HNC848五轴数控系统螺旋加工解决方案

张宗仁

(吉林工业职业技术学院，吉林 吉林 132013)

HNC848五轴数控系统是由华中数控股份有限公司开发的高档数控系统，具有完全的自主知识产权，在各大中、高职院校和部分工厂应用广泛。对于刀轴固定不变的加工常采用3+2定向加工，即通过G68.2指令建立特性坐标系，将复杂的五轴编程问题转换为三轴编程[1-2]。使用过程中发现HNC848型五轴系统在定向加工时不支持螺旋插补指令。如表1所示，当程序执行到N109行时，机床发出如图1所示报警。经询问相关技术人员，表示目前HNC848系统，暂不支持在特性坐标系下的螺旋插补指令。

表1 在特性坐标系下的螺旋插补指令

而在HNC三轴数控系统中，G02/G03指令除可以实现圆弧插补外，还可以通过指定第三轴的移动距离实现螺旋线插补[3-4]，其在XY平面编程格式如式(1)所示。运用该功能可以实现螺纹铣削加工、孔加工等。

(1)

针对上述问题提出3种螺旋加工解决方案，一是利用CAM软件，以直代曲的方式生成相关代码；二是利用系统用户宏程序功能，重新构建螺旋加工宏程序，通过调用用户宏程序解决螺旋加工问题；三是利用系统宏程序功能，重新构建坐标平移和旋转的用户宏程序。本文通过实例验证了这3种方案的可行性。

1 螺旋加工图例

为了更好地说明3种螺旋加工解决方案，以图2所示的图形为例，采用螺旋铣孔的方式加工直径28 mm深度8 mm的圆孔。

2 CAM方案

UG-NX等CAM软件具有强大的建模、编程、后处理能力，在数控加工领域中应用广泛[5-6]。本例操作步骤如下：

(1)建立模型，根据图2，在软件中绘制三维模型。

(2)创建加工环境，以零件的顶面中心为原点，创建加工坐标系；以零件模型为部件几何体；采用φ16 mm的立铣刀作为加工刀具，并设置刀具号为1号刀。

(3)创建螺旋铣孔工序，设置相关参数，其生成的刀轨如图3所示。

(4)选择HNC848后处理，对所生成的刀轨进行后处理，为了不输出螺旋插补代码，需要将后处理中变量mom_kin_helical_arc_output_mode的值设置为LINEAR。后处理生成的代码如表2所示。

CAM解决螺旋插补问题有如下特点：

优点：(1)方法通用性强，编程人员容易掌握。(2)生成的程序可通过Vericut等仿真软件仿真，安全性有保证。

缺点：(1)操作过程复杂，所有零件加工都必须经过建模-创建刀具-编程-后处理等一系列的操作。(2)生成的程序非常庞大，上例在内外公差为0.03时，共188行，占用系统空间。(3)存在逼近误差，且不方便现场编程。

表2 CAM以直代曲螺旋铣孔程序代码

3 构建螺旋加工宏程序方案

在特性坐标系加工模式下，HNC848不支持螺旋插补指令，但支持线性插补指令，可以通过用户宏程序的方式[7-10]，在数控系统中使用G01直线插补代替G02/G03螺旋插补的宏程序，从而解决程序过长的问题。

如图4，从点P0(X0Y0Z0)逆时针螺旋插补至点P1(X1Y1Z1)，表3为以G01代替G03的用户宏程序O9030代码(因篇幅原因，省略一些预定义内容)。宏程序O9030的调用格式如下：

G65 P9030 X_Y_Z_I_J_E_Q_F_

参数含义：X、Y、Z为螺旋终点X、Y、Z坐标；I、J圆心相对于起点X、Y坐标；E直线拟合公差；Q螺旋总圈数；F进给速度。

表3 以直代曲螺旋插补宏程序代码

利用螺旋插补宏程序铣孔的主程序代码如表4所示。

主程序共18行，相对方案一明显简化。将程序O9030写入USERDEF.CYC文件中，即可通过G代码调用该宏程序，使用非常方便。但是本质上该方法依然是以小段直线代替螺旋线，仍存在逼近误差。

4 构建坐标平移和旋转宏程序方案

3+2定向加工的实质是三轴加工，对于双转台的五轴数控机床，刀轴始终指向机械坐标系Z+方向的。通过G68.2设置特性坐标系后，加工过程中始终要求特性坐标系的Z轴与机械坐标系的Z轴完全重合，因此可以通过三轴坐标的平移和旋转达到与G68.2建立特性坐标系相同的效果，而HNC三轴系统是支持螺旋插补的。

表4 以螺旋插补宏程序加工孔代码

为便于理解和使用，依然采用欧拉角定义角度的方式来指定坐标系的平移与旋转。

如图5所示，坐标系X1Y1Z1O1以转台回转中心为原点(即C轴回转中心与A轴回转中心交汇点)，坐标系X2Y2Z2O2为在三轴状态下G54坐标系，坐标系X3Y3Z3O3为通过欧拉角指定的坐标系，为了使坐标系X3Y3Z3O3的Z轴与机械坐标系的Z轴重合，转台A轴和C轴发生转动，转动后坐标原点O3将发生改变，点O3坐标值的改变量即为坐标补偿值。一般来讲，A轴可以转到正向也可以转到负向，存在2个合理解，所以必须规定A轴的正负。

为了实现这一动作，编制宏程序O9682，用于计算坐标系XYZ轴的平移量、旋转量及AC轴的旋转角度，其详细代码如表5所示(因篇幅原因，省略一些预定义内容)。

表5 坐标平移、旋转及AC轴角度计算宏程序代码

利用O9682宏程序螺旋铣孔的主程序如表6所示。

表6 O9682宏程序螺旋铣孔主程序代码

主程序总计18行，相对方案一明显简化。将程序O9682写入USERDEF.CYC文件中，就可以通过G代码调用该宏程序，使用非常方便。通过G52和G68指令实现了与G68.2相同效果的坐标系设定，且G52和G68指令能够支持所有的三轴加工指令，包括螺旋插补指令，避免了以直代曲的逼近误差，能够满足加工圆孔和铣螺纹的要求。

5 结语

目前国产HNC五轴数控系统还不是特别完善，需要在使用中持续改进，本文为解决HNC848五轴数控系统在3+2定向加工过程中不支持螺旋插补指令的问题，提出了3种可行的解决方案，并已在机床上得到实践验证。

第一种方案是通过CAM软件，将螺旋线以线性的方式输出，该方案生成的程序长，占用内存空间，但不需要对机床进行特别的设定，编程人员易掌握。

第二种方案是在机床系统内存入以G01直线插补代替螺旋插补的宏程序，这种方案减少了编程程序段，但仍有逼近误差，误差的大小依赖于所给公差的大小。

第三种方案是通过G52和G68指令实现与G68.2相同效果的坐标系设定，该方案支持三轴的所有加工指令，包括螺旋插补指令。通过这种方案走出的螺旋线避免了逼近误差。

这3种解决方案各有特点，可根据实际情况选用，如果零件的程序是由CAM软件生成，建议使用第一种解决方案；如果采用手工编程则第三种方案更为方便。

另外，在五轴加工中，有较大的定向加工需求，为降低设备成本，可在三轴数控机床上加配双转台实现五轴定向加工，这时可借鉴第三种方案，通过坐标的平移和旋转达到与五轴机床相同的定向加工效果。