淺談海德漢數(shù)控系統(tǒng)空間角傾斜加工在任意斜面體中的應(yīng)用

黃 勇 蔣友強(qiáng)

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，常州 213011）

1 斜面體零件基本概況及難點(diǎn)

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司設(shè)計(jì)了一種斜面體零件，如圖1、圖2所示。零件兩側(cè)斜面為配合面，配合面對(duì)稱度要求高，角度設(shè)計(jì)公差較小，加工難度大。

圖1 斜面體零件正面圖

圖2 斜面體零件平面圖

該零件加工難度主要有兩點(diǎn)：

零件兩側(cè)斜面的平行度和對(duì)稱度很難保證。早期工藝是通過(guò)一個(gè)專用的工裝，將工裝傾斜一個(gè)角度，然后通過(guò)臥式加工中心來(lái)進(jìn)行加工，這樣至少要裝夾兩次才能將四個(gè)斜面加工完，工裝的加工誤差較大，容易導(dǎo)致零件超差報(bào)廢。

（2）是在斜面體零件D面，如圖2所示，還有兩個(gè)垂直于它的兩個(gè)φ20.5mm的圓孔和兩條寬度為20.5mm的鍵槽，這兩鍵槽必須平行于傾斜邊，精度要求很高。

近年來(lái)，中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司公司引進(jìn)了一臺(tái)德國(guó)德瑪吉DMU125P五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可以高效率、高精度地加工該零件。在程序編制時(shí)如果采用軟件編程，斜面上不易使用刀具半徑補(bǔ)償，否則刀具消耗過(guò)大。因此可以采用手工編程，對(duì)刀具半徑補(bǔ)償尺寸進(jìn)行修正，減少刀具消耗。

2 海德漢數(shù)控系統(tǒng)編程方法與原理

對(duì)于上述斜面零件，可采用海德漢PLANE傾斜加工中的空間角功能來(lái)進(jìn)行加工。對(duì)于垂直于斜面且平行于斜面傾斜邊的φ20.5mm孔和寬度20.5mm寬鍵槽加工，除了需用海德漢PLANE傾斜加工中的空間角功能外，還需要再加用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能，才能使加工的孔和鍵槽平行于斜面中間傾斜邊。PLANE功能中一共有七種不同的使用方法，即SPATIAL（空間角）、PROJECTED（投影）、EULER（歐拉角）、VECTOR（矢量）、POINTS（三點(diǎn)）、RELATIVE（相對(duì)角）、AXIAL（軸角）以及RESET（復(fù)位）。

日常編程中，人們主要使用海德漢PLANE中的空間角功能。空間角功能，主要是通過(guò)最多3個(gè)圍繞機(jī)床固定的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，定義一個(gè)加工面。內(nèi)部計(jì)算順序固定不變，首先傾斜C軸，然后是B軸，最后是A軸，用空間角傾斜加工面的表達(dá)方式為：PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+0 SPC+0 TURN FMAX SEQ+ TABLE ROT。

在上述表達(dá)式中，SPATIAL表示三維空間。SPA表示在空間A中，圍繞X軸旋轉(zhuǎn)；SPB表示在空間B中圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)。SPC表示在空間C中，圍繞Z軸旋。TURN FMAX表示PLANE功能自動(dòng)將旋轉(zhuǎn)軸定位到所計(jì)算的位置值處，但只定位旋轉(zhuǎn)軸，TNC將不對(duì)直線軸執(zhí)行補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。SEQ+表示如果加工面可用多種角度組合進(jìn)行傾斜，可用SEQ選擇解。TABLE ROT是指利用PLANE功能將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位到已定義的傾斜角。

在利用空間角功能時(shí)，SPA、SPB角度旋轉(zhuǎn)方向可用右手規(guī)則判定，SPC角度旋轉(zhuǎn)方向用左手規(guī)則判定，即將左手拇指指向圍繞直線軸旋轉(zhuǎn)的方向，掌心略微彎曲，手指方向?yàn)楣ぷ髋_(tái)旋轉(zhuǎn)軸正旋轉(zhuǎn)方向。

總之，選用空間角功能進(jìn)行加工具有許多優(yōu)點(diǎn)，如編程角度為空間角，而且基礎(chǔ)坐標(biāo)系相對(duì)不變。因此，不需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)角度，而是TNC根據(jù)所定義的空間角自動(dòng)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)角度。

3 空間角功能主要編程參數(shù)的確定

在利用海德漢數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，參數(shù)SPA、SPB以及SPC確定主要有兩種方法：第一，是繪制零件的三維圖形，然后在立體圖上標(biāo)注計(jì)算；第二是通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算求得。本文主要介紹第二種參數(shù)確定方法。

3.1 空間角參數(shù)確定

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算求空間角A，由圖1所示，A是頂點(diǎn)，A′是頂點(diǎn)A在下平面BDE上的垂直投影。過(guò)A′作AC⊥BD，垂足為C，則∠ACA′即是平面AFG與ABD的夾角，現(xiàn)在問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蟆螦CA′的角度。在△A′BC中，已知A′B=51.3m。∠ A′BC=60.396°，可計(jì)算出∠ A′BC=120.792/2=60.396°，由此可知 A′C=A′B×sin ∠ A′BC=51.3×sin60.396=44.6mm。

在 △ ACA′中， 已 知 AA′=264mm， 由 此 可 得，∠ ACA′=arctan（AA′/A′C）=arctan（264/44.6）=80.411 °，即SPA=-80.411°。

根據(jù)圖1、圖2求空間角B，因?yàn)檫x用的是CBA計(jì)算原則，所以SPB=0。

根據(jù)圖2求空間角C，可從圖紙直接看出SPC=60.3959°。

最后得出：PLANE SPATIAL SPA-80.407 SPB+0 SPC-60.3959 TURN FMAX SEQ+ TABLE ROT。

3.2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角參數(shù)確定

加工垂直于斜面且平行于斜邊的φ20.5mm孔和寬度為20.5mm的鍵槽，由于斜面用空間角翻轉(zhuǎn)后只垂直于翻轉(zhuǎn)邊，由此還需求出∠ABD，如圖2所示。因?yàn)椤螧AH與∠ABD互為補(bǔ)角，可先求∠ABD。

在△ ABC中，AB=A′A/cos11=264/cos11=268.94mm，AC求解如式（1）所示。

根據(jù)式（1），可求∠ABD=arcos（AC/AB）=5.409°。即加工φ20.5mm孔與寬度為20.5mm鍵槽的旋轉(zhuǎn)角為5.409°，由于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)規(guī)定逆時(shí)針為正，故此處必須順時(shí)針旋轉(zhuǎn)才能使孔和鍵槽平行于斜面，故角度為負(fù)。

最后得出：

CYCL DEF 10.0 ROTATION

CYCL DEF 10.1 ROT-5.409

4 程序編制

N1 TOOL CALL 55 Z S240 F240;

? 160 面銑刀（銑斜面加工）

N2 L X+200 FMAX M91

N3 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT（坐標(biāo)平移）

N4 CYCL DEF 7.1 X+173.8

N5 CYCL DEF 7.2 Y-88

N6 CYCL DEF 7.3 Z+102

N7 PLANE SPATIAL SPA-80.407 SPB+0 SPC-60.3959 TURN FMAX SEQ+ TABLE ROT（傾斜加工面）

N8 CYCL DEF 10.0 ROTATION（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)）

N9 CYCL DEF 10.1 ROT-5.409

N10 L X-40 Y-100 FMAX

加工程序略。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析與計(jì)算，可知加工帶傾斜面的工件，特別是當(dāng)斜面上有鉆孔、鏜孔、銑面等時(shí)，不需要用復(fù)雜的軟件編程，也不需要用專用的工裝，用海德漢系統(tǒng)五軸的PLANE功能，求出兩個(gè)空間角即可完成定位工作。也可以通過(guò)畫(huà)圖標(biāo)注得出這兩個(gè)角度，相關(guān)編程只要用簡(jiǎn)單的二維編程，就能很好的加工出斜面上要求的內(nèi)容，而且對(duì)于零件尺寸精度的控制更為簡(jiǎn)單。