2022年9月25日

长期以来,五轴加工中心在航空航天工业中很重要,在航空航天工业中,加工零件遵循飞机的空气动力学形式。一些机器移动旋转轴只是为了定位刀具或在切割外工作。能够进行这种“3+2”加工的机器通常可以在一次设置中达到零件的所有加工特征。

五轴加工中心的五个轴通常指的是数控机床同时在五个不同的CNC轴上移动零件或工具的能力。标准 3 轴铣削在 X、Y 和 Z 轴上进行。这三个线性轴是主轴或零件(取决于机器)可以移动的方向:X 轴:从左到右、Y轴:前后、Z轴:上下。五轴加工中心还使用两个旋转轴:A轴、B轴和C轴。A轴:绕X轴旋转、B轴:绕Y轴旋转、C轴:绕Z轴旋转。

五轴加工中心使用旋转轴意味着机器可以围绕先前建立的线性轴之一移动零件或切削刀具(主轴头)。不同的加工设备将使用不同的轴组合(A 和 B、B 和 C、或 A 和 C),每种配置适合不同类型的加工。

五轴加工过程也很像3轴CNC加工过程。然而,它具有一些非常重要的功能,可提供这两个额外的轴和更大的切割灵活性。在五轴加工中心中其主轴和刀具沿三个轴移动。但是,还有其他绕X轴(称为A轴)、Y轴(称为B轴)和Z轴(称为C轴)的旋转。五轴加工中心可以使用这些旋转轴中的任意两个,具体取决于它们的配置。

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。

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:

看过这些结构的五轴机床,相信大家应该明白了五轴机床什么在运动,怎样运动。

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。

但如果遇到五轴数控编程抽象、操作困难问题的时候应该怎么办呢?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。

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。

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。

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。

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。

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