNC三軸系統是支持螺旋插補的。

表4 以螺旋插補宏程序加工孔代碼

為便于理解和使用，依然采用歐拉角定義角度的方式來指定坐標系的平移與旋轉。

如圖5所示，坐標系X1Y1Z1O1以轉臺回轉中心為原點(即C軸回轉中心與A軸回轉中心交匯點)，坐標系X2Y2Z2O2為在三軸狀態下G54坐標系，坐標系X3Y3Z3O3為通過歐拉角指定的坐標系，為了使坐標系X3Y3Z3O3的Z軸與機械坐標系的Z軸重合，轉臺A軸和C軸發生轉動，轉動后坐標原點O3將發生改變，點O3坐標值的改變量即為坐標補償值。一般來講，A軸可以轉到正向也可以轉到負向，存在2個合理解，所以必須規定A軸的正負。

為了實現這一動作，編制宏程序O9682，用于計算坐標系XYZ軸的平移量、旋轉量及AC軸的旋轉角度，其詳細代碼如表5所示(因篇幅原因，省略一些預定義內容)。

表5 坐標平移、旋轉及AC軸角度計算宏程序代碼

利用O9682宏程序螺旋銑孔的主程序如表6所示。

表6 O9682宏程序螺旋銑孔主程序代碼

主程序總計18行，相對方案一明顯簡化。將程序O9682寫入USERDEF.CYC文件中，就可以通過G代碼調用該宏程序，使用非常方便。通過G52和G68指令實現了與G68.2相同效果的坐標系設定，且G52和G68指令能夠支持所有的三軸加工指令，包括螺旋插補指令，避免了以直代曲的逼近誤差，能夠滿足加工圓孔和銑螺紋的要求。

5 結語

目前國產HNC五軸數控系統還不是特別完善，需要在使用中持續改進，本文為解決HNC848五軸數控系統在3+2定向加工過程中不支持螺旋插補指令的問題，提出了3種可行的解決方案，并已在機床上得到實踐驗證。

第一種方案是通過CAM軟件，將螺旋線以線性的方式輸出，該方案生成的程序長，占用內存空間，但不需要對機床進行特別的設定，編程人員易掌握。

第二種方案是在機床系統內存入以G01直線插補代替螺旋插補的宏程序，這種方案減少了編程程序段，但仍有逼近誤差，誤差的大小依賴于所給公差的大小。

第三種方案是通過G52和G68指令實現與G68.2相同效果的坐標系設定，該方案支持三軸的所有加工指令，包括螺旋插補指令。通過這種方案走出的螺旋線避免了逼近誤差。

這3種解決方案各有特點，可根據實際情況選用，如果零件的程序是由CAM軟件生成，建議使用第一種解決方案；如果采用手工編程則第三種方案更為方便。

另外，在五軸加工中，有較大的定向加工需求，為降低設備成本，可在三軸數控機床上加配雙轉臺實現五軸定向加工，這時可借鑒第三種方案，通過坐標的平移和旋轉達到與五軸機床相同的定向加工效果。