好文！一文搞懂五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工那些事兒

UG編程粥粥老師 2018-03-21 15:43

2018-03-21 粥粥 ug編程交流

近年來(lái)，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)無(wú)疑是解決異形復(fù)雜零件高效、高質(zhì)量加工問(wèn)題的重要手段。越來(lái)越多的制造商傾向于尋找五軸設(shè)備來(lái)滿足高效、高質(zhì)量的加工。但你真的了解五軸加工嗎？

▌ 五軸加工

要真正了解五軸加工，首先要了解什么是五軸機(jī)床。五軸機(jī)床（5 Axis Machining），顧名思義，指在X、Y、Z，在三個(gè)常見(jiàn)的直線軸上加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。A、B、C為了滿足各種產(chǎn)品的技術(shù)需求，三軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸具有不同的運(yùn)動(dòng)方式。在5軸加工中心的機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)床制造商始終致力于開(kāi)發(fā)新的運(yùn)動(dòng)模式，以滿足各種要求。市場(chǎng)上各種五軸機(jī)床，雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)形式多樣，但主要有以下形式：

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接控制工具軸的方向（雙擺形式）

刀具頂部有兩個(gè)坐標(biāo)軸但旋轉(zhuǎn)軸不垂直于直線軸(俯垂擺頭)

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接控制空間的旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)臺(tái)形式）

工作臺(tái)上有兩個(gè)坐標(biāo)軸但旋轉(zhuǎn)軸不垂直于直線軸(俯垂工作臺(tái))

刀具上有兩個(gè)個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)作用于工件(一擺一轉(zhuǎn))

看到這些結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，我相信我們應(yīng)該了解什么是運(yùn)動(dòng)，如何運(yùn)動(dòng)。然而，這種多樣化的機(jī)床結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中能顯示出什么特點(diǎn)？與傳統(tǒng)的三軸機(jī)床相比，它有什么優(yōu)點(diǎn)？接下來(lái)，讓我們來(lái)看看五軸機(jī)床的發(fā)光點(diǎn)。

GF加工方案Mikron MILL E 500U 五軸加工中心

▌ 5軸機(jī)床的特點(diǎn)

說(shuō)到五軸機(jī)床的特點(diǎn)，必須與傳統(tǒng)的三軸設(shè)備進(jìn)行比較。三軸加工設(shè)備在生產(chǎn)中比較常見(jiàn)，有立式、臥式、龍門等形式。立銑刀端刃加工和側(cè)刃加工是常見(jiàn)的加工方法。球頭刀仿形加工等。但無(wú)論哪種形式和方法都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即刀軸的方向在加工過(guò)程中保持不變，機(jī)床只能通過(guò)X、Y、Z在空間直角坐標(biāo)系中插入三個(gè)線間直角坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)。因此，面對(duì)以下產(chǎn)品，暴露了三軸機(jī)床效率低、加工表面質(zhì)量差甚至無(wú)法加工的缺點(diǎn)。

與三軸數(shù)控加工設(shè)備相比，五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 保持刀具較佳切削狀態(tài)，改善切削條件

如上圖所示，左圖中的三軸切割方法

當(dāng)?shù)毒咭苿?dòng)到頂部或工件邊緣時(shí)，切割狀態(tài)逐漸惡化。為了在這里保持較佳的切割狀態(tài)，需要旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。如果我們想完全處理一個(gè)不規(guī)則的平面，我們必須在不同的方向旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)多次。可以看出，五軸機(jī)床還可以避免球頭銑刀中心點(diǎn)線速度為0，以獲得更好的表面質(zhì)量。

2. 有效避免刀具干擾

如上圖所示，由于干擾，三軸設(shè)備不能滿足航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的葉輪、葉片和整體葉盤的工藝要求。五軸機(jī)床可以滿足要求。同時(shí)，五軸機(jī)床也可以使用較短的工具進(jìn)行加工，以提高系統(tǒng)剛度，減少工具數(shù)量，避免生產(chǎn)特殊工具。對(duì)于我們的企業(yè)主來(lái)說(shuō)，這意味著在工具成本方面，五軸機(jī)床將為您省錢！

3. 減少裝夾次數(shù)，一次完成五面加工

從上圖可以看出，五軸加工中心還可以減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。在實(shí)際加工中，只有一次夾具，更容易保證加工精度。同時(shí)，由于工藝鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工具夾具數(shù)量、車間面積和設(shè)備維護(hù)成本也降低了。這意味著您可以使用更少的夾具、更少的工廠面積和維護(hù)成本來(lái)完成更高效、更高質(zhì)量的加工！

4. 提高加工質(zhì)量和效率

如圖所示，五軸機(jī)床可采用刀具側(cè)刃切割，加工效率較高。

5. 縮短生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理

五軸數(shù)控機(jī)床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)管理和規(guī)劃調(diào)度。與傳統(tǒng)工藝分散的生產(chǎn)方法相比，工件越復(fù)雜，其優(yōu)勢(shì)就越明顯。

6. 縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期

對(duì)于航空航天、汽車等領(lǐng)域的企業(yè)來(lái)說(shuō)，一些新產(chǎn)品零件和成型模具形狀復(fù)雜，精度要求高。因此，具有高靈活性、高精度、高集成性、完整加工能力的五軸數(shù)控加工中心，可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問(wèn)題，大大縮短研發(fā)周期，提高新產(chǎn)品的成功率。

綜上所述，五軸機(jī)床有太多的優(yōu)點(diǎn)，但五軸機(jī)床的刀具姿態(tài)控制，數(shù)控系統(tǒng)，CAM編程和后處理比三軸機(jī)床復(fù)雜得多！同時(shí)，當(dāng)我們談到五軸機(jī)床時(shí)，我們不得不談?wù)撐遢S的真。我們都知道真假五軸較大的區(qū)別在于RTCP但是什么是功能？RTCP，它是如何產(chǎn)生和應(yīng)用的？下面，我們將結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)和編程后處理RTCP，了解他的真面目。

▌ 關(guān)于RTCP

RTCP，在高端五軸數(shù)控系統(tǒng)中，RTCP即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說(shuō)的刀尖跟隨功能。在五軸加工中，在追求刀尖軌跡和刀具與工件之間的姿勢(shì)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生額外的刀尖運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)的控制點(diǎn)往往與刀尖點(diǎn)不一致，因此數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)修正控制點(diǎn)，以確保刀尖點(diǎn)按指令移動(dòng)。業(yè)內(nèi)也有人稱此技術(shù)為此技術(shù)TCPM、TCPC或者RPCP等功能。事實(shí)上，這些名稱的功能定義和RTCP嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，類似，RTCP該功能用于雙擺頭結(jié)構(gòu)，用于補(bǔ)償擺頭旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。而類似于RPCP功能主要用于雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，補(bǔ)償工件旋轉(zhuǎn)引起的線軸坐標(biāo)變化。其實(shí)這些功能都是為了保持刀具的中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)不變。因此，為了方便表達(dá)，本文統(tǒng)一了此類技術(shù)RTCP技術(shù)。

那么RTCP功能是如何產(chǎn)生的？多年前，當(dāng)五軸機(jī)床剛剛普及市場(chǎng)時(shí)，RTCP機(jī)床廠家大肆宣傳概念。彼時(shí)RTCP功能更像是技術(shù)的噱頭，更多的人熱衷于技術(shù)本身。其實(shí)RTCP相反，它不僅是一項(xiàng)好技術(shù)，也是一項(xiàng)能給客戶帶來(lái)好處和創(chuàng)造價(jià)值的好技術(shù)。擁有RTCP技術(shù)機(jī)床（即中國(guó)真正的五軸機(jī)床），操作人員不需要準(zhǔn)確對(duì)齊轉(zhuǎn)盤軸線，隨意夾緊，機(jī)床自動(dòng)補(bǔ)償偏移，大大降低輔助時(shí)間，提高加工精度。同時(shí)，后處理制作簡(jiǎn)單，只需輸出刀尖點(diǎn)坐標(biāo)和矢量即可。正如我們之前所說(shuō)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，五軸數(shù)控機(jī)床主要有雙擺頭、雙轉(zhuǎn)臺(tái)、一擺一轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)。

以雙轉(zhuǎn)臺(tái)高端五軸數(shù)控系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹RTCP功能。

第四軸和第五軸的概念定義在五軸機(jī)床：第四軸的旋轉(zhuǎn)影響第五軸的姿態(tài)，第五軸的旋轉(zhuǎn)不影響第四軸的姿態(tài)。第五軸是第四軸上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

好了，看完定義說(shuō)明，我們來(lái)解釋一下。如上圖所示，機(jī)床第四軸為A軸，第五軸為C軸。C軸轉(zhuǎn)臺(tái)上放置工件。當(dāng)?shù)谒妮SA軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，C軸的姿態(tài)也會(huì)受到影響，因?yàn)镃軸安裝在A軸上。同樣，對(duì)于我們放在轉(zhuǎn)盤上的工件，如果我們切割和編程刀具中心，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化必然會(huì)導(dǎo)致直軸X、Y、Z坐標(biāo)的變化產(chǎn)生相對(duì)位移。為了消除這一位移，機(jī)床必須補(bǔ)償它，RTCP消除補(bǔ)償產(chǎn)生的功能。

那么機(jī)床如何補(bǔ)償這種偏移呢？接下來(lái)，讓我們分析一下這種偏移是如何產(chǎn)生的。

根據(jù)上述情況，我們都知道直軸坐標(biāo)的偏移是由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化引起的。因此，分析旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心尤為重要。對(duì)于雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床，C第五軸的控制點(diǎn)通常位于機(jī)床工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心。第四軸通常選擇第四軸的中點(diǎn)作為控制點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)五軸控制，數(shù)控系統(tǒng)需要了解第五軸控制點(diǎn)與第四軸控制點(diǎn)的關(guān)系。即初始狀態(tài)(機(jī)床A、C軸0位置)，在原點(diǎn)第四軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，第五軸控制點(diǎn)的位置向量[U,V,W]。還需要知道A、C軸線之間的距離。雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，如下圖所示。

說(shuō)到這里，你可以看到，有RTCP為了保持刀具中心始終處于被編程位置，功能性機(jī)床控制系統(tǒng)。在這種情況下，編程是獨(dú)立的，與機(jī)床運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。在機(jī)床上編程時(shí)，不要擔(dān)心機(jī)床運(yùn)動(dòng)和刀具長(zhǎng)度。你需要考慮的只是刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。剩下的工作控制系統(tǒng)將為您完成。

如上圖所示，不帶RTCP在功能關(guān)閉的情況下，控制系統(tǒng)不考慮工具長(zhǎng)度。工具在軸的中心旋轉(zhuǎn)。刀尖將移出其位置，不再固定。

如上圖，帶RTCP當(dāng)功能打開(kāi)時(shí)，控制系統(tǒng)只改變刀具的方向，刀尖位置保持不變。X，Y，Z自動(dòng)計(jì)算軸上必要的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。

而不具備RTCP如何解決直線軸坐標(biāo)偏移的問(wèn)題？眾所周知，國(guó)內(nèi)很多五軸數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)都屬于假五軸。所謂假五軸，其實(shí)就是不帶RTCP機(jī)床的功能。真假五軸，既不看外觀也不看五軸是否聯(lián)動(dòng)，要知道假五軸也可以做五軸聯(lián)動(dòng)。假五軸的區(qū)別主要在于沒(méi)有真五軸RTCP也就是說(shuō)，假五軸編程需要考慮主軸的擺長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置。這意味著在使用假五軸數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床編程時(shí)，必須依靠CAM編程和后處理技術(shù)，提前規(guī)劃刀路。

同一部分，機(jī)床更換或刀具更換，必須重新進(jìn)行CAM編程和后處理。此外，假五軸機(jī)床在夾緊工件時(shí)，需要保證工件在工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的位置。對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)，這意味著需要大量的夾緊找正時(shí)間，精度無(wú)法保證。即使是分級(jí)加工，假五軸也要麻煩得多。真正的五軸只需要設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系，只需要一把刀。

假五軸依靠后處理技術(shù)，表明機(jī)床第四軸與第五軸中心的位置關(guān)系，以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸對(duì)直軸坐標(biāo)的位移。其生成的CNC程序X、Y、Z不僅是編程的趨近點(diǎn)，還包括X、Y、Z軸上必要的補(bǔ)償。這樣的結(jié)果不僅會(huì)導(dǎo)致加工精度不足，效率低下，而且生成的程序不通用，勞動(dòng)力成本也很高。同時(shí)，由于每臺(tái)機(jī)床的旋轉(zhuǎn)參數(shù)不同，應(yīng)有相應(yīng)的后處理文件，這也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)極大的不便。此外，假五軸的生成程序無(wú)法改變，基本上不可能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)五軸編程。同時(shí)因?yàn)闆](méi)有RTCP其衍生的許多五軸高級(jí)功能都不能使用，如五軸刀補(bǔ)功能等。事實(shí)上，對(duì)于五軸機(jī)床來(lái)說(shuō)，它只是我們實(shí)現(xiàn)加工結(jié)果的工具，沒(méi)有真假之分。重要的是，我們的工藝決定了如何加工。相對(duì)而言，真正的五軸機(jī)床更具成本效益。

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