好文！一文搞懂五軸聯動數控加工那些事兒

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，五軸聯動數控加工中心在各個領域得到了越來越廣泛的應用。在實際應用中，五軸聯動技術無疑是解決異形復雜零件高效、高質量加工問題的重要手段。越來越多的制造商傾向于尋找五軸設備來滿足高效、高質量的加工。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床。五軸機床（5 Axis Machining），顧名思義，指在X、Y、Z，在三個常見的直線軸上加兩個旋轉軸。A、B、C為了滿足各種產品的技術需求，三軸中的兩個旋轉軸具有不同的運動方式。在5軸加工中心的機械設計中，機床制造商始終致力于開發新的運動模式，以滿足各種要求。市場上各種五軸機床，雖然機械結構形式多樣，但主要有以下形式：

兩個旋轉坐標直接控制工具軸的方向（雙擺形式）

刀具頂部有兩個坐標軸但旋轉軸不垂直于直線軸(俯垂擺頭)

兩個旋轉坐標直接控制空間的旋轉雙轉臺形式）

工作臺上有兩個坐標軸但旋轉軸不垂直于直線軸(俯垂工作臺)

刀具上有兩個個旋轉坐標作用于工件(一擺一轉)

看到這些結構的五軸機床，我相信我們應該了解什么是運動，如何運動。然而，這種多樣化的機床結構在加工過程中能顯示出什么特點？與傳統的三軸機床相比，它有什么優點？接下來，讓我們來看看五軸機床的發光點。

GF加工方案Mikron MILL E 500U 五軸加工中心

▌ 5軸機床的特點

說到五軸機床的特點，必須與傳統的三軸設備進行比較。三軸加工設備在生產中比較常見，有立式、臥式、龍門等形式。立銑刀端刃加工和側刃加工是常見的加工方法。球頭刀仿形加工等。但無論哪種形式和方法都有一個共同的特點，即刀軸的方向在加工過程中保持不變，機床只能通過X、Y、Z在空間直角坐標系中插入三個線間直角坐標系中的運動。因此，面對以下產品，暴露了三軸機床效率低、加工表面質量差甚至無法加工的缺點。

與三軸數控加工設備相比，五聯動數控機床具有以下優點：

1. 保持刀具較佳切削狀態，改善切削條件

如上圖所示，左圖中的三軸切割方法

當刀具移動到頂部或工件邊緣時，切割狀態逐漸惡化。為了在這里保持較佳的切割狀態，需要旋轉工作臺。如果我們想完全處理一個不規則的平面，我們必須在不同的方向旋轉工作臺多次。可以看出，五軸機床還可以避免球頭銑刀中心點線速度為0，以獲得更好的表面質量。

2. 有效避免刀具干擾

如上圖所示，由于干擾，三軸設備不能滿足航空航天領域應用的葉輪、葉片和整體葉盤的工藝要求。五軸機床可以滿足要求。同時，五軸機床也可以使用較短的工具進行加工，以提高系統剛度，減少工具數量，避免生產特殊工具。對于我們的企業主來說，這意味著在工具成本方面，五軸機床將為您省錢！

3. 減少裝夾次數，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轉換，提高加工精度。在實際加工中，只有一次夾具，更容易保證加工精度。同時，由于工藝鏈的縮短和設備數量的減少，工具夾具數量、車間面積和設備維護成本也降低了。這意味著您可以使用更少的夾具、更少的工廠面積和維護成本來完成更高效、更高質量的加工！

4. 提高加工質量和效率

如圖所示，五軸機床可采用刀具側刃切割，加工效率較高。

5. 縮短生產過程鏈，簡化生產管理

五軸數控機床的完整加工大大縮短了生產過程鏈，簡化了生產管理和規劃調度。與傳統工藝分散的生產方法相比，工件越復雜，其優勢就越明顯。

6. 縮短新產品研發周期

對于航空航天、汽車等領域的企業來說，一些新產品零件和成型模具形狀復雜，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控加工中心，可以很好地解決新產品研發過程中復雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發周期，提高新產品的成功率。

綜上所述，五軸機床有太多的優點，但五軸機床的刀具姿態控制，數控系統，CAM編程和后處理比三軸機床復雜得多！同時，當我們談到五軸機床時，我們不得不談論五軸的真。我們都知道真假五軸較大的區別在于RTCP但是什么是功能？RTCP，它是如何產生和應用的？下面，我們將結合機床結構和編程后處理RTCP，了解他的真面目。

▌ 關于RTCP

RTCP，在高端五軸數控系統中，RTCP即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說的刀尖跟隨功能。在五軸加工中，在追求刀尖軌跡和刀具與工件之間的姿勢時，由于旋轉運動，會產生額外的刀尖運動。數控系統的控制點往往與刀尖點不一致，因此數控系統應自動修正控制點，以確保刀尖點按指令移動。業內也有人稱此技術為此技術TCPM、TCPC或者RPCP等功能。事實上，這些名稱的功能定義和RTCP嚴格來說，類似，RTCP該功能用于雙擺頭結構，用于補償擺頭旋轉中心點。而類似于RPCP功能主要用于雙轉臺機床，補償工件旋轉引起的線軸坐標變化。其實這些功能都是為了保持刀具的中心點和刀具與工件表面的實際接觸點不變。因此，為了方便表達，本文統一了此類技術RTCP技術。

那么RTCP功能是如何產生的？多年前，當五軸機床剛剛普及市場時，RTCP機床廠家大肆宣傳概念。彼時RTCP功能更像是技術的噱頭，更多的人熱衷于技術本身。其實RTCP相反，它不僅是一項好技術，也是一項能給客戶帶來好處和創造價值的好技術。擁有RTCP技術機床（即中國真正的五軸機床），操作人員不需要準確對齊轉盤軸線，隨意夾緊，機床自動補償偏移，大大降低輔助時間，提高加工精度。同時，后處理制作簡單，只需輸出刀尖點坐標和矢量即可。正如我們之前所說，在機械結構上，五軸數控機床主要有雙擺頭、雙轉臺、一擺一轉等結構。

以雙轉臺高端五軸數控系統為例，詳細介紹RTCP功能。

第四軸和第五軸的概念定義在五軸機床：第四軸的旋轉影響第五軸的姿態，第五軸的旋轉不影響第四軸的姿態。第五軸是第四軸上的旋轉坐標。

好了，看完定義說明，我們來解釋一下。如上圖所示，機床第四軸為A軸，第五軸為C軸。C軸轉臺上放置工件。當第四軸A軸旋轉時，C軸的姿態也會受到影響，因為C軸安裝在A軸上。同樣，對于我們放在轉盤上的工件，如果我們切割和編程刀具中心，旋轉坐標的變化必然會導致直軸X、Y、Z坐標的變化產生相對位移。為了消除這一位移，機床必須補償它，RTCP消除補償產生的功能。

那么機床如何補償這種偏移呢？接下來，讓我們分析一下這種偏移是如何產生的。

根據上述情況，我們都知道直軸坐標的偏移是由旋轉坐標的變化引起的。因此，分析旋轉軸的旋轉中心尤為重要。對于雙轉臺結構機床，C第五軸的控制點通常位于機床工作臺的旋轉中心。第四軸通常選擇第四軸的中點作為控制點。

為了實現五軸控制，數控系統需要了解第五軸控制點與第四軸控制點的關系。即初始狀態(機床A、C軸0位置)，在原點第四軸旋轉坐標系下，第五軸控制點的位置向量[U,V,W]。還需要知道A、C軸線之間的距離。雙轉臺機床，如下圖所示。

說到這里，你可以看到，有RTCP為了保持刀具中心始終處于被編程位置，功能性機床控制系統。在這種情況下，編程是獨立的，與機床運動無關。在機床上編程時，不要擔心機床運動和刀具長度。你需要考慮的只是刀具和工件之間的相對運動。剩下的工作控制系統將為您完成。

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

如上圖，帶RTCP當功能打開時，控制系統只改變刀具的方向，刀尖位置保持不變。X，Y，Z自動計算軸上必要的補償運動。

而不具備RTCP如何解決直線軸坐標偏移的問題？眾所周知，國內很多五軸數控機床和系統都屬于假五軸。所謂假五軸，其實就是不帶RTCP機床的功能。真假五軸，既不看外觀也不看五軸是否聯動，要知道假五軸也可以做五軸聯動。假五軸的區別主要在于沒有真五軸RTCP也就是說，假五軸編程需要考慮主軸的擺長和旋轉工作臺的位置。這意味著在使用假五軸數控系統和機床編程時，必須依靠CAM編程和后處理技術，提前規劃刀路。

同一部分，機床更換或刀具更換，必須重新進行CAM編程和后處理。此外，假五軸機床在夾緊工件時，需要保證工件在工作臺旋轉中心的位置。對于操作人員來說，這意味著需要大量的夾緊找正時間，精度無法保證。即使是分級加工，假五軸也要麻煩得多。真正的五軸只需要設置一個坐標系，只需要一把刀。

假五軸依靠后處理技術，表明機床第四軸與第五軸中心的位置關系，以補償旋轉軸對直軸坐標的位移。其生成的CNC程序X、Y、Z不僅是編程的趨近點，還包括X、Y、Z軸上必要的補償。這樣的結果不僅會導致加工精度不足，效率低下，而且生成的程序不通用，勞動力成本也很高。同時，由于每臺機床的旋轉參數不同，應有相應的后處理文件，這也會給生產帶來極大的不便。此外，假五軸的生成程序無法改變，基本上不可能實現手動五軸編程。同時因為沒有RTCP其衍生的許多五軸高級功能都不能使用，如五軸刀補功能等。事實上，對于五軸機床來說，它只是我們實現加工結果的工具，沒有真假之分。重要的是，我們的工藝決定了如何加工。相對而言，真正的五軸機床更具成本效益。

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