加工(5軸加工)，顧名思義，是數(shù)控機(jī)床加工的一種模式。具有X、Y、Z、A、B、C任意五個(gè)坐標(biāo)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，用于五軸加工的機(jī)床通常稱為五軸機(jī)床或五軸加工中心。但是你真的了解五軸加工嗎？

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)雜曲面的必由之路。一旦人們?cè)谠O(shè)計(jì)制造復(fù)雜曲面時(shí)遇到無法解決的問題，就會(huì)轉(zhuǎn)向五軸加工技術(shù)。但是...

五軸數(shù)控是難度最大、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控技術(shù)。它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)化加工。在國(guó)際上，五軸數(shù)控技術(shù)被視為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對(duì)航空、航天和軍事工業(yè)的重要影響，以及其技術(shù)的復(fù)雜性，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直將五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度。

與三軸數(shù)控加工相比，從工藝和編程角度來看，復(fù)雜曲面的五軸數(shù)控加工具有以下優(yōu)勢(shì):

1)提高加工質(zhì)量和效率。

2)擴(kuò)大流程范圍。

3)符合復(fù)合型發(fā)展的新方向。

但由于加工空間中的干涉和刀位控制，五軸數(shù)控加工的數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)都比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。所以，五軸說起來容易，實(shí)現(xiàn)起來真的很難！除此之外，操作和使用好它的難度更大！

說到五板斧，我得說真假五板斧？真假軸的區(qū)別主要在于是否有RTCP函數(shù)。為此，邊肖特意查了這個(gè)詞！

RTCP解釋說，F(xiàn)idia的RTCP是“旋轉(zhuǎn)工具中心點(diǎn)”的縮寫，字面意思是“旋轉(zhuǎn)工具中心”。在業(yè)內(nèi)往往略逃為“繞著刀具中心轉(zhuǎn)”，也有人直譯為“回轉(zhuǎn)式刀具中心編程”。事實(shí)上，這只是RTCP的結(jié)果。PA的RTCP是“實(shí)時(shí)刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)”前幾個(gè)字的縮寫。Heidenhain把類似的所謂升級(jí)技術(shù)稱為TCPM，“工具中心點(diǎn)管理”的縮寫，工具中心點(diǎn)管理。其他制造商稱類似的技術(shù)為TCPC，“刀具中心點(diǎn)控制”的縮寫，刀具中心點(diǎn)控制。

從Fidia的RTCP的字面意思來看，假設(shè)手動(dòng)執(zhí)行RTCP函數(shù)，刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將保持不變。此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)的法線上，刀柄會(huì)繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于球頭銑刀，刀具中心點(diǎn)是NC代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)。

為了達(dá)到在執(zhí)行RTCP功能時(shí)，刀架可以簡(jiǎn)單地繞目標(biāo)軌跡點(diǎn)(即刀具中心點(diǎn))旋轉(zhuǎn)的目的，需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)都苄D(zhuǎn)引起的刀具中心點(diǎn)各直線坐標(biāo)的偏移， 從而在保持刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)不變的情況下，改變刀柄與刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線之間的角度，發(fā)揮球頭銑刀的最佳切削效率，并有效避免干涉。 所以RTCP似乎更多的站在刀具的中心點(diǎn)(也就是NC代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn))上，處理旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化。

沒有RTCP的五軸機(jī)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。如果換了同一個(gè)零件，必須重新進(jìn)行CAM編程和后置處理，所以只能叫假五軸。國(guó)內(nèi)很多五軸數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)都屬于這種假五軸。當(dāng)然，人們堅(jiān)持自稱五軸聯(lián)動(dòng)也無可厚非，但這個(gè)(假)五軸并不是另一個(gè)(真)五軸！

因此，邊肖也咨詢了業(yè)內(nèi)專家。簡(jiǎn)而言之，真五軸是五軸五聯(lián)動(dòng)，假五軸可能是五軸三聯(lián)動(dòng)，另外兩軸只起定位作用！

這是通俗說法，不是標(biāo)準(zhǔn)說法。一般來說，五軸機(jī)床有兩種:一種是五軸聯(lián)動(dòng)，即所有五軸可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)，另一種是五軸定位加工，實(shí)際上是五軸三聯(lián)動(dòng):即兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)定位，同時(shí)只能聯(lián)動(dòng)三個(gè)軸。這種俗稱的3+2模式五軸機(jī)床也可以理解為偽五軸。

目前，五軸數(shù)控機(jī)床的形式

在五軸加工中心的機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)床制造商一直在不懈地努力開發(fā)新的運(yùn)動(dòng)模式以滿足各種要求。

發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)的困難和阻力

大家早就認(rèn)識(shí)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(gè)傳統(tǒng)數(shù)控程序員都很頭疼的問題。三軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸，五軸數(shù)控機(jī)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(jī)床上可以達(dá)到相同的加工效果，但某一臺(tái)五軸機(jī)床的NC代碼并不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)外，還需要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度和行程的檢查、非線性誤差檢查、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算等。處理的信息量非常大，所以數(shù)控編程極其抽象。

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

國(guó)內(nèi)很多廠家都從國(guó)外購(gòu)買了五軸數(shù)控機(jī)床。由于技術(shù)培訓(xùn)和服務(wù)不足，五軸數(shù)控機(jī)床的固有功能難以實(shí)現(xiàn)，機(jī)床利用率很低。在很多場(chǎng)合，最好采用三軸機(jī)床。

對(duì)數(shù)控插補(bǔ)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格。

五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是五個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入不僅增加了插補(bǔ)的負(fù)擔(dān)，而且由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差，還會(huì)大大降低加工精度。因此，要求控制器具有更高的精度。

五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性要求伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和較大的速度范圍。

五軸數(shù)控的數(shù)控程序驗(yàn)證尤為重要。

為了提高加工效率，迫切需要淘汰傳統(tǒng)的“試切法”驗(yàn)證方法。在五軸數(shù)控加工中，數(shù)控程序的驗(yàn)證變得非常重要，因?yàn)槲遢S數(shù)控機(jī)床通常加工的工件非常昂貴，而碰撞是五軸數(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)碰撞機(jī)床、夾具等設(shè)備；機(jī)床上的運(yùn)動(dòng)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(cè)的，所以驗(yàn)證程序必須綜合分析機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制系統(tǒng)。

如果CAM系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤，它可以立即處理刀具路徑；但是，如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)NC程序錯(cuò)誤，則不能像三軸NC那樣直接修改刀具軌跡。在三軸機(jī)床上，機(jī)床操作員可以直接修改刀具半徑等參數(shù)。但是在五軸加工中，情況就沒那么簡(jiǎn)單了，因?yàn)榈毒叱叽绾臀恢玫淖兓瘜?duì)后續(xù)的旋轉(zhuǎn)軌跡有直接的影響。

刀具半徑補(bǔ)償

在五軸數(shù)控程序中，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能仍然有效，但刀具半徑補(bǔ)償無效。使用圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要針對(duì)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)不能完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件沒有提供足夠的數(shù)據(jù)來重新計(jì)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(jì)算。因此整個(gè)處理過程的效率非常低。

為了解決這個(gè)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(shí)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(jì)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(jī)床，期間傳輸?shù)氖荂AM系統(tǒng)文件，而不是ISO代碼。這個(gè)問題的最終解決有賴于新一代數(shù)控系統(tǒng)的推出，它能識(shí)別常見格式的工件模型文件(如STEP等。)或CAD系統(tǒng)文件。

后置處理程序

五軸機(jī)床和三軸機(jī)床的區(qū)別在于，它也有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。刀具位置從工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系，中間需要進(jìn)行幾次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用市場(chǎng)上流行的后置處理器生成器，只需輸入機(jī)床的基本參數(shù)，即可生成三軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器。對(duì)于五軸數(shù)控機(jī)床，只有一些改進(jìn)的后置處理器。五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器需要進(jìn)一步開發(fā)。

在三軸聯(lián)動(dòng)中，刀具軌跡中不需要考慮工件原點(diǎn)在機(jī)床工作臺(tái)上的位置，后處理器可以自動(dòng)處理工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)，例如在X、Y、Z、B、C五軸的臥式銑床上加工時(shí)，生成刀具軌跡時(shí)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(shí)，通常要花很多時(shí)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(jiǎn)化；只需將工件夾在工作臺(tái)上，測(cè)量工件坐標(biāo)系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入到后處理器中，對(duì)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的第一個(gè)問題是非線性誤差。非線性誤差應(yīng)該屬于編程誤差，可以通過減小步距來控制。在預(yù)計(jì)算階段，程序員無法知道非線性誤差的大小。后處理器生成機(jī)床程序后，才能計(jì)算非線性誤差。刀具軌跡線性化可以解決這個(gè)問題。一些控制系統(tǒng)可以在加工的同時(shí)線性化刀具軌跡，但它通常在后處理器中線性化。

旋轉(zhuǎn)軸引起的另一個(gè)問題是奇點(diǎn)。如果奇點(diǎn)在轉(zhuǎn)軸的極限位置，奇點(diǎn)附近的一個(gè)小的擺動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)180°，這是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

CAD/ CAM系統(tǒng)的要求

對(duì)于五面體加工的操作，用戶必須依賴于成熟的CAD/CAM系統(tǒng)，必須有經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員來操作CAD/CAM系統(tǒng)。