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五軸機床有很多種類(lèi)型,你都知道嗎?

五軸加工(5 Axis Machining),顧名思義,數控機床加工的一種模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5個(gè)坐標的線(xiàn)性插補運動(dòng),五軸加工所采用的機床通常稱(chēng)為五軸機床或五軸加工中心??墒悄阏娴牧私馕遢S加工嗎?

                         五軸技術(shù)的發(fā)展

幾十年來(lái),人們普遍認為五軸數控加工技術(shù)是加工連續、平滑、復雜曲面的唯一手段。一旦人們在設計、制造復雜曲面遇到無(wú)法解決的難題,就會(huì )求助五軸加工技術(shù)。但是。。


五軸聯(lián)動(dòng)數控是數控技術(shù)中難度最大、應用范圍最廣的技術(shù),它集計算機控制、高性能伺服驅動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體,應用于復雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。國際上把五軸聯(lián)動(dòng)數控技術(shù)作為一個(gè)國家生產(chǎn)設備自動(dòng)化技術(shù)水平的標志。由于其特殊的地位,特別是對于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響,以及技術(shù)上的復雜性,西方工業(yè)發(fā)達國家一直把五軸數控系統作為戰略物資實(shí)行出口許可證制度。


與三軸聯(lián)動(dòng)的數控加工相比,從工藝和編程的角度來(lái)看,對復雜曲面采用五軸數控加工有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)提高加工質(zhì)量和效率

(2)擴大工藝范圍

(3)滿(mǎn)足復合化發(fā)展新方向

但是,哈哈,又但是了。。。五軸數控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制,其數控編程、數控系統和機床結構遠比三軸機床復雜得多。所以,五軸說(shuō)起來(lái)容易,真實(shí)實(shí)現真的很難!另外,要操作運用好更難!


說(shuō)到五軸,不得不說(shuō)一說(shuō)真假五軸?真假5軸的區別主要在于是否有RTCP功能,為此,小編專(zhuān)門(mén)去查找了這個(gè)詞!


RTCP,解釋一下,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫(xiě),字面意思是“旋轉刀具中心”,業(yè)內往往會(huì )稍加轉義為“圍繞刀具中心轉”,也有一些人直譯為“旋轉刀具中心編程”,其實(shí)這只是RTCP的結果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個(gè)單詞的縮寫(xiě)。海德漢則將類(lèi)似的所謂升級技術(shù)稱(chēng)為T(mén)CPM,即“Tool Centre Point Management”的縮寫(xiě),刀具中心點(diǎn)管理。還有的廠(chǎng)家則稱(chēng)類(lèi)似技術(shù)為T(mén)CPC,即“Tool Center Point Control”的縮寫(xiě),刀具中心點(diǎn)控制。


從Fidia的RTCP的字面含義看,假設以手動(dòng)方式定點(diǎn)執行RTCP功能,刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將維持不變,此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線(xiàn)上,而刀柄將圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉,對于球頭刀而言,刀具中心點(diǎn)就是數控代碼的目標軌跡點(diǎn)。為了達到讓刀柄在執行RTCP功能時(shí)能夠單純地圍繞目標軌跡點(diǎn)(即刀具中心點(diǎn))旋轉的目的,就必須實(shí)時(shí)補償由于刀柄轉動(dòng)所造成的刀具中心點(diǎn)各直線(xiàn)坐標的偏移,這樣才能夠在保持刀具中心點(diǎn)以及刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)不變的情況,改變刀柄與刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線(xiàn)之間的夾角,起到發(fā)揮球頭刀的最佳切削效率,并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點(diǎn)(即數控代碼的目標軌跡點(diǎn))上,處理旋轉坐標的變化。



不具備RTCP的五軸機床和數控系統必須依靠CAM編程和后處理,事先規劃好刀路,同樣一個(gè)零件,機床換了,或者刀具換了,就必須重新進(jìn)行CAM編程和后處理,因而只能被稱(chēng)作假五軸,國內很多五軸數控機床和系統都屬于這類(lèi)假五軸。當然了,人家硬撐著(zhù)把自己稱(chēng)作是五軸聯(lián)動(dòng)也無(wú)可厚非,但此(假)五軸并非彼(真)五軸!


小編因此也咨詢(xún)了行業(yè)的專(zhuān)家,簡(jiǎn)而言之,真五軸即五軸五聯(lián)動(dòng),假五軸有可能是五軸三聯(lián)動(dòng),另外兩軸只起到定位功能!


這是通俗的說(shuō)法,并不是規范的說(shuō)法,一般說(shuō)來(lái),五軸機床分兩種:一種是五軸聯(lián)動(dòng),即五個(gè)軸都可以同時(shí)聯(lián)動(dòng),另外一種是五軸定位加工,實(shí)際上是五軸三聯(lián)動(dòng):即兩個(gè)旋轉軸旋轉定位,只有3個(gè)軸可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)加工,這種俗稱(chēng)3+2模式的五軸機床,也可以理解為假五軸。


目前五軸數控機床的形式


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(kāi)發(fā)出新的運動(dòng)模式,以滿(mǎn)足各種要求。綜合目前市場(chǎng)上各類(lèi)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:



看過(guò)這些結構的五軸機床,相信我們應該明白了五軸機床什么在運動(dòng),怎樣運動(dòng)。


發(fā)展五軸數控技術(shù)的難點(diǎn)及阻力


大家早已認識到五軸數控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止,五軸數控技術(shù)的應用仍然局限于少數資金雄厚的部門(mén),并且仍然存在尚未解決的難題。


下面小編收集了一些難點(diǎn)和阻力,看是否跟您的情況對應?


五軸數控編程抽象、操作困難

這是每一個(gè)傳統數控編程人員都深感頭疼的問(wèn)題。三軸機床只有直線(xiàn)坐標軸, 而五軸數控機床結構形式多樣;同一段NC 代碼可以在不同的三軸數控機床上獲得同樣的加工效果,但某一種五軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類(lèi)型的五軸機床。數控編程除了直線(xiàn)運動(dòng)之外, 還要協(xié)調旋轉運動(dòng)的相關(guān)計算,如旋轉角度行程檢驗、非線(xiàn)性誤差校核、刀具旋轉運動(dòng)計算等,處理的信息量很大,數控編程極其抽象。


五軸數控加工的操作和編程技能密切相關(guān),如果用戶(hù)為機床增添了特殊功能,則編程和操作會(huì )更復雜。只有反復實(shí)踐,編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經(jīng)驗豐富的編程、操作人員的缺乏,是五軸數控技術(shù)普及的一大阻力。


國內許多廠(chǎng)家從國外購買(mǎi)了五軸數控機床,由于技術(shù)培訓和服務(wù)不到位,五軸數控機床固有功能很難實(shí)現,機床利用率很低,很多場(chǎng)合還不如采用三軸機床。


對NC插補控制器、伺服驅動(dòng)系統要求十分嚴格

五軸機床的運動(dòng)是五個(gè)坐標軸運動(dòng)的合成。旋轉坐標的加入,不但加重了插補運算的負擔,而且旋轉坐標的微小誤差就會(huì )大幅度降低加工精度。因此,要求控制器有更高的運算精度。


五軸機床的運動(dòng)特性要求伺服驅動(dòng)系統有很好的動(dòng)態(tài)特性和較大的調速范圍。


五軸數控的NC程序校驗尤為重要

要提高機械加工效率,迫切要求淘汰傳統的“試切法”校驗方式 。在五軸數控加工當中,NC 程序的校驗工作也變得十分重要, 因為通常采用五軸數控機床加工的工件價(jià)格十分昂貴,而且碰撞是五軸數控加工中的常見(jiàn)問(wèn)題:刀具切入工件;刀具以極高的速度碰撞到工件;刀具和機床、夾具及其他加工范圍內的設備相碰撞;機床上的移動(dòng)件和固定件或工件相碰撞。五軸數控中,碰撞很難預測,校驗程序必須對機床運動(dòng)學(xué)及控制系統進(jìn)行綜合分析。

如果CAM 系統檢測到錯誤,可以立即對刀具軌跡進(jìn)行處理;但如果在加工過(guò)程中發(fā)現NC 程序錯誤,不能像在三軸數控中那樣直接對刀具軌跡進(jìn)行修改。在三軸機床上,機床操作者可以直接對刀具半徑等參數進(jìn)行修改。而在五軸加工中,情況就不那么簡(jiǎn)單了,因為刀具尺寸和位置的變化對后續旋轉運動(dòng)軌跡有直接影響。


刀具半徑補償

在五軸聯(lián)動(dòng)NC 程序中,刀具長(cháng)度補償功能仍然有效,而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí),需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統均無(wú)法完成刀具半徑補償,因為ISO文件中沒(méi)有提供足夠的數據對刀具位置進(jìn)行重新計算。用戶(hù)在進(jìn)行數控加工時(shí)需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸,按照正常的處理程序,刀具軌跡應送回CAM 系統重新進(jìn)行計算。從而導致整個(gè)加工過(guò)程效率十分低下。


針對這個(gè)問(wèn)題, 挪威研究人員正在開(kāi)發(fā)一種臨時(shí)解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優(yōu)生產(chǎn)策略)。刀具軌跡修正所需數據由CNC 應用程序輸送到CAM 系統,并將計算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件,能夠直接連接到CNC 機床,其間傳送的是CAM 系統文件而不是ISO 代碼。對這個(gè)問(wèn)題的最終解決方案,有賴(lài)于引入新一代CNC 控制系統,該系統能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統文件。


后置處理器

五軸機床和三軸機床不同之處在于它還有兩個(gè)旋轉坐標,刀具位置從工件坐標系向機床坐標系轉換,中間要經(jīng)過(guò)幾次坐標變換。利用市場(chǎng)上流行的后置處理器生成器,只需輸入機床的基本參數,就能夠產(chǎn)生三軸數控機床的后置處理器。而針對五軸數控機床,目前只有一些經(jīng)過(guò)改良的后置處理器。五軸數控機床的后置處理器還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。


三軸聯(lián)動(dòng)時(shí),刀具的軌跡中不必考慮工件原點(diǎn)在機床工作臺的位置,后置處理器能夠自動(dòng)處理工件坐標系和機床坐標系的關(guān)系。對于五軸聯(lián)動(dòng),例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯(lián)動(dòng)的臥式銑床上加工時(shí), 工件在C 轉臺上位置尺寸以及B 、C 轉臺相互之間的位置尺寸,產(chǎn)生刀具軌跡時(shí)都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時(shí)要耗費大量時(shí)間來(lái)處理這些位置關(guān)系。如果后置處理器能處理這些數據,工件的安裝和刀具軌跡的處理都會(huì )大大簡(jiǎn)化;只需將工件裝夾在工作臺上,測量工件坐標系的位置和方向,將這些數據輸入到后置處理器,對刀具軌跡進(jìn)行后置處理即可得到適當的NC 程序。


非線(xiàn)性誤差和奇異性問(wèn)題

由于旋轉坐標的引入,五軸數控機床的運動(dòng)學(xué)比三軸機床要復雜得多。和旋轉有關(guān)的第一個(gè)問(wèn)題是非線(xiàn)性誤差。非線(xiàn)性誤差應歸屬于編程誤差,可以通過(guò)縮小步距加以控制。在前置計算階段,編程者無(wú)法得知非線(xiàn)性誤差的大小,只有通過(guò)后置處理器生成機床程序后,非線(xiàn)性誤差才有可能計算出來(lái)。刀具軌跡線(xiàn)性化可以解決這個(gè)問(wèn)題。有些控制系統能夠在加工的同時(shí)對刀具軌跡進(jìn)行線(xiàn)性化處理,但通常是在后置處理器中進(jìn)行線(xiàn)性化處理。


旋轉軸引起的另一個(gè)問(wèn)題是奇異性。如果奇異點(diǎn)處在旋轉軸的極限位置處,則在奇異點(diǎn)附近若有很小振蕩都會(huì )導致旋轉軸的180°翻轉,這種情況相當危險。


對CAD/ CAM系統的要求

對五面體加工的操作, 用戶(hù)必須借助于成熟的CAD/CAM 系統,并且必須要有經(jīng)驗豐富的編程人員來(lái)對CAD/CAM 系統進(jìn)行操作。


購置機床的大量投資

以前五軸機床和三軸機床之間的價(jià)格懸殊很大?,F在,三軸機床附加一個(gè)旋轉軸基本上就是普通三軸機床的價(jià)格,這種機床可以實(shí)現多軸機床的功能。同時(shí),五軸機床的價(jià)格也僅僅比三軸機床的價(jià)格高出30%~ 50%。


除了機床本身的投資之外,還必須對CAD/CAM系統軟件和后置處理器進(jìn)行升級,使之適應五軸加工的要求;必須對校驗程序進(jìn)行升級,使之能夠對整個(gè)機床進(jìn)行仿真處理。


五軸加工機床未來(lái)智能化趨勢


智能裝備的控制模式和人機界面將會(huì )有很大的變化,WiFi寬帶、藍牙近距通信等網(wǎng)絡(luò )性能的提高,基于平板電腦、手機和穿戴設備等基于網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)控制方式會(huì )越來(lái)越普及。與時(shí)俱進(jìn)的觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開(kāi)關(guān)、鼠標和鍵盤(pán)。人們,特別是年輕人已經(jīng)習慣智能電子消費產(chǎn)品的操作方式,能夠快速做出反應,切換屏幕,上傳或下載數據,從而大大豐富了人機交互的內容,同時(shí)明顯降低誤操作率。例如,對數控機床的操作可以通過(guò)筆記本、平板電腦和智能手機在WiFi環(huán)境下進(jìn)行,如圖所示。


從圖中可見(jiàn),不僅人機的交互方式從控制面板延伸到移動(dòng)終端,設備和工具之間也可以進(jìn)行物與物的通信。機床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài),如果在刀具或刀柄上嵌入芯片,就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預調儀上進(jìn)行調整時(shí)的數據,還可以記錄刀具在機床進(jìn)行了多長(cháng)的切削時(shí)間,還有多少剩余壽命,可以加工幾個(gè)零件等都可以讓操作者和有關(guān)部門(mén)了如指掌,減少停機和更換刀具的時(shí)間。智能刀具及其管理的概念如上圖所示。


在不同的加工情況下,往往需要設備具有不同的性能,可以根據設備工況的統計分析,可從設備供應商或第三方APP應用軟件商店購買(mǎi)和下載不同的軟件,以提高設備精度、加工速度或節能等,如圖所示。

智能工廠(chǎng)的數控機床和機器人等智能裝備的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)不在硬件,感知外部環(huán)境和工況變化需要更加強大的計算能力、通信帶寬和速度,才能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,形成真正的信息物理融合系統。它的特點(diǎn)是將設備的控制分為計算和過(guò)程兩部分,把運動(dòng)控制保留在本地,而將計算移到云端,在云端“克隆”相應的虛擬設備,在云端進(jìn)行虛擬制造,如圖所示。

從圖中可見(jiàn),需要計算能力的數控核心、可編程控制、圖形人機界面和通信等模塊構成設備群的云端控制系統,通過(guò)中間件控制虛擬機床1、虛擬機床2、虛擬機床n,同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接口下傳至車(chē)間的路由器,連接不同機床的控制器,控制相應機床的運動(dòng),從而將虛擬機床與實(shí)體機床構成一對一的仿真和監控系統。

(文章出自公眾號“工業(yè)制造”)

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