張宗仁

(吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013)

HNC848五軸數(shù)控系統(tǒng)是由華中數(shù)控股份有限公司開發(fā)的高檔數(shù)控系統(tǒng)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，在各大中、高職院校和部分工廠應(yīng)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(biāo)系，將復(fù)雜的五軸編程問題轉(zhuǎn)換為三軸編程[1-2]。使用過程中發(fā)現(xiàn)HNC848型五軸系統(tǒng)在定向加工時不支持螺旋插補(bǔ)指令。如表1所示，當(dāng)程序執(zhí)行到N109行時，機(jī)床發(fā)出如圖1所示報(bào)警。經(jīng)詢問相關(guān)技術(shù)人員，表示目前HNC848系統(tǒng)，暫不支持在特性坐標(biāo)系下的螺旋插補(bǔ)指令。

表1 在特性坐標(biāo)系下的螺旋插補(bǔ)指令

而在HNC三軸數(shù)控系統(tǒng)中，G02/G03指令除可以實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)外，還可以通過指定第三軸的移動距離實(shí)現(xiàn)螺旋線插補(bǔ)[3-4]，其在XY平面編程格式如式(1)所示。運(yùn)用該功能可以實(shí)現(xiàn)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(guān)代碼；二是利用系統(tǒng)用戶宏程序功能，重新構(gòu)建螺旋加工宏程序，通過調(diào)用用戶宏程序解決螺旋加工問題；三是利用系統(tǒng)宏程序功能，重新構(gòu)建坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)的用戶宏程序。本文通過實(shí)例驗(yàn)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(qiáng)大的建模、編程、后處理能力，在數(shù)控加工領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[5-6]。本例操作步驟如下：

(1)建立模型，根據(jù)圖2，在軟件中繪制三維模型。

(2)創(chuàng)建加工環(huán)境，以零件的頂面中心為原點(diǎn)，創(chuàng)建加工坐標(biāo)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(shè)置刀具號為1號刀。

(3)創(chuàng)建螺旋銑孔工序，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，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(jìn)行后處理，為了不輸出螺旋插補(bǔ)代碼，需要將后處理中變量mom_kin_helical_arc_output_mode的值設(shè)置為LINEAR。后處理生成的代碼如表2所示。

CAM解決螺旋插補(bǔ)問題有如下特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：(1)方法通用性強(qiáng)，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(diǎn)：(1)操作過程復(fù)雜，所有零件加工都必須經(jīng)過建模-創(chuàng)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(nèi)外公差為0.03時，共188行，占用系統(tǒng)空間。(3)存在逼近誤差，且不方便現(xiàn)場編程。

表2 CAM以直代曲螺旋銑孔程序代碼

3 構(gòu)建螺旋加工宏程序方案

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

如圖4，從點(diǎn)P0(X0Y0Z0)逆時針螺旋插補(bǔ)至點(diǎn)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(yù)定義內(nèi)容)。宏程序O9030的調(diào)用格式如下：

G65 P9030 X_Y_Z_I_J_E_Q_F_

參數(shù)含義：X、Y、Z為螺旋終點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)；I、J圓心相對于起點(diǎn)X、Y坐標(biāo)；E直線擬合公差；Q螺旋總?cè)?shù)；F進(jìn)給速度。

表3 以直代曲螺旋插補(bǔ)宏程序代碼

利用螺旋插補(bǔ)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(diào)用該宏程序，使用非常方便。但是本質(zhì)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(gòu)建坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)宏程序方案

3+2定向加工的實(shí)質(zhì)是三軸加工，對于雙轉(zhuǎn)臺的五軸數(shù)控機(jī)床，刀軸始終指向機(jī)械坐標(biāo)系Z+方向的。通過G68.2設(shè)置特性坐標(biāo)系后，加工過程中始終要求特性坐標(biāo)系的Z軸與機(jī)械坐標(biāo)系的Z軸完全重合，因此可以通過三軸坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)達(dá)到與G68.2建立特性坐標(biāo)系相同的效果，而HNC三軸系統(tǒng)是支持螺旋插補(bǔ)的。

表4 以螺旋插補(bǔ)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(biāo)系的平移與旋轉(zhuǎn)。

如圖5所示，坐標(biāo)系X1Y1Z1O1以轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)(即C軸回轉(zhuǎn)中心與A軸回轉(zhuǎn)中心交匯點(diǎn))，坐標(biāo)系X2Y2Z2O2為在三軸狀態(tài)下G54坐標(biāo)系，坐標(biāo)系X3Y3Z3O3為通過歐拉角指定的坐標(biāo)系，為了使坐標(biāo)系X3Y3Z3O3的Z軸與機(jī)械坐標(biāo)系的Z軸重合，轉(zhuǎn)臺A軸和C軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動后坐標(biāo)原點(diǎn)O3將發(fā)生改變，點(diǎn)O3坐標(biāo)值的改變量即為坐標(biāo)補(bǔ)償值。一般來講，A軸可以轉(zhuǎn)到正向也可以轉(zhuǎn)到負(fù)向，存在2個合理解，所以必須規(guī)定A軸的正負(fù)。

為了實(shí)現(xiàn)這一動作，編制宏程序O9682，用于計(jì)算坐標(biāo)系XYZ軸的平移量、旋轉(zhuǎn)量及AC軸的旋轉(zhuǎn)角度，其詳細(xì)代碼如表5所示(因篇幅原因，省略一些預(yù)定義內(nèi)容)。

表5 坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)及AC軸角度計(jì)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(jì)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(diào)用該宏程序，使用非常方便。通過G52和G68指令實(shí)現(xiàn)了與G68.2相同效果的坐標(biāo)系設(shè)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(bǔ)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(jié)語

目前國產(chǎn)HNC五軸數(shù)控系統(tǒng)還不是特別完善，需要在使用中持續(xù)改進(jìn)，本文為解決HNC848五軸數(shù)控系統(tǒng)在3+2定向加工過程中不支持螺旋插補(bǔ)指令的問題，提出了3種可行的解決方案，并已在機(jī)床上得到實(shí)踐驗(yàn)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(nèi)存空間，但不需要對機(jī)床進(jìn)行特別的設(shè)定，編程人員易掌握。

第二種方案是在機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)存入以G01直線插補(bǔ)代替螺旋插補(bǔ)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(shí)現(xiàn)與G68.2相同效果的坐標(biāo)系設(shè)定，該方案支持三軸的所有加工指令，包括螺旋插補(bǔ)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(diǎn)，可根據(jù)實(shí)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(shè)備成本，可在三軸數(shù)控機(jī)床上加配雙轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)五軸定向加工，這時可借鑒第三種方案，通過坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)達(dá)到與五軸機(jī)床相同的定向加工效果。