五軸加工(5 Axis Machining),數控機床加工的一種模式。

根據ISO的規定,在描述數控機床的運動時,采用右手直角坐標系;其中平行于主軸的坐標軸定義為z軸,繞x、y、z軸的旋轉坐標分別為A、B、C。各坐標軸的運動可由工作臺,也可以由刀具的運動來實現,但方向均以刀具相對于工件的運動方向來定義。通常五軸聯動是指x、y、z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動。換言之,五軸,指x、y、z三個移動軸加任意兩個旋轉軸。相對于常見的三軸(x、y、z三個自由度)加工而言,五軸加工是指加工幾何形狀比較復雜的零件時,需要加工刀具能夠在五個自由度上進行定位和連接。

五軸加工所采用的機床通常稱為五軸機床或五軸加工中心。五軸加工常用于航天領域,加工具有自由曲面的機體零部件、渦輪機零部件和葉輪等。五軸機床可以不改變工件在機床上的位置而對工件的不同側面進行加工,可大大提高棱柱形零件的加工效率。

 

五軸技術的發展
幾十年來,人們普遍認為五軸數控加工技術是加工連續、平滑、復雜曲面的唯一手段。一旦人們在設計、制造復雜曲面遇到無法解決的難題,就會求助五軸加工技術。
五軸聯動數控是數控技術中難度最大、應用范圍最廣的技術,它集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體,應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工。國際上把五軸聯動數控技術作為一個國家生產設備自動化技術水平的標志。由于其特殊的地位,特別是對于航空、航天、軍事工業的重要影響,以及技術上的復雜性,西方工業發達國家一直把五軸數控系統作為戰略物資實行出口許可證制度。
與三軸聯動的數控加工相比,從工藝和編程的角度來看,對復雜曲面采用五軸數控加工有以下優點:
1)提高加工質量和效率
2)擴大工藝范圍
3)滿足復合化發展新方向


但是,五軸數控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制,其數控編程、數控系統和機床結構遠比三軸機床復雜得多。所以,五軸說起來容易,真實現真的很難!另外,要操作運用好更難!

說到五軸,不得不說一說真假五軸?真假5軸的區別主要在于是否有RTCP功能,為此,小編專門去查找了這個詞!

RTCP,解釋一下,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫,字面意思是“旋轉刀具中心”,業內往往會稍加轉義為“圍繞刀具中心轉”,也有一些人直譯為“旋轉刀具中心編程”,其實這只是RTCP的結果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個單詞的縮寫。海德漢則將類似的所謂升級技術稱為TCPM,即“Tool Centre Point Management”的縮寫,刀具中心點管理。還有的廠家則稱類似技術為TCPC,即“Tool Center Point Control”的縮寫,刀具中心點控制。

從Fidia的RTCP的字面含義看,假設以手動方式定點執行RTCP功能,刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將維持不變,此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上,而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉,對于球頭刀而言,刀具中心點就是數控代碼的目標軌跡點。

為了達到讓刀柄在執行RTCP功能時能夠單純地圍繞目標軌跡點(即刀具中心點)旋轉的目的,就必須實時補償由于刀柄轉動所造成的刀具中心點各直線坐標的偏移,這樣才能夠在保持刀具中心點以及刀具和工件表面實際接觸點不變的情況,改變刀柄與刀具和工件表面實際接觸點處的法線之間的夾角,起到發揮球頭刀的最佳切削效率,并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點(即數控代碼的目標軌跡點)上,處理旋轉坐標的變化。

 


不具備RTCP的五軸機床和數控系統必須依靠CAM編程和后處理,事先規劃好刀路,同樣一個零件,機床換了,或者刀具換了,就必須重新進行CAM編程和后處理,因而只能被稱作假五軸,國內很多五軸數控機床和系統都屬于這類假五軸。當然了,人家硬撐著把自己稱作是五軸聯動也無可厚非,但此(假)五軸并非彼(真)五軸!

小編因此也咨詢了行業的專家,簡而言之,真五軸即五軸五聯動,假五軸有可能是五軸三聯動,另外兩軸只起到定位功能!

這是通俗的說法,并不是規范的說法,一般說來,五軸機床分兩種:一種是五軸聯動,即五個軸都可以同時聯動,另外一種是五軸定位加工,實際上是五軸三聯動:即兩個旋轉軸旋轉定位,只有3個軸可以同時聯動加工,這種俗稱3+2模式的五軸機床,也可以理解為假五軸。

目前五軸數控機床的形式

在5軸加工中心的機械設計上,機床制造商始終堅持不懈地致力于開發出新的運動模式,以滿足各種要求。綜合目前市場上各類五軸機床,雖然其機械結構形式多種多樣,但是主要有以下幾種形式:

 

兩個轉動坐標直接控制刀具軸線的方向(雙擺頭形式)


兩個坐標軸在刀具頂端,但是旋轉軸不與直線軸垂直(俯垂型擺頭式)

 

兩個轉動坐標直接控制空間的旋轉(雙轉臺形式)


兩個坐標軸在工作臺上,但是旋轉軸不與直線軸垂直(俯垂型工作臺式)


兩個轉動坐標一個作用在刀具上,一個作用在工件上(一擺一轉形式)

看過這些結構的五軸機床,相信我們應該明白了五軸機床什么在運動,怎樣運動。

五軸數控編程抽象、操作困難

這是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。三軸機床只有直線坐標軸, 而五軸數控機床結構形式多樣;同一段NC代碼可以在不同的三軸數控機床上獲得同樣的加工效果,但某一種五軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機床。數控編程除了直線運動之外, 還要協調旋轉運動的相關計算,如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等,處理的信息量很大,數控編程極其抽象。

五軸數控加工的操作和編程技能密切相關,如果用戶為機床增添了特殊功能,則編程和操作會更復雜。只有反復實踐,編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經驗豐富的編程、操作人員的缺乏,是五軸數控技術普及的一大阻力。

國內許多廠家從國外購買了五軸數控機床,由于技術培訓和服務不到位,五軸數控機床固有功能很難實現,機床利用率很低,很多場合還不如采用三軸機床。

對NC插補控制器、伺服驅動系統要求十分嚴格

五軸機床的運動是五個坐標軸運動的合成。旋轉坐標的加入,不但加重了插補運算的負擔,而且旋轉坐標的微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此,要求控制器有更高的運算精度。

五軸機床的運動特性要求伺服驅動系統有很好的動態特性和較大的調速范圍。

五軸數控的NC程序校驗尤為重要

要提高機械加工效率,迫切要求淘汰傳統的“試切法”校驗方式 。在五軸數控加工當中,NC 程序的校驗工作也變得十分重要, 因為通常采用五軸數控機床加工的工件價格十分昂貴,而且碰撞是五軸數控加工中的常見問題:刀具切入工件;刀具以極高的速度碰撞到工件;刀具和機床、夾具及其他加工范圍內的設備相碰撞;機床上的移動件和固定件或工件相碰撞。五軸數控中,碰撞很難預測,校驗程序必須對機床運動學及控制系統進行綜合分析。

如果CAM 系統檢測到錯誤,可以立即對刀具軌跡進行處理;但如果在加工過程中發現NC 程序錯誤,不能像在三軸數控中那樣直接對刀具軌跡進行修改。在三軸機床上,機床操作者可以直接對刀具半徑等參數進行修改。而在五軸加工中,情況就不那么簡單了,因為刀具尺寸和位置的變化對后續旋轉運動軌跡有直接影響。

刀具半徑補償

在五軸聯動NC 程序中,刀具長度補償功能仍然有效,而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時,需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統均無法完成刀具半徑補償,因為ISO文件中沒有提供足夠的數據對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸,按照正常的處理程序,刀具軌跡應送回CAM 系統重新進行計算。從而導致整個加工過程效率十分低下。

針對這個問題, 挪威研究人員正在開發一種臨時解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優生產策略)。刀具軌跡修正所需數據由CNC 應用程序輸送到CAM 系統,并將計算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件,能夠直接連接到CNC 機床,其間傳送的是CAM 系統文件而不是ISO 代碼。對這個問題的最終解決方案,有賴于引入新一代CNC 控制系統,該系統能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統文件。

后置處理器

五軸機床和三軸機床不同之處在于它還有兩個旋轉坐標,刀具位置從工件坐標系向機床坐標系轉換,中間要經過幾次坐標變換。利用市場上流行的后置處理器生成器,只需輸入機床的基本參數,就能夠產生三軸數控機床的后置處理器。而針對五軸數控機床,目前只有一些經過改良的后置處理器。五軸數控機床的后置處理器還有待進一步開發。

三軸聯動時,刀具的軌跡中不必考慮工件原點在機床工作臺的位置,后置處理器能夠自動處理工件坐標系和機床坐標系的關系。對于五軸聯動,例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯動的臥式銑床上加工時, 工件在C 轉臺上位置尺寸以及B 、C 轉臺相互之間的位置尺寸,產生刀具軌跡時都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時要耗費大量時間來處理這些位置關系。如果后置處理器能處理這些數據,工件的安裝和刀具軌跡的處理都會大大簡化;只需將工件裝夾在工作臺上,測量工件坐標系的位置和方向,將這些數據輸入到后置處理器,對刀具軌跡進行后置處理即可得到適當的NC 程序。

非線性誤差和奇異性問題

由于旋轉坐標的引入,五軸數控機床的運動學比三軸機床要復雜得多。和旋轉有關的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差應歸屬于編程誤差,可以通過縮小步距加以控制。在前置計算階段,編程者無法得知非線性誤差的大小,只有通過后置處理器生成機床程序后,非線性誤差才有可能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問題。有些控制系統能夠在加工的同時對刀具軌跡進行線性化處理,但通常是在后置處理器中進行線性化處理。

旋轉軸引起的另一個問題是奇異性。如果奇異點處在旋轉軸的極限位置處,則在奇異點附近若有很小振蕩都會導致旋轉軸的180°翻轉,這種情況相當危險。

對CAD/ CAM系統的要求

對五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統,并且必須要有經驗豐富的編程人員來對CAD/CAM 系統進行操作。

以前五軸機床和三軸機床之間的價格懸殊很大。現在,三軸機床附加一個旋轉軸基本上就是普通三軸機床的價格,這種機床可以實現多軸機床的功能。同時,五軸機床的價格也僅僅比三軸機床的價格高出30%~ 50%。

除了機床本身的投資之外,還必須對CAD/CAM系統軟件和后置處理器進行升級,使之適應五軸加工的要求;必須對校驗程序進行升級,使之能夠對整個機床進行仿真處理。

五軸加工機床未來智能化趨勢
智能裝備的控制模式和人機界面將會有很大的變化,WiFi寬帶、藍牙近距通信等網絡性能的提高,基于平板電腦、手機和穿戴設備等基于網絡的移動控制方式會越來越普及。與時俱進的觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開關、鼠標和鍵盤。人們,特別是年輕人已經習慣智能電子消費產品的操作方式,能夠快速做出反應,切換屏幕,上傳或下載數據,從而大大豐富了人機交互的內容,同時明顯降低誤操作率。

 

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