五轴加工, 也就是 5 Axis , 按其字面意思理解, 乃是数控机床加工的一种模式 , 它运用 X、Y、Z、A、B、C 里任意 5 个坐标的线性插补运动 , 五轴加工所运用的机床一般被称作五轴机床或者五轴加工中心 , 然而你真的对五轴加工有所认识呢?
五轴技术的发展
五轴联动数控呢, 它属于数控技术范畴, 是其中难度极大的技术项目, 同时也是应用范围特别宽泛的技术, 它将计算机控制、高性能伺服驱动与精密加工技术融合聚集在一起, 被运用在复杂曲面的高效、并且精密、而且还有着自动化的加工方面。到了国际上, 五轴联动数控技术被当作是一个国家生产设备自动化技术水平的标志性因素。因它有着特殊的地位，尤其对航空、航天、军事工业有着重要影响, 并且有着技术上的复杂性, 西方工业发达国家始终将五轴数控系统当作战略物资施行出口许可证制度, 对我国实施禁运, 以此限制我国国防、军事工业的发展。
小编此前发的有关“东芝机床事件”的内容, 那次是金属加工方面的, 是基于这个封锁制度呢！
相较于三轴联动的数控加工, 从工艺的角度去看, 从编程的角度而言, 对于复杂曲面运用五轴数控加工存在以下这些优点:
（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
然而, 嘿, 可又然而喽。五轴数控加工鉴于存在干涉现象以及刀具于加工空间的位姿操控问题, 其数控编程、其数控系统以及机床结构相较于三轴机床那是复杂得有天壤之别。故而, 五轴提及起来看似简单, 能够切实达成确实难度超常！此外要将其操作运用得恰到好处着实更是难上加难！
要谈及五轴, 真的是必须得讲一讲真假五轴, 咋办？小编在前一阵子发布了一篇一定特定的文章, 事实上呢, 文章里主要阐述的是真假5轴的差异主要是在于有没有RETCP功能, 鉴于缘由因如此这般情形, 小编特意去查找了这个词汇！
探讨一下RTCP, 说明下, Fidia的RTCP是“Tool Point”简称, 其字面意思叫作“旋转刀具中心”, 在业内通常会稍微进行转义而说成“围绕刀具中心转”, 也有部分人直接翻译为“旋转刀具中心编程”, 实际上这仅仅是RTCP的结果。PA的RTCP是“Real-time Tool Point ”前边几个词语的简称。海德汉把类似的那种所谓升级技术称作TCPM, 也就是“Tool Point ”的缩写, 亦即刀具中心点管理。有的厂家称类似技术为TCPC, 它是“Tool Point ”的缩写, 意思用来表示刀具中心点控制。
基于Fidia的RTCP的字面涵盖意思来考量, 若按手动形式定点开展RTCP功能操作, 那么刀具中心点会保持不变，刀具与工件表面真实的接触点也会维持原状, 这时刀具中心点地处刀具与工件表面实际接触点所在的法线上, 并且刀柄会围绕刀具中心点进行转动, 就球头刀来讲, 刀具中心点是数控代码的目标轨迹点。为了实现刀柄于执行RTCP功能之际能简单地环绕目标轨迹点（也就是刀具中心点）转动这个目的, 就得定时补偿因刀柄转动所致的刀具中心点各直线坐标的偏移, 如此方可在维持刀具中心点以及刀具与工件表面实际接触点恒定的情形下, 变更刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线间的夹角, 达成发挥球头刀的最佳切削效率, 并有效地规避干涉等效果。因而, RTCP好像多半是处在刀具中心点上, 也就是数控代码的目标轨迹点那里, 去着手处理旋转坐标的改变。
五轴机床以及数控系统, 要是不具备RTCP的话, 那就得依靠CAM编程以及后处理才行, 得提前规划好刀路, 同样的一个零件, 一旦机床更换了, 或者刀具更换了, 那就必然得重新开展CAM编程以及后处理, 所以只能被称作假五轴, 国内有好多五轴数控机床和系统都属于这种假五轴。当然啦, 人家硬要把自己说成是五轴联动也没什么不可以的, 但是此（假）五轴可不是彼（真）五轴！
基于此, 小编向行业专家做了咨询, 简单来讲, 真正的五轴是五轴五联动, 而所谓假五轴, 存在是五轴三联动的情况, 另外的两轴起到的仅仅是定位作用！
这属于通俗的讲法, 并非是规范的表述方式了, 通常来讲, 五轴机床有两种分类。一种是五轴联动状态, 也就是五个轴能够同时进行联动操作。另一种是五轴定位加工情形, 实际上是五轴中的三联动模式, 具体是两个旋转轴做旋转定位处理, 仅有3个轴能够同时联动开展加工工作, 这种被俗称为3 + 2模式的五轴机床, 也能够被理解成假五轴。
嗯哼? 对于真假五轴的情形那您是不是已有知晓认知了? 要是存在全新的观点看法, 还请留下言语进行交流探讨！
此次针对RTCP功能, 也未曾施以详尽之描述, 设若你于这一领域存有兴趣, 本小编决意下次额外汇集些许该范围之资料, 为您予以解答！若有需求, 欢迎留言！
发展五轴数控技术的难点及阻力
大家早就认识到了五轴数控技术具备的优越性以及重要性。然而直至如今, 五轴数控技术的运用依旧被局限于为数不多的资金雄厚的部门, 且依然存有尚未得到解决的难题。
下面小编收集了一些难点和阻力，看是否跟您的情况对应？
1.五轴数控编程抽象、操作困难
这是让每个传统数控编程人员都甚感头疼难受的问题, 三轴机床仅有直线坐标轴, 五轴数控机床的结构形式却是多种多样的, 同一段NC代码能在不同的三轴数控机床上取得同样的加工成效, 然而某一种五轴机床的NC代码却无法适用于所有类型的五轴机床, 数控编程除了有直线运动之外, 还得协调旋转运动的相关计算, 像是旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等等, 处理的信息量特别大, 数控编程极为抽象难懂。
五轴数控加工的操作, 与编程技能有紧密关联, 要是用户为机床增添了特殊功能, 那么编程跟操作就会变得更复杂。唯有经过反复实践, 编程人员以及操作人士才能够掌握必备的知识还有技能。经验丰富的编程人员缺乏, 经验丰富的操作人员缺乏, 这是五轴数控技术普及的一大阻碍。
在国内, 有许多厂家购置了源自国外的五轴数控机床 , 这是因为技术培训以及服务方面存在欠缺之处 , 这些五轴数控机床内部已有的功能难以达成和达到 , 机床被利用的比率非常的低 , 在好多的场合之下 , 甚至还比不上采用三轴数控机床。
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, 是由五个坐标轴的运动组合而成, 旋转坐标添入其中, 不仅使插补运算的担子加重, 而且旋转坐标即使存在微小误差, 也会让加工精度大幅下降, 所以对控制器的运算精度要求更高。
具有运动特性要求的五轴机床, 需要伺服驱动系统具备很好的动态特性, 以及较大的调速范围。
3.五轴数控的NC 程序校验尤为重要
为提升机械加工效率, 急切需要摒弃传统的 “试切法” 校验形式, 在五轴数控加工而言, NC 程序的校验职责变得极为重要, 鉴于一般运用五轴数控机床加工的工件价值颇为高昂, 并且碰撞是五轴数控加工里的常见状况: 刀具切入工件, 刀具以超高的速度撞上工件, 刀具与机床、夹具以及其他加工范畴内的设备产生碰撞, 机床上的移动部件和固定部件或工件发生碰撞。在五轴数控的情形下, 碰撞是极难被预测出来的, 用来校验的程序, 务必要针对机床运动学以及控制系统展开综合的分析。
要是CAM系统察觉到错误, 便能即刻针对刀具轨迹予以处理, 然而要是于加工进程里发觉NC程序有误, 就无法如同在三轴数控那般径直对刀具轨迹作出修改。
在三轴机床上, 机床操作者能够直接针对刀具半径等参数做出修改。然而在五轴加工里, 情况并非如此简单, 原因在于刀具尺寸以及位置的变化, 对于后续旋转运动轨迹存在着直接影响。
4.刀具半径补偿
在五轴联动的NC程序里头, 刀具长度补偿功能依旧是有效的了。然而哩, 刀具半径补偿却变成失效的状态了。当使用圆柱铣刀来开展那个接触成形铣削之际, 针对不同直径的刀具, 就得编制好多不同的程序。当下流行的那些CNC系统, 都没办法完成刀具半径补偿这件事儿, 这是为啥，因为ISO文件里头没有给出足够多的数据, 没法对刀具位置重新去计算。用户在做数控加工的时候, 常常需要频繁地去换刀或者调整刀具确切的尺寸, 依照正常的处理程序来讲, 刀具轨迹得送回到CAM系统那儿, 重新去进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。
面对这个问题, 挪威的研究人员正着手去开发一种名叫LCOPS（Low Cost, 低耗最优生产策略的）临时解决办法。刀具轨迹修正所需的数据是被由CNC应用程序输送至CAM系统的, 并且会把计算得到的刀具轨迹直接送往控制器。LCOPS是需要第三方来提供CAM软件的, 该软件是能够直接连接到CNC机床: 其间传送的是CAM系统文件而非ISO代码。对这个问题而言, 最终形成的解决方案, 要依赖于引入新的一代CNC控制系统。这个系统具备这样的能力, 可以去识别通用格式的工件模型文件, 比如说STEP这类的。同时呢, 它也能够识别CAD系统文件。
5.后置处理器
五轴机床不同于三轴机床之处在于, 它还有另外两个旋转坐标, 刀具位置若是从工件坐标系转换至机床坐标系, 其间要经历几次坐标变换利用在市场上流行的那种后置处理器生成器, 只要输入机床的基本参数, 就能够生成适合三轴数控机床的后置处理器就五轴数控机床而言, 目前仅有一些已然经过改良的后置处理器五轴数控机床的后置处理器仍旧有待进一步去开发。
此时处于三轴联动状态, 刀具运行形成轨迹之际, 不用去考量工件原点于机床工作台上所处位置如何, 后置处理器可自行处理工件坐标系与机床坐标系二者之间的关系。当涉及五轴联动情况时, 比如说在XYZBC五轴联动的卧式铣床上实施加工操作时, 工件于C转台上体现的位置尺寸以及B、C转台彼此之间呈现的位置尺寸, 在生成刀具轨迹时均得予以考虑。而工人通常在装夹工件这个环节, 需耗费大量时间去对这些位置关系进行处理。要是后置处理器能够处理那些数据，那么工件的安装以及刀具轨迹的处理都会极大地被简化, 具体说来, 就是只要把工件装夹于工作台上, 测量出工件坐标系的位置还有方向, 把那些数据输入到后置处理器当中, 对刀具轨迹开展后置处理, 如此一来便能够得到恰当的NC程序。
6.非线性误差和奇异性问题
坐标旋转被引入后, 五轴数控机床运动学相对三轴机床复杂许多。旋转相关首个问题乃是非线性误差。非线性误差归属于编程型误差行列, 可借由缩小步距予以控制。于前置计算阶段, 编程者无从知晓非线性误差大小, 唯有经后置处理器生成机床程式后, 非线性误差方有可能被计算晓得。刀具轨迹线性化能够化解此问题。部分控制系统能够于加工与此同时对刀具轨迹开展线性化处置, 不过一般是于后置处理器里实施线性化处置。
旋转轴致使的另外一个问题是奇异性, 要是奇异点位于旋转轴的极限位置那儿, 那么在奇异点附近一旦存在很小的振荡, 就会造成旋转轴的180°翻转, 这种情形颇为危险。
7.对CAD/ CAM系统的要求
对五面体开展加工的操作时, 用户得借助成熟的CAD/CAM系统, 而且得有经验丰富的编程人员来操作这个CAD/CAM系统。
8.购置机床的大量投资
以往的时候, 五轴机床跟三轴机床二者之间的价格差异极为显著很大, 如今呢, 三轴机床再新增附加一个旋转轴, 基本上就等同于普通三轴机床的价格了, 而这种机床能够达成实现多轴机床的功能, 与此同时当中, 五轴机床的价格也仅仅只是比三轴机床的价格高处高出30%至50%。
机床本身投资之外, CAD/CAM系统软件以及后置处理器要升级, 以适应五轴加工要求；校验程序也要升级, 以便能对整个机床做仿真处理。
国内外典型的五轴加工中心
下面小编为您介绍几款国内外典型的五轴加工中心：
1. 哈默C52加工中心
C52加工中心, 属于摇篮式双摆工作台的那种五轴加工机床, 它适用于航空航天领域, 也适用于模具制造范畴, 还适用于能源以及半导体工业领域, 它的外观呈现模样以及主要技术规格等情况, 就如同图中所展示的那样。
哈默C52加工中心
从图里能够看到, 一种采用纵向布局的摇篮式双摆工作台, 其回转工作台的直径是f 1 000mm, 该回转工作台由力矩电动机直接来驱动, 它的结构十分紧凑, 其可以达到的最高转速是500r/min。摇篮运用的是伺服电动机和无背隙齿轮传动, 其摆动范围是＋100°/－130°, 它能够开展五轴联动的立/卧式车削加工, 或者进行五轴联动铣削加工以及5面铣削加工。在车削的时候, 工作台最大能承受的载荷是1 000kg, 而在铣削的时候, 工作台最大能承受的载荷是2 000kg, 通过这种方式能够从机床上方去装卸较重的大型工件。
哈默公司有独特的总体结构配置, 其目的在于提高机床的动态性能, 这种构型存在移动部件轻量化的特点，框架式主轴十字滑座处于高台式床身顶部, 它负责完成X－Y方向移动, 主轴滑枕则进行Z轴垂直方向移动, 该结构还采用盘式刀库, 如图所示。
哈默C52加工中心的总体结构配置
1.可以进行直线移动的导轨, 用于存放刀具的库, 带有滚珠的丝杠, 提供动力的伺服驱动装置, 具备双摆结构的工作台。
图中能够看到, 主轴下层滑座进行移动时, 是借助安装在床身左右两侧壁上的伺服电动机以及滚珠丝杠, 它沿着3根线性导轨来移动的, 以便达成重心驱动, 进而避免在移动过程当中出现偏斜的情况, 最终提升了机床的工作精度。
海德汉 640 数控系统被哈默 C52 加工中心用于车铣复合加工, 其中有主动颤振控制助力提高动态效率, 自适应进给控制也在其中, 还有主动振动阻尼助力提高动态加工精度, 载荷自适应控制同样属于智能模块之列。
2. 西田-II精密加工中心
-II精密加工中心, 主要用以加工微小的、具备高精度的零件, 于结构设计方面, 格外注重提升刚度以及降低热变形所产生的影响, 其总体的结构配置, 呈现如图所示的状况。
西田-II精密加工中心的总体结构配置
图中能见到, 有整体龙门式双立柱, 其横截面呈H形, 在左右前后4个方向均对称, 且断面系数大, 这保证了机床结构具备高刚度、高精度以及热稳定性。主轴滑座与主轴部件处在H形立柱的正前方位置, 设有重量平衡系统, 用于保证Z轴移动的精度, 该结构对称, 很大程度可抵消因热变形致使刀具中心点相对工作台产生的偏移量。从而, 确保工艺平稳性, 显著提升加工效率与成效, 大幅完善加工精度与表面质量。凭借其卓越的结构设计与性能表现, 为各类复杂零部件加工奠定稳定的基石, 有力支撑制造业迈向更高水平。
I加工中心的X轴, 由相互对称配置的2个直线电动机驱动, 行程范围是420mm, 快速进给为20m/min, 采用高刚度和高精度的线性导轨导向, 这种导轨小直径滚珠、8滚道循环、加长型滑块, 以此提高移动精度和刚性。其Y轴同样由相互对称配置2个直线电动机驱动, 行程范围300mm, 快速进给20m/min , 采用上述具有特定特征的线性导轨导向, 目的是提高移动精度和刚性。Z轴也是由相互对称配置2个直线电动机驱动, 行程范围250mm, 快速进给20m/min , 依靠这种高刚度高精度线性导轨导向, 来提高移动精度和刚性, 简化机械结构, 避免反向背隙, 保证机床的动态性能。
主轴转速的范围为200至400r/min, 于主轴滑座的下方配置盘式刀库, 其标配容量是32把刀, 刀具的最大直径为f50mm, 刀具的最大长度是120mm, 刀具的最大重量是500g。
该机床平移工作台的面积是600mm×350mm, 在这个工作台上安装着R10型双摆工作台, B轴可摆动的范围是-10°到＋100°之间, C轴能够进行360°回转, 凭借这些构成了五轴联动加工机床, 其它最大加工直径是250mm。主轴在全行程范围内经过实际测量得出的定位精度分别是0.508μm、0.356μm以及0.316μm, X－Y运动轴的圆度是0.60μm。B、C回转轴的双向定位精度分别为0.95sec和1.19sec。在加工圆锥表面时圆度为1.24μm，皆明显高于同类机床。
完备、周全的热管理系统属于那具有高精密性的机床所具备的极为突出的显著特性当中的一个, 对此而言它是确保机床能够维持高精度状态的关键要素所在。机床的冷却所处部位的循环流程以及其运行原理就如同所展示的图示那样。
西田-II的冷却部位和循环系统
可见于图, 机床于六个部位配置循坏液冷却系统, 其一为立柱的内冷却, 其二为主轴头的内冷却, 其三为主轴滑座的内冷却, 其四为X轴直线电动机的冷却, 其五为Y轴直线电动机的冷却, 其六为Z轴直线电动机的冷却。制冷装置输出温度较低的冷却液进入各个冷却部位, 把热量带出, 温度较高的冷却液再返回热交换器中重新进行制冷。
3. 米克朗 HSM 600U LP高速加工中心
生产有着多种型号的, 用于高速（HSM）、高性能（HPM）以及高效率（HEM）加工的中心, 其中HSM 600U LP加工中心, 是在原先HSM系列的基础之上, 经过改进设计而形成的, 这款加工中心的工作台直径为600mm, 其最大载荷是120kg, 它适用于模具制造以及其他中小批量精密制造企业, 来加工具备高精度和高表面质量的零件, 机床的外观和结构呈现如图所示的样子。
HSM 600 ULP加工中心的外观和结构
由此图能够看出, 用以表示该机床的三个具备移动功能的轴, 分别是X轴、Y轴以及Z轴, 还有两个具备回转功能的轴, 分别是B轴与C轴, 它们全都采用了直接驱动这种方式。该机床的床身部分、立柱部分以及横梁部分共同构成了一个整体的封闭结构, 其形状呈现为上窄下宽的样式, 整体类似金字塔的形状, 并且采用了矿物铸件也就是树脂混凝土这种材质, 这种材质具备良好的阻尼特性, 进而保证了机床所具有的刚度以及稳定性。该结构的中间位置设有O形孔道, 其目的是为了能够与托板交换装置或者刀库进行联结。线性导轨被布置在直线电动机的两侧, 则使得两线性导轨之间得以拥有较大的距离, 如此安排驱动力可以尽可能处于移动部件的重心位置之上。
机床选用STEP TEC智能电主轴, 最高转速存在30 000/36 000/42 000r/min可供选择, 其具备的智能化系统能够对电主轴的工况予以控制以及优化, 像是主轴端轴向位移、温度、振动以及刀具拉杆位置等情况, 还能对主轴在不同工况时的工作寿命作出预测。
“聪明机床”软件是该机床的另一个重要特点, 它涵盖机床保护、提高加工精度以及提高生产力这三方面, 像智能温度控制, 操作支持系统, 高级加工过程, 还有远距短信通知等等。
五轴加工机床未来智能化趋势
智能装备的控制模式会面临极大改变, 人机界面也会显著不同, WiFi宽带以及蓝牙近距通信等网络性能得以提升, 基于平板电脑、手机以及穿戴设备等借助网络的移动控制方式会愈发普遍, 与时俱进的触摸屏以及多点触控的图形化人机界面逐渐会把按钮、开关、鼠标和键盘替代, 人们尤其是年轻人已惯于智能电子消费产品的操作方式, 能迅速做出应答, 转换屏幕, 上传或者下载数据, 进而极大丰富了人机交互的内容, 同时显著降低出错几率。就比如说, 针对数控机床的操控行为, 借助笔记本、平板电脑以及智能手机, 于WiFi环境状况之下能够达成, 情形就如同这般被呈现出来。
在WiFi环境下的人－机和机－机通信
如图所见, 人机交互方式, 已从控制面板拓展至移动终端, 且设备与工具间, 能够进行物与物的通信。机床加工精度及效率, 在很大程度上, 取决于刀具状态, 若于刀具或刀柄嵌入芯片, 便成为智能刀具。芯片不但能记录刀具预调仪调整时的数据, 还能记录刀具在机床的切削时长, 以及剩余寿命, 可加工零件数量等, 能让操作者与相关部门清楚知晓, 进而减少停机及更换刀具的时间。智能刀具及其管理的概念如上图所示。
于各异的加工情形之下, 常常会要求设备具备不一样的性能, 能够依据设备工况的统计剖析, 能从设备供应商或者第三方 APP 应用软件商店去购置以及下载不同的软件, 运用这些软件来提升设备精度、加工速度或者节能之类的成效, 像图里所呈现的那样。
提高设备性能的APP应用软件商店
智能工厂里, 数控机床以及机器人这般的智能装备, 其未来发展重点已并非硬件, 感知外部环境以及工况的变化。因为这需要更为强大的计算能力、通信带宽还有速度, 如此才可开展实时控制。而后形成真正的信息物理融合系统, 其特点是把设备的控制划分成计算与过程两部分。把运动控制留存于本地, 却将计算转移到云端, 于云端去“克隆”对应的虚拟设备, 在云端实施虚拟制造, 如图所展示的那样。
过程和计算分离的云数控系统
在图里能够看到, 数控核心、可编程控制、图形人机界面以及通信等模块, 这些模块是构成设备群云端控制系统所需要的计算能力部分, 借助中间件控制虚拟机床 1, 借助中间件控制虚拟机床 2, 借助中间件控制虚拟机床 n, 同时经由以太网接口下传到车间的路由器, 车间的路由器连接不同机床的控制器, 不同机床的控制器控制相应机床的运动, 进而把虚拟机床与实体机床构成一对一的仿真和监控系统。
本文有着如下参考文献, 《五轴加工机床: 现状和趋势》。其作者是专家称呼的张曙, 《机床工业亟需发展五轴数控技术》。作者为来自清华大学的游华云、叶佩青等, 《高效五轴加工技术与机床》, 作者是周孙良, 《五轴加工的RTCP技术》等。
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