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    一文帶你讀懂真正的五軸

    來源:http://www.alemdascurvas.com/ 人氣: 發表時間:2017-03-12 11:56:23

        隨著國內數控技術的日漸成熟,近年來五軸聯動數控加工中心在各領域得到了越來越廣泛的應用。在實際應用中,每當人們碰見異形復雜零件高效、高質量加工難題時,五軸聯動技術無疑是解決這類問題的重要手段。近幾年隨著我國航空航天、軍事工業、汽車零部件和模具制造行業的蓬勃發展,越來越多的廠家傾向于尋找五軸設備來滿足高效率、高質量的加工。但是,你真的足夠了解五軸加工嗎?下面就請跟著金屬加工小編的腳步走進五軸加工的世界。(文章較長,建議大家收藏后再讀)


    五軸加工
      想要真正的了解五軸加工,首先我們要做的是要讀懂什么是五軸機床。五軸機床(5 Axis Machining),顧名思義,是指在X、Y、Z,三根常見的直線軸上加上兩根旋轉軸。A、B、C三軸中的兩個旋轉軸具有不同的運動方式,以滿足各類產品的技術需求。而在5軸加工中心的機械設計上,機床制造商始終堅持不懈地致力于開發出新的運動模式,以滿足各種要求。綜合目前市場上各類五軸機床,雖然其機械結構形式多種多樣,但是主要有以下幾種形式:

    兩個轉動坐標直接控制刀具軸線的方向(雙擺頭形式)

    兩個坐標軸在刀具頂端,但是旋轉軸不與直線軸垂直(俯垂型擺頭式)

    兩個轉動坐標直接控制空間的旋轉(雙轉臺形式)
    兩個坐標軸在工作臺上,但是旋轉軸不與直線軸垂直(俯垂型工作臺式)

    兩個轉動坐標一個作用在刀具上,一個作用在工件上(一擺一轉形式)
    *術語:如果旋轉軸不與直線軸相垂直,則被認為是一根“俯垂型”軸。
       看過這些結構的五軸機床,我相信我們應該明白了五軸機床什么在運動,怎樣運動。可是,這么多樣化的機床結構,在加工時究竟能展現出哪些特點呢?與傳統的三軸機床相比,又有哪些優勢呢?接下來就讓我們來看看五軸機床有哪些發光點。                 
    5軸機床的特點

    說起五軸機床的特點,就要和傳統的三軸設備來比較。生產中三軸加工設備比較常見,有立式、臥式及龍門等幾種形式。常見的加工方法有立銑刀端刃加工、側刃加工。球頭刀的仿形加工等等。但無論哪種形式和方法都有著一個共同的特點,就是在加工過程中刀軸方向始終保持不變,機床只能通過X、Y、Z三個線性軸的插補來實現刀具在空間直角坐標系中的運動。所以,在面對下面這些產品時,三軸機床效率低、加工表面質量差甚至無法加工的弊端就暴露出來了。


    而與三軸數控加工設備相比,五聯動數控機床有以下優點:

    1
     保持刀具最佳切削狀態,改善切削條件


    如上圖,在左圖中三軸切削方式,當切削刀具向頂端或工件邊緣移動時,切削狀態逐漸變差。而要在此處也保持最佳切削狀態,就需要旋轉工作臺。而如果我們要完整加工一個不規則平面,就必須將工作臺以不同方向旋轉多次。可以看見,五軸機床還可以避免球頭銑刀中心點線速度為0的情況,獲得更好的表面質量。
    2
    有效避免刀具干涉


    如上圖,針對航空航天領域內應用的葉輪、葉片和整體葉盤等零件,三軸設備由于干涉原因無法滿足工藝要求。而五軸機床就可以滿足。同時五軸機床還可以使用更短的刀具進行加工,提升系統剛性,減少刀具的數量,避免了專用刀具的產生。對于我們的企業老板來說,意味在刀具成本方面,五軸機床將會給您省錢了!
    3
    減少裝夾次數,一次裝夾完成五面加工


    如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,只需一次裝夾,加工精度更容易得到保證。同時五軸加工中心由于過程鏈的縮短和設備數量的減少,工裝夾具數量、車間占地面積和設備維護費用也隨之減少。這意味著您可以用更少的夾具,更少的廠房面積和維護費用,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,五軸機床可以采用刀具側刃切削,加工效率更高。
    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,可以使生產管理和計劃調度簡化。工件越復雜,它相對傳統工序分散的生產方法的優勢就越明顯。  
    6
    縮短新產品研發周期

    對于航空航天、汽車等領域的企業,有的新產品零件及成型模具形狀很復雜,精度要求也很高,因此具備高柔性、高精度、高集成性和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,大大縮短研發周期和提高新產品的成功率。
    等等…

    綜上所述,五軸機床實在是有太多太多優點,但是五軸機床刀具姿態控制,數控系統,CAM編程和后處理都要比三軸機床復雜的多!同時,我們說到五軸機床,就不得不說真假五軸的問題,我們都知道真假五軸最大的區別在于RTCP功能,然而何謂RTCP,它是怎么產生的又該如何應用?下面我們就結合機床結構和編程后處理來具體了解一下RTCP,了解他的真正面目。

    關于RTCP

    RTCP,在科德數控GNC61高檔五軸數控系統里,認為RTCP即是Rotated Tool Center Point,也就是我們常說的刀尖點跟隨功能。在五軸加工中,追求刀尖點軌跡及刀具與工件間的姿態時,由于回轉運動,產生刀尖點的附加運動。數控系統控制點往往與刀尖點不重合,因此數控系統要自動修正控制點,以保證刀尖點按指令既定軌跡運動。業內也有將此技術稱為TCPM、TCPC或者RPCP等功能。其實這些稱呼的功能定義都與RTCP類似,嚴格意義上來說,RTCP功能是用在雙擺頭結構上,是應用擺頭旋轉中心點來進行補償。而類似于RPCP功能主要是應用在雙轉臺形式的機床上,補償的是由于工件旋轉所造成的的直線軸坐標的變化。其實這些功能殊途同歸,都是為了保持刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點不變。所以為了表述方便,本文統一此類技術為RTCP技術。


    那么RTCP功能是怎么產生的呢?多年以前,在五軸機床剛普及市場的時候,RTCP概念被機床廠家大肆宣傳。彼時RTCP功能更像是為技術而技術的噱頭,更多人是對其技術本身的熱衷和炒作。其實RTCP功能正好相反,它不光是一項好技術,更是一項能為客戶帶來效益和創造價值的好技術。擁有RTCP技術的機床(也就是國內所說的真五軸機床),操作工不必把工件精確的和轉臺軸心線對齊,隨便裝夾,機床自動補償偏移,大大減少輔助時間,同時提高加工精度。同時后處理制作簡單,只要輸出刀尖點坐標和矢量就行了。像我們之前說的那樣,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。下文我們將以科德雙轉臺五軸機床,科德數控GNC61高檔五軸數控系統為例,詳細介紹一下RTCP功能。

    科德數控GNC61在五軸機床中定義第四軸和第五軸的概念:在雙回轉工作臺結構中第四軸的轉動影響到第五軸的姿態,第五軸的轉動無法影響第四軸的姿態。第五軸為在第四軸上的回轉坐標。關注金屬加工微信。

    好了,看完定義說明我們來解釋一下。如上圖所示,機床第4軸為A軸,第5軸為C軸。工件擺放在C軸轉臺上。當第4軸A軸旋轉時,因為C軸安裝在A軸上,所以C軸姿態也會受到影響。同理,對于我們放在轉臺上面的工件,如果我們對刀具中心切削編程的話,轉動坐標的變化勢必會導致直線軸X、Y、Z坐標的變化,產生一個相對的位移。而為了消除這一段位移,勢必機床要對其進行補償,RTCP就是為了消除這個補償而產生的功能。

    那么機床如何對這段偏移進行補償呢?接下來我們就來分析一下這段偏移是怎么產生的。

    根據前文,我們都知道是由于旋轉坐標的變化導致了直線軸坐標的偏移。那么分析旋轉軸的旋轉中心就顯得尤為重要。對于雙轉臺結構機床,C軸也就是第5軸的控制點通常在機床工作臺面的回轉中心。而第4軸通常選擇第四軸軸線的中點作為控制點。
    數控系統為了實現五軸控制,GNC61需要知道第5軸控制點與第四軸控制點之間的關系。即初始狀態(機床A、C軸0位置),第四軸控制點為原點的第四軸旋轉坐標系下,第五軸控制點的位置向量[U,V,W]。同時還需要知道A、C軸軸線之間的距離。對于雙轉臺機床,舉例如下圖所示。

    講到這里,大家可以看出,對于有RTCP功能的機床,控制系統為保持刀具中心始終在被編程的位置上。在這種情況下,編程是獨立的,是與機床運動無關的編程。當您在機床上使用GNC61系統編程時,不用擔心機床運動和刀具長度,您所需要考慮的只是刀具和工件之間的相對運動。余下的工作GNC61控制系統將為您完成。舉個例子:



    如上圖,不帶G203 RTCP功能關的情況下,控制系統不考慮刀具長度。刀具圍繞軸的中心旋轉。刀尖將移出其所在位置,并不再固定。

    如上圖,帶G203 RTCP功能開的情況下,控制系統只改變刀具方向,刀尖位置仍保持不變。X,Y,Z軸上必要的補償運動已被自動計算進去。

    G203是科德數控GNC61系統里RTCP開啟指令,通常已經在CAM系統的CNC程序中被調用。而CNC程序中僅包含了所要趨近的X/Y/Z點,和描述刀具方向的方向矢量A,B,C。換句話說,CNC程序僅包含幾何和刀具方向數據。

    而對于不具備RTCP的五軸機床和數控系統是怎么解決直線軸坐標偏移這個問題呢?我們知道現在國內很多五軸數控機床和系統都屬于假五軸,所謂假五軸,其實就是指不帶RTCP功能的機床。真假五軸,既不是看長相也不是看五個軸是否聯動,要知道假五軸也可以做五軸聯動。假五軸的區別主要在于其沒有真五軸RTCP算法,也就是說假五軸編程需要考慮主軸的擺長及旋轉工作臺的位置。這就意味著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,事先規劃好刀路。同樣一個零件,機床換了或者刀具換了,都必須重新進行CAM編程和后處理。并且假五軸機床在裝夾工件時需要保證工件在其工作臺回轉中心位置,對操作者來說,這意味著需要大量的裝夾找正時間,且精度得不到保證。即使是做分度加工,假五軸也麻煩很多。而真五軸只需要設置一個坐標系,只需要一次對刀,就可以完成加工。下圖以NX后處理編輯器設置為例,說明假五軸的坐標變換。



    如上圖,假五軸是依靠后處理技術,將機床第四軸和第五軸中心位置關系表明,來補償旋轉軸對直線軸坐標的位移。其生成的CNC程序X、Y、Z不僅僅是編程趨近點,更是包含了X、Y、Z軸上必要的補償。這樣處理的結果不僅會導致加工精度不足,效率低下,所生成的程序不具有通用性,所需人力成本也很高。同時由于每臺機床的回轉參數不同,都要有對應的后處理文件,對于生產也會造成極大的不便。再者假五軸其生成程序無法改動,實現手工五軸編程基本沒有可能。同時因為沒有RTCP功能,其衍生的眾多五軸高級功能都無法使用,比如五軸刀補功能等。其實對于五軸機床來說,它只是我們為了實現加工結果的工具,并無真假之分。重要的是我們的工藝決定了選用什么方式加工,相對而言,真五軸機床性價比更高。而對于科德數控GNC61數控系統,不但具有RTCP功能,同時還支持3D刀補、C樣條插補、NURBS樣條插補、大圓弧插補、圓錐插補等諸多高端插補功能,從而實現了更高效簡潔、高質量的加工。

    科德機床加工鈦合金葉輪

    最后,讓我們一起欣賞一下科德KMC400 U機床加工航天小葉片的視頻!

    -End-
    ?來源:科德數控,金屬加工獲授權發布本文。


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