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你真的了解五轴机床吗?

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2019-04-02 09:15【

五轴加工(5 Axis Machining),顾名思义,数控机床加工的一种模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动,五轴加工所采用的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。可是你真的了解五轴加工吗?

五轴技术的发展


几十年来,人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的唯一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题,就会求助五轴加工技术。但是。。。


五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术,它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体,应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位,特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响,以及技术上的复杂性,西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度。


与三轴联动的数控加工相比,从工艺和编程的角度来看,对复杂曲面采用五轴数控加工有以下优点:


 (1)提高加工质量和效率

 (2)扩大工艺范围

 (3)满足复合化发展新方向

但是,哈哈,又但是了。。。五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位置控制,其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。所以,五轴说起来容易,真实实现真的很难!另外,要操作运用好更难!

说到五轴,不得不说一说真假五轴?真假5轴的区别主要在于是否有RTCP功能为此,小编专门去查找了这个词!


RTCP,解释一下,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的缩写,字面意思是“旋转刀具中心”,业内往往会稍加转义为“围绕刀具中心转”,也有一些人直译为“旋转刀具中心编程”,其实这只是RTCP的结果。PA的RTCP则是“Real-time Tool Center Point rotation”前几个单词的缩写。海德汉则将类似的所谓升级技术称为TCPM,即“Tool Centre Point Management”的缩写,刀具中心点管理。还有的厂家则称类似技术为TCPC,即“Tool Center Point Control”的缩写,刀具中心点控制。 


从Fidia的RTCP的字面含义看,假设以手动方式定点执行RTCP功能,刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点将维持不变,此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点处的法线上,而刀柄将围绕刀具中心点旋转,对于球头刀而言,刀具中心点就是数控代码的目标轨迹点。为了达到让刀柄在执行RTCP功能时能够单纯地围绕目标轨迹点(即刀具中心点)旋转的目的,就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移,这样才能够在保持刀具中心点以及刀具和工件表面实际接触点不变的情况,改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线之间的夹角,起到发挥球头刀的最佳切削效率,并有效避让干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心点(即数控代码的目标轨迹点)上,处理旋转坐标的变化。 

不具备RTCP的五轴机床和数控系统必须依靠CAM编程和后处理,事先规划好刀路,同样一个零件,机床换了,或者刀具换了,就必须重新进行CAM编程和后处理,因而只能被称作假五轴,国内很多五轴数控机床和系统都属于这类假五轴。当然了,人家硬撑着把自己称作是五轴联动也无可厚非,但(假)五轴并非彼(真)五轴


小编因此也咨询了行业的专家,简而言之,真五轴即五轴五联动,假五轴有可能是五轴三联动,另外两轴只起到定位功能!


这是通俗的说法,并不是规范的说法,一般说来,五轴机床分两种:一种是五轴联动,即五个轴都可以同时联动,另外一种是五轴定位加工,实际上是五轴三联动:即两个旋转轴旋转定位,只有3个轴可以同时联动加工,这种俗称3+2模式的五轴机床,也可以理解为假五轴。


目前五轴数控机床的形式


在5轴加工中心的机械设计上,机床制造商始终坚持不懈地致力于开发出新的运动模式,以满足各种要求。综合目前市场上各类五轴机床,虽然其机械结构形式多种多样,但是主要有以下几种形式:

两个转动坐标直接控制刀具轴线的方向(双摆头形式)


两个坐标轴在刀具顶端,

但是旋转轴不与直线轴垂直(俯垂型摆头式)


两个转动坐标直接控制空间的旋转(双转台形式)


两个坐标轴在工作台上,

但是旋转轴不与直线轴垂直(俯垂型工作台式)


两个转动坐标一个作用在刀具上,

一个作用在工件上(一摆一转形式)


看过这些结构的五轴机床,相信我们应该明白了五轴机床什么在运动,怎样运动。


发展五轴数控技术的难点及阻力


大家早已认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止,五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门,并且仍然存在尚未解决的难题。


下面小编收集了一些难点和阻力,看是否跟您的情况对应?


五轴数控编程抽象、操作困难

这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴, 而五轴数控机床结构形式多样;同一段NC 代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果,但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外, 还要协调旋转运动的相关计算,如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等,处理的信息量很大,数控编程极其抽象。

五轴数控加工的操作和编程技能密切相关,如果用户为机床增添了特殊功能,则编程和操作会更复杂。只有反复实践,编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏,是五轴数控技术普及的一大阻力。


国内许多厂家从国外购买了五轴数控机床,由于技术培训和服务不到位,五轴数控机床固有功能很难实现,机床利用率很低,很多场合还不如采用三轴机床。


对NC插补控制器、伺服驱动系统要求十分严格

五轴机床的运动是五个坐标轴运动的合成。旋转坐标的加入,不但加重了插补运算的负担,而且旋转坐标的微小误差就会大幅度降低加工精度。因此,要求控制器有更高的运算精度。


五轴机床的运动特性要求伺服驱动系统有很好的动态特性和较大的调速范围。


五轴数控的NC程序校验尤为重要

要提高机械加工效率,迫切要求淘汰传统的“试切法”校验方式 。在五轴数控加工当中,NC 程序的校验工作也变得十分重要, 因为通常采用五轴数控机床加工的工件价格十分昂贵,而且碰撞是五轴数控加工中的常见问题:刀具切入工件;刀具以极高的速度碰撞到工件;刀具和机床、夹具及其他加工范围内的设备相碰撞;机床上的移动件和固定件或工件相碰撞。五轴数控中,碰撞很难预测,校验程序必须对机床运动学及控制系统进行综合分析。

如果CAM 系统检测到错误,可以立即对刀具轨迹进行处理;但如果在加工过程中发现NC 程序错误,不能像在三轴数控中那样直接对刀具轨迹进行修改。在三轴机床上,机床操作者可以直接对刀具半径等参数进行修改。而在五轴加工中,情况就不那么简单了,因为刀具尺寸和位置的变化对后续旋转运动轨迹有直接影响。


刀具半径补偿

在五轴联动NC 程序中,刀具长度补偿功能仍然有效,而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时,需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC 系统均无法完成刀具半径补偿,因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸,按照正常的处理程序,刀具轨迹应送回CAM 系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。

针对这个问题, 挪威研究人员正在开发一种临时解决方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最优生产策略)。刀具轨迹修正所需数据由CNC 应用程序输送到CAM 系统,并将计算所得刀具轨迹直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 软件,能够直接连接到CNC 机床,其间传送的是CAM 系统文件而不是ISO 代码。对这个问题的最终解决方案,有赖于引入新一代CNC 控制系统,该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系统文件。


后置处理器

五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标,刀具位置从工件坐标系向机床坐标系转换,中间要经过几次坐标变换。利用市场上流行的后置处理器生成器,只需输入机床的基本参数,就能够产生三轴数控机床的后置处理器。而针对五轴数控机床,目前只有一些经过改良的后置处理器。五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。

三轴联动时,刀具的轨迹中不必考虑工件原点在机床工作台的位置,后置处理器能够自动处理工件坐标系和机床坐标系的关系。对于五轴联动,例如在X、Y、Z、B、C 五轴联动的卧式铣床上加工时, 工件在C 转台上位置尺寸以及B 、C 转台相互之间的位置尺寸,产生刀具轨迹时都必须加以考虑。工人通常在装夹工件时要耗费大量时间来处理这些位置关系。如果后置处理器能处理这些数据,工件的安装和刀具轨迹的处理都会大大简化;只需将工件装夹在工作台上,测量工件坐标系的位置和方向,将这些数据输入到后置处理器,对刀具轨迹进行后置处理即可得到适当的NC 程序。

非线性误差和奇异性问题

由于旋转坐标的引入,五轴数控机床的运动学比三轴机床要复杂得多。和旋转有关的第一个问题是非线性误差。非线性误差应归属于编程误差,可以通过缩小步距加以控制。在前置计算阶段,编程者无法得知非线性误差的大小,只有通过后置处理器生成机床程序后,非线性误差才有可能计算出来。刀具轨迹线性化可以解决这个问题。有些控制系统能够在加工的同时对刀具轨迹进行线性化处理,但通常是在后置处理器中进行线性化处理。


旋转轴引起的另一个问题是奇异性。如果奇异点处在旋转轴的极限位置处,则在奇异点附近若有很小振荡都会导致旋转轴的180°翻转,这种情况相当危险。


对CAD/ CAM系统的要求

对五面体加工的操作, 用户必须借助于成熟的CAD/CAM 系统,并且必须要有经验丰富的编程人员来对CAD/CAM 系统进行操作。

友情提示,此处举个“栗子”

购置机床的大量投资

以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在,三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格,这种机床可以实现多轴机床的功能。同时,五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%~ 50%。


除了机床本身的投资之外,还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级,使之适应五轴加工的要求;必须对校验程序进行升级,使之能够对整个机床进行仿真处理。


五轴加工机床未来智能化趋势


智能装备的控制模式和人机界面将会有很大的变化,WiFi宽带、蓝牙近距通信等网络性能的提高,基于平板电脑、手机和穿戴设备等基于网络的移动控制方式会越来越普及。与时俱进的触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按钮、开关、鼠标和键盘。人们,特别是年轻人已经习惯智能电子消费产品的操作方式,能够快速做出反应,切换屏幕,上传或下载数据,从而大大丰富了人机交互的内容,同时明显降低误操作率。例如,对数控机床的操作可以通过笔记本、平板电脑和智能手机在WiFi环境下进行,如图所示。


在WiFi环境下的人-机和机-机通信


从图中可见,不仅人机的交互方式从控制面板延伸到移动终端,设备和工具之间也可以进行物与物的通信。机床的加工精度和效率在很大程度上取决于刀具的状态,如果在刀具或刀柄上嵌入芯片,就成为智能刀具。芯片不仅可以记录在刀具预调仪上进行调整时的数据,还可以记录刀具在机床进行了多长的切削时间,还有多少剩余寿命,可以加工几个零件等都可以让操作者和有关部门了如指掌,减少停机和更换刀具的时间。智能刀具及其管理的概念如上图所示。


在不同的加工情况下,往往需要设备具有不同的性能,可以根据设备工况的统计分析,可从设备供应商或第三方APP应用软件商店购买和下载不同的软件,以提高设备精度、加工速度或节能等,如图所示。


提高设备性能的APP应用软件商店


智能工厂的数控机床和机器人等智能装备的未来发展重点已经不在硬件,感知外部环境和工况变化需要更加强大的计算能力、通信带宽和速度,才能进行实时控制,形成真正的信息物理融合系统。它的特点是将设备的控制分为计算和过程两部分,把运动控制保留在本地,而将计算移到云端,在云端“克隆”相应的虚拟设备,在云端进行虚拟制造,如图所示。


过程和计算分离的云数控系统


从图中可见,需要计算能力的数控核心、可编程控制、图形人机界面和通信等模块构成设备群的云端控制系统,通过中间件控制虚拟机床1、虚拟机床2、虚拟机床n,同时通过以太网接口下传至车间的路由器,连接不同机床的控制器,控制相应机床的运动,从而将虚拟机床与实体机床构成一对一的仿真和监控系统。

End



济南数控模具科技研究所

济南数控模具科技研究所成立于2008年,位于济南市历下区二环东路7506号(山东省公共实训基地)。是集数控、模具、智能制造等相关技术的研究和开发于一体的综合性科研服务机构,专注于提供数控编程、数控机床维修、模具设计、多轴机床加工、工业机器人和3D打印等智能制造相关技术的岗前培训和咨询服务。

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