浅谈海德汉数控系统空间角倾斜加工在任意斜面体中的应用

黄 勇 蒋友强

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州 213011）

1 斜面体零件基本概况及难点

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司设计了一种斜面体零件，如图1、图2所示。零件两侧斜面为配合面，配合面对称度要求高，角度设计公差较小，加工难度大。

图1 斜面体零件正面图

图2 斜面体零件平面图

该零件加工难度主要有两点：

零件两侧斜面的平行度和对称度很难保证。早期工艺是通过一个专用的工装，将工装倾斜一个角度，然后通过卧式加工中心来进行加工，这样至少要装夹两次才能将四个斜面加工完，工装的加工误差较大，容易导致零件超差报废。

（2）是在斜面体零件D面，如图2所示，还有两个垂直于它的两个φ20.5mm的圆孔和两条宽度为20.5mm的键槽，这两键槽必须平行于倾斜边，精度要求很高。

近年来，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司公司引进了一台德国德玛吉DMU125P五轴联动加工中心，可以高效率、高精度地加工该零件。在程序编制时如果采用软件编程，斜面上不易使用刀具半径补偿，否则刀具消耗过大。因此可以采用手工编程，对刀具半径补偿尺寸进行修正，减少刀具消耗。

2 海德汉数控系统编程方法与原理

对于上述斜面零件，可采用海德汉PLANE倾斜加工中的空间角功能来进行加工。对于垂直于斜面且平行于斜面倾斜边的φ20.5mm孔和宽度20.5mm宽键槽加工，除了需用海德汉PLANE倾斜加工中的空间角功能外，还需要再加用坐标旋转功能，才能使加工的孔和键槽平行于斜面中间倾斜边。PLANE功能中一共有七种不同的使用方法，即SPATIAL（空间角）、PROJECTED（投影）、EULER（欧拉角）、VECTOR（矢量）、POINTS（三点）、RELATIVE（相对角）、AXIAL（轴角）以及RESET（复位）。

日常编程中，人们主要使用海德汉PLANE中的空间角功能。空间角功能，主要是通过最多3个围绕机床固定的坐标系旋转系统，定义一个加工面。内部计算顺序固定不变，首先倾斜C轴，然后是B轴，最后是A轴，用空间角倾斜加工面的表达方式为：PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+0 SPC+0 TURN FMAX SEQ+ TABLE ROT。

在上述表达式中，SPATIAL表示三维空间。SPA表示在空间A中，围绕X轴旋转；SPB表示在空间B中围绕Y轴旋转。SPC表示在空间C中，围绕Z轴旋。TURN FMAX表示PLANE功能自动将旋转轴定位到所计算的位置值处，但只定位旋转轴，TNC将不对直线轴执行补偿运动。SEQ+表示如果加工面可用多种角度组合进行倾斜，可用SEQ选择解。TABLE ROT是指利用PLANE功能将回转工作台定位到已定义的倾斜角。

在利用空间角功能时，SPA、SPB角度旋转方向可用右手规则判定，SPC角度旋转方向用左手规则判定，即将左手拇指指向围绕直线轴旋转的方向，掌心略微弯曲，手指方向为工作台旋转轴正旋转方向。

总之，选用空间角功能进行加工具有许多优点，如编程角度为空间角，而且基础坐标系相对不变。因此，不需要计算旋转轴的摆动角度，而是TNC根据所定义的空间角自动计算旋转轴的摆动角度。

3 空间角功能主要编程参数的确定

在利用海德汉数控系统时，参数SPA、SPB以及SPC确定主要有两种方法：第一，是绘制零件的三维图形，然后在立体图上标注计算；第二是通过数学方法计算求得。本文主要介绍第二种参数确定方法。

3.1 空间角参数确定

通过数学计算求空间角A，由图1所示，A是顶点，A′是顶点A在下平面BDE上的垂直投影。过A′作AC⊥BD，垂足为C，则∠ACA′即是平面AFG与ABD的夹角，现在问题转变为求∠ACA′的角度。在△A′BC中，已知A′B=51.3m。∠ A′BC=60.396°，可计算出∠ 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°。

根据图1、图2求空间角B，因为选用的是CBA计算原则，所以SPB=0。

根据图2求空间角C，可从图纸直接看出SPC=60.3959°。

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

3.2 坐标旋转角参数确定

加工垂直于斜面且平行于斜边的φ20.5mm孔和宽度为20.5mm的键槽，由于斜面用空间角翻转后只垂直于翻转边，由此还需求出∠ABD，如图2所示。因为∠BAH与∠ABD互为补角，可先求∠ABD。

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

根据式（1），可求∠ABD=arcos（AC/AB）=5.409°。即加工φ20.5mm孔与宽度为20.5mm键槽的旋转角为5.409°，由于坐标旋转规定逆时针为正，故此处必须顺时针旋转才能使孔和键槽平行于斜面，故角度为负。

最后得出：

CYCL DEF 10.0 ROTATION

CYCL DEF 10.1 ROT-5.409

4 程序编制

N1 TOOL CALL 55 Z S240 F240;

Ø 160 面铣刀（铣斜面加工）

N2 L X+200 FMAX M91

N3 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT（坐标平移）

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（倾斜加工面）

N8 CYCL DEF 10.0 ROTATION（坐标旋转）

N9 CYCL DEF 10.1 ROT-5.409

N10 L X-40 Y-100 FMAX

加工程序略。

5 结语

通过上述分析与计算，可知加工带倾斜面的工件，特别是当斜面上有钻孔、镗孔、铣面等时，不需要用复杂的软件编程，也不需要用专用的工装，用海德汉系统五轴的PLANE功能，求出两个空间角即可完成定位工作。也可以通过画图标注得出这两个角度，相关编程只要用简单的二维编程，就能很好的加工出斜面上要求的内容，而且对于零件尺寸精度的控制更为简单。