五轴数控加工的操作和编程技能的关系

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, 就会求诸五轴加工技术。

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。

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姿控制,其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。

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。

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。

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。

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。

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。

1.五轴数控编程抽象、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。

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。

2.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。

3.五轴数控的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。

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。

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。

4.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。

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。

5.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。

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XYZBC 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。

6.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。

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。

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