五轴数控机床

五轴数控机床（共8篇）

五轴数控机床 篇1

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。

发展现状国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上,又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资,大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。

当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。

2013年7月31日上午由大连科德制造的高精度五轴立式机床，启运出口德国。工信部装备司副司长王卫明表示：“这一高档数控机床销往西方发达国家，是中国机床制造行业的重要里程碑。”

研究背景及应用

最近10多年来，数控技术快速发展，特别是数控系统大容量存贮技术的解决，开放体系结构控制器（OAC）的应用，快速处理器和运动控制，日益完善的人机接口软件（Human Machine Interface,HMI）以及工厂自动化设备支持通过网络的互联性，使5轴数控机床潜在生产能力能够被充分发挥；高速加工ＨＳＭ技术，高速电主轴或复合主轴头技术的发展，有力推动了机床设计／制造技术的发展与创新，使5轴数控机床制造技术难度大大降低，造价也大幅度减少，许多中小型5轴联动立／卧式加工中心（VMC,HMC）一般制造企业已能接受；计算机软硬件技术快速发展和费用持续降低，使5轴联动和3轴联动控制系统价格已相差无几了；5轴联动CAM编程软件价格（包括5轴程序检验软件）也已大幅度下降，使得许多制造企业可接受使用它，尽管其价格还是偏高；软件技术的进步，特别是仿真技术和虚拟NC加工等可视化技术的应用，用户掌握和应用5轴加工编程软件较以前也容易得多了。加上用户对5轴数控机床的需求日益迫切，因此，包括从适应轻载切削、中载切削到重载切削的各种（高速）5轴数控机床在宇航、汽车、装备、运输、模具以及医疗器械等制造行业中得到了越来越广泛

应用。

①加工复杂空间曲面的产品零件

②大型复杂结构件的高效率加工

③复杂多面体带孔系结构件的高生产率加工

④取代EMD加工

⑤取代快速原型制造（RP）

⑥个性化产品零件加工

⑦组成柔性生产系统用于中/小批量产品的加工

展望

代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。五轴联动数控车床在工业生产中占有非常重要的作用，而且现在出现了新的特征，五轴联动数控技术正在向高速、高效率、高可靠性、高精度、复合化、智能化、网络化、柔性化、绿色化等方向发展，我国由于工业底子薄，装备制造业水平比较低，生产出来的五轴联动数控车床质量跟欧美和日本产品还存在一定的差距，落后就要挨打，面

对历史因素和现实的紧迫性，我国要想在接下了发展空间中占有一席之地，就需要做到以下几点：

1、加大研发资金投入力度，加大加强基础理论研究，为设备研究做好理论准备。

2、研究外国先进设备技术，深研其中的核心知识。在仿照的基础上进行创新。

3、研究国内外五轴联动技术的发展方向，做到先人一步开展研发。

4、了解国内外各个用户群体的需要，开发出适合不同用户需要的设备。

5、创新是保持领先的内在要求，没有创新就没有进步。国家应该鼓励企业进行五轴联动技术的研发。

6、在保护好自己核心技术的前提下与其他先进企业进行技术交流。

7、大力发展高端五轴联动车床，实施精品工程。

参考文献

德国兹默曼公司开发出FZ25龙门铣床[J]．制造技术与机床

五轴数控机床 篇2

五轴数控机床在工业上广泛应用于加工模具、模型以及航空航天零件[1], 在粗加工阶段采用大进给和低速度, 精加工阶段采用小进给和高的主轴速度。尽管在精加工阶段, 切削载荷很小, 但是材料去除率主要受到控制器或者进给驱动的精度影响。这些驱动具有有限的频率带宽, 对于位置命令的相位滞后导致了位置跟踪误差, 它与轴进给速度成一定的比例[2]。当五轴机床的三个直线轴和两个转动轴执行曲线轨迹的时候, 各个轴的跟踪误差综合起来, 形成了五轴机床加工的轮廓误差, 如果不妥善解决这个问题, 轮廓误差可能会超过零件的允许误差。目前有很多减少机床轮廓误差的方法[3~5], 但是被证明相对有效的是轮廓误差的预测与补偿技术。Koren提出了串耦控制器来减少两轴机床的轮廓误差[6]。Altintas和Sencer提出了滑模控制器来预测和补偿五轴刀具路径的轮廓误差[7]。但是这些方法都存在一些问题, 因为预补偿和跟踪轮廓误差需要考虑伺服驱动动力学以及其对机床运动之前路径轮廓误差的影响。本文对五轴机床的三个直线轴和两个旋转轴的跟踪误差进行预测, 结合五轴样条刀具路径来预测刀尖位置和刀具方向误差, 然后在轨迹命令中进行补偿[8, 9]。

1 跟踪误差预测

五轴机床的结构如图1所示, 在工件坐标系中, 用向量表示t时刻的刀尖点位置为:

同时, 刀具的起始方向定义为:

根据逆运动学转换公式, 将参考刀具路径变量 (Px, Py, Pz, Oi, Oj, Ok) 由工件坐标系 (P系统) 转换为五轴加工机床坐标系 (M系统) 的位置命令, 逆运动学转换公式如下:

其中Lacz和LTyaz为旋转台的补偿, 变换的位置命令为:

其中 (X, Y, Z, A, C) 为机床刀具坐标系的轴坐标。

每一个控制间隔 (Ts) 的离散位置命令可以用向量表示, 例如X轴表示如下:

其中Ns为离散步长的数量, tf=NsTs为总的路径间隔时间, 则每一个轴的解析跟踪误差预测方法如图2所示。

由图2所示, 用五次样条拟合各个轴的位置命令, 因为跟踪误差的突变连续可以得到更平滑的轨迹, 轨迹的高阶导数不连续将会引起机床的异常振动响应, 所以用五次样条在允许误差ε内拟合各轴的位置命令, 将式 (5) 表示的位置命令划分为相同时间长度的n个部分, 如图3所示, 拟合的目的是用小数量的片段去描述位置命令, 不需要将参考轨迹上的所有点都考虑进去, 如果n+1个时间内X轴的位置 (x0, x1, , xn) 由Xref选取, 则片段i的五次样条表达式为:

其中样条片段i的时间间隔为hi=ti-ti-1, i=1, , n, 同时有0=t0

每个轴的参考位置Xref与与样条S (t) 的拟合误差在每一次迭代中计算, 如果最大误差小于允许误差ε, 就结束拟合过程, 否则, 就将具有最大误差的参考点插入到样条拟合点, 重复拟合过程直至误差在允许误差ε之内, 最终获得每个轴的五次样条曲线。

得到了五次样条, 然后采用时域等效差分方程来求解跟踪误差, 差分方程表示为:

2 轮廓误差预补偿技术

由于独立伺服驱动的跟踪误差, 五轴运动控制系统出现两种类型的轮廓误差, 第一种是理想刀具路径刀尖的微分, 成为刀尖轮廓误差。第二种是球坐标中理想刀具起始方向的微分, 仅有旋转轴控制, 称为方向轮廓误差。

2.1 轮廓误差预测

轮廓误差的两个分量:刀尖轮廓误差 εp和刀具方向误差εo。刀尖位置和刀具方向的几何参考样条分别由P (u) , 0 ≤u ≤1和O (w) , 0 ≤w ≤1来表示, 在前面预测单轴跟踪误差的基础上, 可以预测五轴机床的轮廓误差。

用Pref和Pact来表示刀尖的参考位置和实际位置, Pn为参考位置上的点, 样条刀具路径P (u) 接近 (Pact) , 则相应的刀尖轮廓误差向量定义为Pn-Pact, 参考刀具路径在Pn的正切向量P′ (u) = (d/ du) P (u) 与刀尖轮廓误差向量相垂直:

这样就得到了相应的样条参数u*, 则刀尖的轮廓误差表示为:

相似的, 刀具的参考方向和实际方向分别用Oref和Oact表示, 设On为球面坐标系中从Oact到参考方向轮廓O (w) 最接近的点, 方向轮廓误差为弧长OactOn。则由Oact, On和原点O确定的平面必须垂直于On点的方向轮廓正切向量O′ (w) = (d/ dw) O (w) , 等效的情况为On点的正切向量O′ (w) , 点On可以由下式得到:

则可以得出方向样条参数w*, 刀具方向轮廓误差为:

2.2 轮廓误差补偿

由式 (3) 的逆运动学转换公式可以看到转换的过程中耦合有转动, 但是刀具的方向向量不受转换运动的影响, 所以方向轮廓误差的预补偿在在刀尖误差补偿之前进行, 刀具刀尖与方向补偿的策略如图4所示。

由前面提到的五轴驱动跟踪误差解析模型得到的解析跟踪误差如下:

驱动的实际位置q1可以由下式预测:

其中qref五轴参考位置向量, 用正运动学转换q1, 获得预测的刀具方向O1, 在修改刀具方向后五轴位置发生改变, 在发现刀尖轮廓误差预补偿后, 预测的跟踪误差需要更新, 用逆运动学转换处理刀尖位置Pref和刀具方向预补偿Ocomp, 得到新的五轴参考位置q2, 将q2当做跟踪误差预测算法的输入, 则得到实际五轴预测位置。最终的刀尖位置预补偿Pcomp是将轮廓误差向量Pn-Pact增加到参考位置Pref上, 如下式:

最后对刀尖位置预补偿Pcomp和刀具方向Ocomp进行逆运动学转换, 来计算五轴机床预补偿位置命令, 用修改的五轴机床位置命令可以让机床沿着距离理想轨迹更接近的轨迹来加工, 从而提高加工精度。

3 五轴数控机床轮廓误差预补偿仿真

在五轴机床加工的过程中, 采用图5所示的刀具路径, 刀具刀尖位置和方向拟合样条如图6所示, 其中图6 (a) 为刀具刀尖位置的拟合样条, 图6 (b) 为刀具方向的拟合样条。

采用本文方法得到的五轴数控机床刀具的位置轮廓误差和方向轮廓误差, 经过预补偿和未经过补偿的对比见图7和图8, 其中图7为位置轮廓误差的补偿情况, 图8为方向轮廓误差的补偿情况。

4 结论

五轴数控机床在工业上应用较为广泛, 但是加工过程中不可避免会产生误差, 为了进一步提高五轴数控机床的加工精度, 本文提出了五轴数控机床轮廓误差的预补偿技术, 首先分析了轮廓误差的产生原因和组成要素, 然后提出了跟踪误差的预测方法并建立预测模型, 接着对于轮廓误差的预测进行建模, 最后根据五轴机床加工过程中给出的路径仿真得出了轮廓误差未补偿和补偿的对比, 进一步证明了本文方法的有效性。

参考文献

[1]Y.Altintas, A.Verl, C.Brecher, L.Uriarte, G.Pritschow, Machine tool feed drives[J].CIRP Annals–Manufacturing Technology, 2011 (02) :112-116.

[2]D.Renton, M.Elbestawi, High speed servo control of multi-axis machine tools[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2000 (04) :221-229.

[3]A.Kamalzadeh, K.Erkorkmaz, Accurate tracking controller design for highspeed drives[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006 (10) :78-85.

[4]C.Okwudire, Y.Altintas, Minimum tracking error control offlexible ball screw drives using a discrete-time sliding mode controller[J].ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2009 (05) :48-56.

[5]李雷.西门子数控机床轮廓误差及参数调整补偿[J].科技创业家, 2013 (03) :33-36.

[6]丁杰雄, 谭阳, 崔浪浪, 赵波, 王伟.一种五轴机床检验试件轮廓误差的处理与显示技术研究[J].组合机床与自动化加工技术.2012 (10) :69-73.

[7]强怀博.圆弧轮廓误差的最小区域分析法[J].现代电子技术, 2013 (01) :55-58.

[8]滕福林, 李宏胜, 温秀兰, 黄家才.电子齿轮比对轮廓误差及加工效率影响的研究[J].中国机械工程, 2012 (07) :66-69.

五轴数控机床 篇3

一、引言

近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。

二、建模仿真用的机床各部件

1.机床结构

该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。

2.机床结构的逻辑关系

在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。

3.虚拟机床部件树的建立

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。

双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。

（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。

（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。

当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。

4.导入机构模型的STL资料

将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。

本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。

（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。

（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。

5.机床初始化设置

在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。

三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序

此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。

夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。

NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。

四、刀具库建立

刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。

参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。

五、设定工作坐标系及相关参数

因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。

六、仿真结果

图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。

当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。

七、结语

五轴联动的优点 篇4

由于使用五轴联动机床，使得工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。另外，由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命，降低成本。采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。

在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。

五轴机床的种类

五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式二轴NC工作台，NC工作台NC分度头，NC工作台 90轴，NC工作台45B轴，NC工作台A轴，二轴NC主轴等类型。上述六大类共7种五轴联动方式都有各自的特点，无法说哪一种形式更好，只能说你的产品适合哪种类型的五轴加工。

五轴机床发展的趋势

首先是采用直线电机驱动技术。经过十几年的发展，直线电机技术已经非常成熟。直线电机刚开发出来易受干扰和产热量大的问题已经得到解决，而直线电机的定位技术，既在高速移动中快速停止，也有部分机床厂家采用阻尼技术给予解决

直线电机的优点是直线驱动、无传动链、无磨损、无反向间隙，所以能达到最佳的定位精度。直线电机具有较高的动态性，加速度可超过2g。采用直线电机驱动还具有可靠性高、免维护等特点。

五轴数控空间刀具半径补偿的实现 篇5

在数控加工中,当CAM编程理论刀具与实际加工刀具不同时,或使用的刀具随着加工时间的延长发生磨损导致刀具半径发生变化,则刀具补偿可以弥补这一不足。为了提高加工效益和加工精度,数控机床也由三轴联动向多轴联动迈进,同样的刀具补偿也由平面刀补转向了空间刀补,后者由于在加工中,刀轴矢量随时都可能发生变化,导致空间刀具补偿较难实现,在国外一些高档五轴联动数控系统中自定义了接受刀补矢量的NC代码格式,例如,CINCINNIATI MILACRON ACRAMATIC 950、FANUC15-MA等,CINCIN-NIATI控制器采用了P_O_R_码表示,而FANUC则是采用I_J_K_码表示。

在国内对五轴联动空间刀具补偿的研究甚少,要实现空间刀具补偿,获得空间刀补矢量是关键,例如在文献[1]中通过投影法获取,生成P_O_R_码表示的刀补矢量,而在文献[2]中通过建立数学模型,对五轴机床后处理的算法进行空间运动分析,文献[3]提出五轴联动数控加工的刀具补偿方法,但是没有真正开发能够输出空间刀补矢量的后处理器,国外的一些机床生产厂家,只是针对特定的机床,开发带有专用的后处理器,而且价格昂贵。本文基于A/C双转台五轴联动数控铣床运动模型,研究五轴数控空间刀补计算方法,针对UG NX6.0 CAM系统生成的五轴刀位数据,开发了一个专用后处理器,实现了带有空间刀补矢量的NC代码输出,并对具有空间刀补矢量的NC代码进行了模拟,在五轴机床上进行了实际加工对比实验。

1 空间刀具补偿的原理

为了提高编程效益,以零件的轮廓进行编程,在一般的三轴联动数控系统进行平面刀具半径补偿加工中,由数控系统对NC代码的补偿类型(例如缩短型、伸长型、插入型)和转接类型(例如直线接直线、直线接圆弧、圆弧接圆弧等)进行判定,通过G17/G18/G19、G41/G42/G40、I/J/K或R等参数来计算偏移后的刀心坐标,刀补矢量是由切触点指向刀心,刀轴矢量是固定不变的。而在五轴加工中,当刀具半径发生变化(D刀-Δ)时,如图1所示,空间刀补矢量也可参考平面刀补,刀具中心沿着切触点C指向的法向单位矢量n作半径补偿,定义曲面法向矢量n为刀补矢量,在误差允许的范围内沿矢量n进行刀具半径偏置。矢量n的获得成为空间刀补的关键所在。

通过获得UG NX6.0生成的刀位文件,即CLSF文件,该文件包含各刀尖点坐标、刀轴矢量和切触点坐标,但该刀位数据中通常不提供切触点的法向量数据,需通过计算获得。下面探讨空间刀补矢量的计算方法。

2 空间刀补矢量n的计算

要计算被加工表面切触点法向量,首先要获得切触点的坐标数据。UG NX6.0刀位数据文件可以提供各刀位切触点的坐标参数。进入UG NX6.0的加工模块进行变轴轮廓铣,勾选“输出切触点”选项,打开CLSF文件,里面包含大量的GO-TO语句,格式为:GOTO/X_,Y_,Z_,Lx_,Ly_,Lz_$$i_,j_,k_其中X_,Y_,Z_为刀尖点在工件坐标系(如图2所示)下的坐标,Lx_,Ly_,Lz_刀轴矢量,i_,j_,k_为切触点C在工件坐标系下的坐标,正是通过该切触点坐标来得到空间刀补矢量n。

通过以上描述,以球刀为例,生成的刀位数据文件可以获得刀尖点(Q点)坐标和刀轴矢量L。由矢量关系:

其中:R——理论刀具半径;

——球刀中心点矢量,设为(Ox,Oy,Oz)。

对于目前的带有空间刀具半径补偿的专用后处理器的五轴联动数控系统,一般的NC代码格式为:G01 X_Y_Z_A_C_I_J_K_F(不考虑曲线插补,以直线插补、五轴联动A/C双转台为例)。其中X_Y_Z_为名义坐标系(如图2所示)下的坐标;A_C_为后置处理输出的转角;I_J_K_为切触点到刀心的单位矢量;F为进给率。

对上面的表述,进行总结得出,通过切触点指向刀心坐标的矢量可以作为空间刀补矢量,要得到相应机床的NC代码,则要通过相应的机床结构类型(双摆头型,双转台型,一摆一转型),把从刀位文件得到刀尖坐标Q、刀轴矢量L、空间刀补矢量n由工件坐标系变换到名义坐标系下的刀尖点坐标、转角、名义坐标系下空间刀补矢量。公式如下所示:

其中:C'是切触点坐标经刀具旋转变换后在名义坐标系下坐标;O'是刀心坐标经刀具旋转变换后在名义坐标系下坐标;n为空间刀补单位矢量;T1为工件坐标系OmXmYmZ平移到名义坐标系OrXrYrZ变换矩阵;T2为工作台(工件)绕C轴顺时针转动C角变换矩阵;T3为工作台(工件)绕A轴顺时针转动A角变换矩阵。

其中|OmOr|=d,即编程(工件)坐标系与名义坐标系在Z轴方向的偏置值。名义坐标系中刀尖点坐标(X,Y,Z)和公式(5)中的A(-110≤A≤110)、C转角的计算参看文献[4];则通过(4)式可以计算出名义坐标系下空间刀补矢量n,最终得到NC代码为:

3 数控系统空间刀具半径补偿功能模块

3.1 实际刀尖点坐标计算

当编程理论刀具半径与实际加工刀具半径不相符时,要保证切触点C不变,则需要通过空间刀补矢量n(I,J,K)、理论刀具的刀尖点坐标Q、刀轴矢量L来重新计算实际加工刀具刀尖点坐标。设理论刀具半径Ro,实际加工刀具半径为Rn和刀尖点坐标为Q'(Q'X,Q'Y,Q'Z),由图1可知:

其中(LX,LY,LZ)为名义坐标系下刀轴矢量,由带空间刀补矢量的NC代码提供的信息可知,则需要通过A、C转角来反计算出刀轴矢量L(LX,LY,LZ)[5]。

3.2 名义坐标系下的刀轴矢量L的计算

(1)A≥0时,

由公式(7)得到

(2)同理,A<0时,

则通过公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)得到名义坐标下刀轴矢量L的坐标矢量为:

由以上得到信息,重新生成新的刀尖点坐标。以加工叶片的三个不同刀位点为例,空间刀具补偿示意图如图3所示。模拟加工过程没有发生过切、欠切、干涉现象,满足模拟加工精度要求。

4 专用后置处理软件的开发

基于以上计算方法,根据五轴联动A/C双转台机床结构模型和带空间刀补矢量的NC代码格式,以VC++6.0为编程平台开发了一个多轴联动空间刀具半径补偿专用后置处理软件。程序的部分流程如图4所示,程序启动,通过用户输入理论球刀半径、偏置值d和选择5_Axis_AC,打开CLSF文件,提取CLSF文件中的刀尖点坐标、切触点坐标和刀轴矢量等信息进行信息加工,最终生成带有空间刀补矢量的NC代码;通过用户输入编程理论球刀半径Ro、实际加工球刀半径Rn、坐标偏置值d和选择5_Axis_AC,并打开带有空间刀补矢量的NC代码,提取NC代码中的X_Y_Z_A_C_I_J_K_等信息,进行信息加工,最终生成实际加工刀具的刀尖点坐标值,到文件尾时输出刀具补偿后的NC代码。不勾选“输出刀补矢量I_J_K_”,则输出刀补后的NC代码不带有空间刀补矢量,便于对那些不带有空间刀补功能模块的中、低端控制器进行空间刀具补偿运算,减少了数控系统资源的浪费。专用后置处理软件界面如图5所示。

生成的编程理论刀具与实际加工刀具的NC代码对比图如图5所示,图6、图7为在Vericut7.0上模拟加工的叶片效果图,通过该软件的颜色对比如图8所示,可以发现加了刀补后加工的叶片没有毛坯残留,并且加工过程没有发生过切和欠切现象,在五轴联动机床上实际加工叶片如图9、图10所示,通过观察其走刀路线,同样验证了该算法的可行性。

为了验证空间刀补矢量和NC代码的正确性,分别使用R3标准刀具和R2刀具进行加工,如图9、图10所示,图10显示的是通过后处理软件添加空间刀补矢量后,使用R2刀具加工R3理论刀具生成的NC代码,左侧的零件是相邻两条刀轨间距为0.038 5mm在机床上加工所得到的叶片,右侧显示的零件是相邻两条刀轨间距为0.101 5mm加工所得到的叶片。由图可以看出,走刀路线与标准刀具一致,而且相邻刀轨间距越小,曲面没有一条条的刀痕,被加工表面越光滑,符合零件加工精度要求。

5 结论

详细分析了空间刀具半径补偿矢量的计算方法,对实现该空间刀补矢量到数控系统中做了算法的总结和验证,并以UG NX6.0生成的刀位文件(CLSF)为坐标数据来源,针对五轴联动A/C双转台机床结构模型,开发了一个专用后处理软件,并以实际模拟和在五轴机床实际加工叶片对比为例,验证了刀路轨迹、空间刀具半径补偿算法的正确性和软件的实用性。本文对研究五轴联动的数控系统,实现空间刀具半径补偿在工程的实际应用具有一定的参考价值。

摘要：深入分析了空间刀具半径补偿矢量的计算方法,对实现该空间刀补矢量到五轴联动数控系统中做了算法的准备和验证,并以UG NX6.0生成的刀位文件(CLSF)为坐标数据来源和五轴联动A/C双转台机床为例,开发了一个专用后置处理软件,并通过在Vericut7.0上模拟和五轴联动机床上实际加工叶片,加工结果说明了该算法的正确性和软件的实用性。

关键词：五轴联动,后置处理,空间刀具半径补偿

参考文献

[1]ZHAO Bo,YE Bangyan.Study on3D tool compensation algorithm for NC milling[A].路甬祥,Sir Robin Sax by.International Technology and Innovation Conference 2006[C].英国IEE学会出版社,2006:290-293.

[2]陈良骥,刘元朋.基于五轴机床空间运动分析的后处理研究[J].制造技术与机床,2008(5):85-88.

[3]陈良骥,王永章.五轴联动数控加工中的刀具补偿方法[J].制造技术与机床,2006(2):22-25.

[4]刘雄伟.数控加工理论与编程技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

五轴数控机床 篇6

关键词：离心压气机叶轮五轴数控加工技术

1 离心压气机的叶轮五轴数控加工工艺分析

1.1 加工顺序

1.1.1 粗加工流道：首先，因为流道中间很窄，而出口和进口部位很宽，因此，为提升加工的效率，在粗加工时可将流道分为三段，并在宽处和窄处分别使用直径较大和较小的刀。其次，因为流道深度很大，所以在铣削时要分若干层来进行，并且对每层切削的深度进行控制。

1.1.2 精加工叶片曲面：为使加工质量得到保证，一定要对刀具切削特点加以考虑，加工时采用顺铣方式。

1.1.3 精加工轮毂曲面：从入口进刀，按照由下至上的形式把流道按照流线方向进行加工。根据图纸要求将轨迹之间的最大残留高度的最大轨迹数得出。

1.2 加工方式及其刀具

1.2.1 加工方式。对叶轮不同曲面采用不同加工形式，对直纹面叶片使用侧铣加工，对轮毂曲面使用端铣加工。

1.2.2 加工刀具。在进行叶轮数控加工时可采用多种刀具，运用较多的则为圆锥球头铣刀、圆环面立铣刀、圆柱平底立铣刀、圆柱球头铣刀，为使加工效率得到提升，也可使用一些特殊的铣刀对其加工。与此同时，根据被加工叶轮材料的不同，需使用不同的刀片材料，通常情况下这些刀片材料由硬质合金、高速钢等材料制造而来。除此之外，对刀具参数进行合理选择也非常重要。为使加工效率以及刀具刚度得到提升，可按照叶片流道大小的不同尽可能选取直径大的粗加工铣刀。为使加工精度和刀具刚度得到提升，在对流道与叶片进行精加工时，可采取直径相对小的球头锥度立铣刀。

1.3 路径生成方式 叶轮加工绝大多数时间都是被轮毂曲面粗加工占据了的，所以，对刀具路径的生成形式进行合理设计，对提高叶轮加工效率的意义是重大的。粗加工轮毂曲面时，可使用不同刀具路径生成形式。其中就包括外援等距生成形式、轮毂等距生成形式、等参数生成形式。等参数形式下的刀具路径在加工时切削连续，但其加工效率低。另两种形式加工效率则要高些，并且切削路径的长度也比较短。

2 离心压气机的叶轮五轴数控的加工误差分析

2.1 机床误差 在机床运动中所形成的误差便是机床误差，就包括机床的热变形和几何误差，以及伺服系统、插补器的跟随误差等。下面就插补误差进行简要介绍：依照理论而言，当刀具在相邻两刀位间运动时，刀心需走一条直线，假如不改变刀具的刀轴方向，而只有三轴联动，这时刀心所走过的直线为同一条，但如若改变刀轴方向，那么此时尽管控制系统是进行的线性插补，但事实上刀心与工件所走的是曲线而非直线，于是便形成插补误差。

2.2 工艺误差 此项误差主要是指让刀误差，它是在切削时，零件或刀具受到切削力而产生变形，最终导致加工误差的形成，此变形包含零件变形和刀具变形。在加工叶轮时，因为两片叶中间有宽度很小的通道，并且深度又很大，所以采用的刀具必须属于细长型的，并且刚度还不能太大，不然极容易在加工时出现变形，进而造成刀具前后端出现让刀量差异，它的最终结果便是导致叶片的根部型值产生改变。除此之外，由于叶轮叶片很薄，在进行加工处理时容易产生形变，进而对叶轮加工精度产生影响，导致实际加工型值与理论编程不一致。

2.3 侧铣加工误差 因为此叶轮的叶片曲面属于不可展直纹面，但它又不同于可展直纹面的加工，因为它端点位置的两法矢不相同，所以，使用侧铣加工便会导致出现过切现象，此外，过切量受两法矢和刀具半径间夹角的影响。根据几何理论可知，可展直纹面采用圆柱铣刀进行侧铣加工时，它的接触线属于直线，假如是不可展直纹面，那么它的接触线便是曲线，在加工时便会出现过切的情况。

2.4 其它加工误差 其余形式的加工误差，包括工件装夹时形成的同轴度误差及三维建模时产生的曲面模型逼近误差等。

3 离心压气机的叶轮五轴数控的加工试验

3.1 分析叶轮数控加工的工艺 伴随三元流技术和计算机技术的发展应用，叶轮的叶片形状愈发复杂，要想完成此项工作就必须使用五坐标数控加工。现以315mm直径的分流长短叶片离心压气机的叶轮为例，它的数控加工工艺包括如下工序：

3.1.1 粗加工叶轮：对相邻叶片间的流道进行分区、分层粗铣。

3.1.2 精加工和清根加工叶轮：叶型的清根加工和精加工都是在一次加工过程中完成的，它包含短叶片吸力面、短叶片压力面、长叶片吸力面、长叶片压力面精加工和轮毂曲面的精加工。

3.2 压气机叶轮的三维建模 在叶轮的数控程序中，使用曲面模型来生成刀具的轨迹，先对典型零件的叶轮实行曲面建模，然后按照求教算法和曲面等距，将叶轮刀位数据得出。在对叶轮零件实行曲面建模时，需遵循点到线到面的规则，然后再对几何建模过程加以确定。①对旋转曲面加以利用，使叶片曲面外的表面得以生成。②对样条曲线命令加以利用，使直纹曲面的叶片准线得以生成。③对直纹曲面命令加以利用，使叶片曲面得以生成。④对阵列命令加以利用，使其它叶片得以生成，从而使叶轮曲面模型能够保持完整。经由上述几何建模过程对叶轮曲面模型加以绘制，在进行叶轮的加工仿真时使用零件实体模型，在进行曲面模型的建模时，经由布尔运算和曲面缝合等操作，便能使叶轮的实体模型得以生成。

3.3 叶轮数控加工的计算机仿真 要想确保叶轮数控的加工质量就必须保证生成刀具的轨迹是合理的。在数控加工复杂零件时，运用编程工具形成的加工程序在加工中有无过切，选用的刀具和工件有无彼此干涉，走刀线路合理与否等状况都是编程人员不能事先预料到的。零件加工过程可通过刀位仿真来实现，并且它还能对刀位轨迹合理性进行检查。在仿真之前需要先处理文件，确保刀位的格式要求与文件相符。

3.4 机床试切的加工试验 为对刀具轨迹的生成算法和后处理算法准确性加以验证，可使用石蜡模型来进行试加工实验。首先，对加工坐标系进行选择。因为压气机的叶轮关于回转轴对称，所以叶轮装夹位置为C轴回转轴和叶轮回转轴同轴。如此一来，便只需对流道加工程序进行编写，接着对C轴转角度数的设置加以调整，如此便能将其他流道加工出来了。所以，在进行编程时，需选取叶轮回转轴和Z轴同轴的坐标系。其次，刀位文件的后处理。在确保刀具路径无误之后便可对刀位文件实行后处理，并获取数控程序。然后再对叶轮短叶片及其相邻长叶片数控程序实行试切验证。通过测量可知，加工出的叶轮与设计精度要求相符。结果表明，所提出方法在叶面质量和加工精度上都起到了一定的改善作用，同时也将五轴数控的优势充分发挥出来了，从而使五轴数控机床加工的潜能得到了进一步提升。

4 结语

五轴数控加工作为数控加工中极为重要的研究方向，它也是制造领域非常重要的研究内容。通过以离心压气机的叶轮作为出发点，对五轴数控加工技术进行了一番研究。其研究内容包括：三维建模、后处理、工艺分析、误差补偿和分析。文中就其实现方式进行了大致论述，并在软件基础和实践中对其算法的有效性和正确性进行了一番验证。

参考文献：

[1]贾伟斌.压气机叶轮五轴联动数控加工技术的研究[J].内燃机车，2010，07:12-15+44+1.

[2]王秋鹏，刘宏利，顾天胜.压气机叶轮五轴联动数控加工技术探析[J].新技术新工艺，2012，10:31-33.

[3]熊江.压气机叶轮五轴联动数控加工技术[J].湖南农机，2013，

01:82-83.

[4]王福元.整体叶轮叶片型面数控电解精加工的若干关键技术研究[D].南京航空航天大学，2012.

[5]曾巧芸.整体叶轮五轴数控加工刀具轨迹规划与仿真[D].南京航空航天大学，2012.

[6]张剑.整体叶轮五轴数控铣削技术研究[D].湖南大学，2012.

五轴数控机床 篇7

关键词:加工中心 仿真 后置处理

1 前言

五轴加工中心以其高精度、柔性化的特点,是现代模具CAD/CAM加工中不可或缺的一项重要技术和手段。模具的工件形状复杂,表面质量要求高,特别是一些军工产品,对铣削加工提出了很高的要求,而五轴加工可以在一次装夹后,从多个面对工件进行加工,不但可以节省装夹时间及辅助测量装置,而且提高了加工的位置精度,所以五轴加工中心是复杂零件加工的一种不可缺少的方式。

本文以我校VDW-320五轴加工中心机床为基础,它系统采用SIEMENS840D,工作台工作行程1000×550×450,回转工作台直径320,刀具容量为24把,最高转速10000r/min,其中A轴工作范围+30度到-120度,C轴可以实现360度。通过研究其对单个叶轮的实体仿真模拟技术和后置处理技术以及整个加工过程,研究开发,使机床能够充分、合理、正确地應用于模具及复杂零件的加工。

2 单叶片曲面零件加工工艺及后置处理

2.1 单叶片曲面零件图

本文以单叶片曲面零件为例,研究VDW-320五轴数控机床加工工艺。图1为单叶片曲面零件形状、尺寸及毛坯。

该零件由于部分曲面法向量与Z轴夹角大于180°,不能采用两轴半或三轴加工,只能采用四轴或五轴加工,也可采用五面体加工技术,这里为了开发验证五轴后置处理技术,采用五轴五联动编程技术。

2.2 单叶片数控编程

在SurfCAM软件环境下,进行粗加工、半精加工和精加工编程,数控编程参数见表1。

粗加工刀具路径,采用3axis Auto Rough,为了方便编程,坐标系设置为cview,分别设置为cview5和cview6,半精加工刀具路径,采用3axis Planar编程,坐标系设置为cview,分别设置为cview5和cview6。

2.3 后置处理技术研究

后置处理是研究软件与机床接口的技术,正确的后置处理是机床能够正确运行的关键,没有正确的后置处理,机床将不能完成预定的加工。后置处理技术涉及机床结构、机床控制器种类和型号及参数、编程软件相关设置等多种内容。

3 虚拟数控仿真

3.1 模拟环境的建立

为了进一步验证编程程序及后置处理结果的正确性,需要在实际机床上进行试切削加工,这样需占用机器,浪费时间,同时又没有安全保障,一旦程序有丝毫错误,将可能造成严重的损失。这里作者配制的虚拟模拟机床,在虚拟的环境下进行加工。虚拟的模拟机床参照实际机床的配制,通过三维造型建立机床运动模型,并建立机床的控制器驱动程序。建立的模拟机床还需配制毛坯信息及刀具信息。

3.2 虚拟仿真

配置好机床后,就可以进行虚拟仿真了,从仿真结果看出,刀具路径没有错误,加工的形状符合设计要求。

3.3 精度检测

在仿真结束后,还可进一步对加工的结果进行检测,测量其加工精度。通过测量间距与最大加工误差,误差在0.01mm左右,最大间距1.5mm。由结果可以看出,加工精度符合要求。

4 实际加工

通过理论验证与数控虚拟仿真检验后,可以进行零件的实际加工了。本零件虽然通过多次修改编程参数,但在机床上只进行了两次试验加工,而且只是试验部分刀具路径,大大减少了对机器的占用与出错的几率。

5 结束语

通过对单片叶轮曲面的加工与仿真结果的检测与对比,两者结果几乎一致。这说明五轴机床后置处理编制正确、虚拟仿真环境建立与开发正确、五轴程序编写正确。

此项技术解决了VDW-320五轴机床的后置处理即与软件的接口问题,可广泛应用来加工各种复杂模具或机械零件。现在国外一些先进的机床制造商正在构想一种全新的“加工中心”,它将是万能型的设备,可用于车削、铣削、磨削、激光加工等,成为真正意义上的全功能的加工中心。

参考文献:

1.朱建军.五轴加工中心在工程训练中的应用[J].金工研究,2008(2).

五轴数控机床 篇8

1 五轴刀轴和刀轴控制介绍

五轴刀轴:五轴机床中的五根轴是由3根线形轴 (linear axis) 和2根旋转轴 (rotary axis) 组成的。线形轴分别由X、Y、Z组成, 而旋转轴对应的是A、B、C表示轴名。五轴刀轴控制:五轴刀轴控制是CAM系统五轴技术的核心。五轴CAM系统给出每个切削点刀具的刀位点 (X, Y, Z) 和刀轴矢量 (I, J, K) , 五轴后处理器将刀轴矢量 (I, J, K) 转化为不同机床的旋转轴需要转动的角度 (A, B, C) 中的两个, 然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性轴需要移动的各轴位移 (X, Y, Z) 。

2 刀轴界限功能

刀轴限界功能是允许用户在产生多轴刀具路径过程中控制刀具的角度限界, 是刀具路径能配合当前用户实际所用的五轴机床角度界限和加工中的一些刀具夹持避让要求。而指定的限界具有不同的格式, 具体格式和回转轴配置类型相关。由于不同的机床具有不同的配置, POWERMILL软件将角度限界以方位角和仰角两个概念来描述。

方位角是在XY平面上逆时针方向旋转的角度, 对于一般五轴机床可认定为Z轴的旋转角度 (角度范围可达±360°) 。仰角是自XY平面向上提起 (+90°) 或向下落下 (-90°) 的角度, 对于一般五轴机床可认定为X轴的旋转角度 (角度范围因机床而定) , 当设置刀具界限参数时, 在刀轴方向表格中选取刀轴限界选项, 激活限界页面 (勾取显示刀轴, 查看限界) , 接着选取限界页面, 方位角中开始角和结束角分别输入0°和360°;仰角中开始角和结束角输入90°和0°。这样就会在主界面中产生一个圆球, 而此时的圆球会分成两种颜色, 上半球面是绿色, 给定的方位角是整圆, 仰角只设置了0°~90°而形成上半球面, 下半球面是红色, 表示刀轴无法加工此区域。

3 五轴机床与刀具界限功能关系

五轴机床的回转轴配置区别很大, 不过大体可分为三种基本加工配置, 分别是工作台—工作台 (Table-Table) , 主轴—主轴 (Head-Head) , 工作台—主轴 (Table-Head) , 这三类机床在POWERMILL软件中进行刀具界限参数设置又不尽相同, 现分别对3种情况的刀具界限进行详细的参数分析。

3.1 工作台—工作台方式下的刀具界限参数分析

此类机床主轴方向不动, 两个旋转轴都在工作台上, 工件加工时随工作台转动, 该机床一般角度界限定为:X方向上转动范围为±30°, Z方向上转动范围为±360°。机床的Y轴限界相当于方位角或是垂直于XY平面的角度限界。Y轴限界±360°转换成方位角即方位角限界为0°~360°。机床的X轴限界相当与XY平面上的仰角, 但它们并非相同的角度, 机床是相对于Z轴测量测量角度范围的, 而Power MILL则是相对于XY平面测量。因此, Power MILL的角度限界是机床角度限界的余角 (仰角=90-机床角度) 。也就是说机床的X限界±30°转换成仰角限界则为60°~90°。

3.2 主轴—主轴方式下的刀具界限参数分析

此类机床工作台不动, 两个旋转轴均在主轴上, 加工过程中主要通过主轴的运动实现多轴联动加工。假设主轴-主轴回转的机床的角度限界指定为:X轴旋转界限为±60°, Z轴旋转界限为±360°, 则机床的Z轴限界相当与方位角或垂直与XY平面的角度限界。在Power MILL中Z轴限界±360°转换成方位角限界为0°~360°。机床的X轴限界相当与XY平面上的仰角。机床的角度范围是相对于Z轴的, 然而Power MILL的仰角是相对与XY平面测量, 因此, Power MILL的角度限界即是机床角度限界的余角。为此, 机床的X轴限界±60°转换成仰角限界即为30°~90°。

不过对于有些特殊主轴—主轴控制的五轴机床, 机床的回转角度限界X为-30°~+60°, Z为±360°, 在进行仰角设置的时候尤其两边摆动的角度不一致, 得到的结果有两种, 一侧是60°~90°, 另一侧是30°~90°, 那么对于我们设计人员就希望得到60°的大摆角, 这里POWERMILL软件将机床界限跨过XZ平面, 使用最大旋转值 (+60°) , 加工另外一侧时, 主轴可绕Z轴旋转180°, 以达到最大范围。

3.3 工作台-主轴方式下的刀具界限参数分析

两个旋转轴分别装在主轴和工作台上, 工作台旋转, 可装夹较重的工件;主轴摆动, 可灵活地改变刀轴方向。假设主轴-工作台回转机床的角度限界为:X轴旋转界限为±40°Z轴旋转界限±360°。机床的X轴限界相当于XY平面之上的仰角, 对Power MILL而言即是机床仰角的余角。因此, X轴限界±40°转换成仰角限界为50°~90°。

因此, 对于不同类型的五轴机床在进行刀轴控制时, POWERMILL软件会产生多种控制参数的设置。尤其对于我们经常需要设置的刀具界限功能, 能否合理的分析并准确的设置, 直接的影响机床安全性和高效性, 所以我们CAM设计人员必须掌握该功能的参数设置。

参考文献

[1]杨书荣.深入浅出POWERMILL数控编程[M].北京:中国电力出版社, 2008.