加工(5 Axis Machining)，顧名思義，數(shù)控機床加工的一種模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5個坐標(biāo)的線性插補運動，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?？墒悄阏娴牧私馕遢S加工嗎？

五軸技術(shù)的發(fā)展

幾十年來，人們普遍認(rèn)為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、光滑、復(fù)雜曲面的唯一手段。一旦人們在設(shè)計和制造復(fù)雜曲面時遇到無法解決的問題，就會求助于五軸加工技術(shù)。但是...

五軸數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，適用于復(fù)雜曲面的高效、精密和自動化加工。在國際上，五軸數(shù)控技術(shù)被視為一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化技術(shù)水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對航空、航天和軍工行業(yè)的重要影響，以及其技術(shù)的復(fù)雜性，西方發(fā)達(dá)國家一直將五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實行出口許可證制度。

與三軸數(shù)控加工相比，從技術(shù)和編程的角度來看，采用五軸數(shù)控加工復(fù)雜曲面具有以下優(yōu)點:

1)提高加工質(zhì)量和效率。

2)擴大流程范圍

3)符合復(fù)合型發(fā)展的新方向。

從Fidia的RTCP字面意思來看，假設(shè)手動定點執(zhí)行RTCP函數(shù)，刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將保持不變。此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點的法線上，刀柄會繞刀具中心點旋轉(zhuǎn)。對于球頭銑刀，刀具中心點就是NC代碼的目標(biāo)軌跡點。

為了達(dá)到在執(zhí)行RTCP函數(shù)時，刀架可以簡單地繞目標(biāo)軌跡點(即刀具中心點)旋轉(zhuǎn)的目的，需要實時補償?shù)都苄D(zhuǎn)引起的刀具中心點直線坐標(biāo)的偏差， 從而在保持刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點不變的同時，改變刀架與刀具與工件表面實際接觸點處法線的夾角，以發(fā)揮球頭立銑刀的最佳切削效率，有效避免干涉。 所以RTCP似乎更多的是在刀具的中心(也就是NC代碼的目標(biāo)軌跡點)來處理旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化。

沒有RTCP的五軸機床和數(shù)控系統(tǒng)必須依靠CAM編程和后置處理，刀具軌跡必須事先規(guī)劃好。對于同一個零件，如果換機床或者換刀具，都要重新編程和后置處理，所以只能叫假五軸。

目前，五軸數(shù)控機床的形式

在五軸加工中心的機械設(shè)計中，機床制造商一直致力于開發(fā)新的運動模式以滿足各種要求?？偨Y(jié)目前市場上的各種五軸機床，雖然機械結(jié)構(gòu)多種多樣，但主要有以下幾種形式:

兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接控制刀具軸的方向(雙擺頭形式)

兩個坐標(biāo)軸在工具的頂部，

但是旋轉(zhuǎn)軸不垂直于線性軸(擺式)

兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)直接控制空間的旋轉(zhuǎn)(雙轉(zhuǎn)盤形式)

兩個坐標(biāo)軸在工作臺上，

但是旋轉(zhuǎn)軸不垂直于直線軸(擺動工作臺)

兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，一個作用在刀具上，一個作用在工件上(一擺一轉(zhuǎn)形式)。

看過這幾臺五軸機床，相信大家應(yīng)該明白五軸機床在動什么，怎么動的。

發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)的困難和阻力

大家早就認(rèn)識到五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，仍然存在尚未解決的問題。

五軸數(shù)控編程比較抽象，難以操作。

這是每個傳統(tǒng)數(shù)控程序員都很頭疼的問題。三軸機床只有直線坐標(biāo)軸，五軸數(shù)控機床有多種結(jié)構(gòu)形式；相同的NC代碼在不同的三軸數(shù)控機床上可以獲得相同的加工效果，但某一臺五軸機床的NC代碼并不能適用于所有類型的五軸機床。數(shù)控編程除了直線運動外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度和行程檢查、非線性誤差檢查、刀具旋轉(zhuǎn)運動計算等。，它處理大量的信息，非常抽象。

五軸數(shù)控加工的操作與編程技巧密切相關(guān)。如果用戶給機床增加特殊功能，編程和操作會更加復(fù)雜。程序員和操作人員只有通過反復(fù)實踐，才能掌握必要的知識和技能。編程經(jīng)驗豐富，操作人員缺乏是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大障礙。

對數(shù)控插補控制器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格。

五軸機床的運動是五個坐標(biāo)軸的合成。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入，不僅增加了插補運算的負(fù)擔(dān)，而且由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差，使加工精度大大降低。因此，要求控制器具有更高的運算精度。

五軸機床的運動特性要求伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和較大的速度范圍。

五軸數(shù)控的數(shù)控程序檢查尤為重要。

為了提高加工效率，迫切需要淘汰傳統(tǒng)的“試切法”驗證方法。在五軸數(shù)控加工中，數(shù)控程序的驗證也變得非常重要，因為五軸數(shù)控機床通常加工的工件非常昂貴，碰撞是五軸數(shù)控加工中常見的問題:刀具切入工件；刀具以非常高的速度與工件碰撞；刀具在加工范圍內(nèi)與機床、夾具等設(shè)備發(fā)生碰撞；機床上的運動部件與固定部件或工件發(fā)生碰撞。在五軸數(shù)控中，碰撞是很難預(yù)測的，因此標(biāo)定程序必須綜合分析機床的運動學(xué)和控制系統(tǒng)。

如果CAM系統(tǒng)檢測到錯誤，刀具路徑可以立即處理。但是，如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)NC程序錯誤，則不能像在三軸NC中那樣直接修改刀具路徑。在三軸機床上，機床操作者可以直接修改刀具半徑等參數(shù)。在五軸加工中，情況就沒那么簡單了，因為刀具尺寸和位置的變化對后續(xù)的旋轉(zhuǎn)軌跡有直接的影響。

刀具半徑補償

在五軸數(shù)控程序中，刀具長度補償功能仍然有效，但刀具半徑補償無效。使用圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時，需要針對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的數(shù)控系統(tǒng)無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件沒有提供足夠的數(shù)據(jù)來重新計算刀具位置。在數(shù)控加工過程中，用戶需要經(jīng)常更換刀具或調(diào)整刀具的精確尺寸。按照正常的加工程序，刀具軌跡要送回CAM系統(tǒng)重新計算。導(dǎo)致整個加工過程的效率非常低。

為了解決這個問題，挪威研究人員正在開發(fā)一種叫做LCOPS(低成本優(yōu)化生產(chǎn)策略)的臨時解決方案。刀具軌跡修正所需的數(shù)據(jù)由CNC應(yīng)用程序發(fā)送給CAM系統(tǒng)，計算出的刀具軌跡直接發(fā)送給控制器。LCOPS需要第三方提供CAM軟件，可以直接連接數(shù)控機床，傳輸CAM系統(tǒng)文件，而不是ISO代碼。這一問題的最終解決有賴于新一代CNC控制系統(tǒng)的推出，它能識別工件模型文件(如STEP等。)或通用格式的CAD系統(tǒng)文件。

后置處理程序

五軸機床和三軸機床的區(qū)別在于，它也有兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，刀具位置從工件坐標(biāo)系變化到機床坐標(biāo)系，中間有幾次坐標(biāo)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(shù)，即可生成三軸數(shù)控機床的后置處理器。對于五軸數(shù)控機床，只有一些改進(jìn)的后置處理器。五軸數(shù)控機床的后置處理器需要進(jìn)一步開發(fā)。

三軸聯(lián)動時，刀具軌跡中不需要考慮工件在機床工作臺上的原點位置，后處理器可以自動處理工件坐標(biāo)系和機床坐標(biāo)系的關(guān)系。對于五軸聯(lián)動，例如在X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動的臥式銑床上加工時，生成刀具軌跡時必須考慮工件在C轉(zhuǎn)盤上的位置尺寸和B、C轉(zhuǎn)盤之間的位置尺寸。工人在夾緊工件時，通常要花很多時間來處理這些位置關(guān)系。如果后處理器能夠處理這些數(shù)據(jù)，工件的安裝和刀具軌跡的加工將大大簡化；只需將工件夾在工作臺上，測量工件坐標(biāo)系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入后處理器，對刀具軌跡進(jìn)行后處理，得到合適的數(shù)控程序。

非線性誤差和奇異性問題

由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的引入，五軸數(shù)控機床的運動學(xué)比三軸機床復(fù)雜得多。與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差屬于編程誤差，可以通過減小步長來控制。在預(yù)計算階段，程序員無法知道非線性誤差的大小，非線性誤差只能在后處理器生成機床程序后才能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問題。一些控制系統(tǒng)可以在加工時線性化刀具軌跡，但通常是在后處理器中線性化。

轉(zhuǎn)軸引起的另一個問題是奇點。如果奇點在轉(zhuǎn)軸的極限位置，奇點附近的小振蕩會導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動180°，這是相當(dāng)危險的。

對CAD/ CAM系統(tǒng)的要求

對于五面體加工的操作，用戶必須使用成熟的CAD/CAM系統(tǒng)，并有經(jīng)驗豐富的程序員來操作CAD/CAM系統(tǒng)。

大量投資購買機床。以前五軸機床和三軸機床價格差距很大?，F(xiàn)在一個帶轉(zhuǎn)軸的三軸機床基本就是普通三軸機床的價格，可以實現(xiàn)多軸機床的功能。同時，五軸機床的價格只比三軸機床高30% ~ 50%。

除了機床本身的投資，還必須對CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級，以滿足五軸加工的要求。校準(zhǔn)程序必須升級以模擬整個機床。

五軸加工機床的未來智能化趨勢

智能設(shè)備的控制方式和人機界面將發(fā)生巨大變化。隨著WiFi寬帶、藍(lán)牙短距離通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提升，平板電腦、手機、可穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動控制方式將會越來越普及。觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐漸取代按鈕、開關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤。人們尤其是年輕人已經(jīng)習(xí)慣了智能電子消費產(chǎn)品的操作方式，可以快速反應(yīng)，切換屏幕和上傳或下載數(shù)據(jù)，大大豐富了人機交互的內(nèi)容，明顯降低了誤操作率。

值得一提的是，蘇州漢測測量設(shè)備有限公司自主研產(chǎn)的數(shù)控自動化高精度在機測量測頭除了具備自動化高精度測量功能外，還具有工件防碰撞報警功能，在測量時由于誤操作或錯誤編程容易導(dǎo)致碰撞導(dǎo)致機床，工件或測量設(shè)備損壞，在測頭與刀柄之間漢測增加了防碰撞模塊，當(dāng)測頭發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)會自動停止當(dāng)前測量動作，并出現(xiàn)報警提示，在重新校準(zhǔn)后可以繼續(xù)正常使用。主軸長時間加工后會產(chǎn)生熱伸長，這時普通測量工序就會出現(xiàn)測量誤差，漢測測頭單元具有隔熱功能，可以有效減少主軸熱伸長，同時將誤差累積在測量過程中，減少撞機幾率。同時，測頭在移動過程中觸碰到障礙物也會產(chǎn)生報警，保護(hù)探針碰撞。

防碰撞技巧：開始運行階段把快速倍率設(shè)置的慢些；經(jīng)常性檢查車床限位，確認(rèn)檔塊是否在正確位置，是否松動；程序輸入完成后，需仔細(xì)檢查是否存在錯誤，避免坐標(biāo)數(shù)字輸入錯誤；程序編好后應(yīng)該先進(jìn)行單股調(diào)試；正確對刀并設(shè)置好刀補，試切對刀時注意對刀使用的Z向零點與編程一致；調(diào)試過程中隨時注意當(dāng)前絕對坐標(biāo)值及下一程序段的終點坐標(biāo)位置，確定刀具移動的距離及工件位置之間的距離進(jìn)行判斷是否會導(dǎo)致碰撞。