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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(zhuǎn)軸。A、B、C三軸中的兩個旋轉(zhuǎn)軸具有不同的運動方式，以滿足各類產(chǎn)品的技術(shù)需求。而在5軸加工中心的機械設(shè)計上，機床制造商始終堅持不懈地致力于開發(fā)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(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是主要有以下幾種形式：

兩個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)直接控制刀具軸線的方向（雙擺頭形式）

兩個坐標(biāo)軸在刀具頂端，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型擺頭式）

兩個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)直接控制空間的旋轉(zhuǎn)（雙轉(zhuǎn)臺形式）

兩個坐標(biāo)軸在工作臺上，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型工作臺式）


兩個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)一個作用在刀具上，一個作用在工件上（一擺一轉(zhuǎn)形式）
*術(shù)語：如果旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直，則被認(rèn)為是一根“俯垂型”軸。

   看過這些結(jié)構(gòu)的五軸機床，我相信我們應(yīng)該明白了五軸機床什么在運動，怎樣運動?？墒?，這么多樣化的機床結(jié)構(gòu)，在加工時究竟能展現(xiàn)出哪些特點呢？與傳統(tǒng)的三軸機床相比，又有哪些優(yōu)勢呢？接下來就讓我們來看看五軸機床有哪些發(fā)光點。

 

5軸機床的特點

 

 

 

說起五軸機床的特點，就要和傳統(tǒng)的三軸設(shè)備來比較。生產(chǎn)中三軸加工設(shè)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(cè)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(xiàn)刀具在空間直角坐標(biāo)系中的運動。所以，在面對下面這些產(chǎn)品時，三軸機床效率低、加工表面質(zhì)量差甚至無法加工的弊端就暴露出來了。


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而與三軸數(shù)控加工設(shè)備相比，五聯(lián)動數(shù)控機床有以下優(yōu)點：

 

 

1. 保持刀具最佳切削狀態(tài)，改善切削條件

 

 

如上圖，在左圖中三軸切削方式，當(dāng)切削刀具向頂端或工件邊緣移動時，切削狀態(tài)逐漸變差。而要在此處也保持最佳切削狀態(tài)，就需要旋轉(zhuǎn)工作臺。而如果我們要完整加工一個不規(guī)則平面，就必須將工作臺以不同方向旋轉(zhuǎn)多次?？梢钥匆姡遢S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(zhì)量。

 

 

2. 有效避免刀具干涉

 

如上圖，針對航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的葉輪、葉片和整體葉盤等零件，三軸設(shè)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(tǒng)剛性，減少刀具的數(shù)量，避免了專用刀具的產(chǎn)生。對于我們的企業(yè)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(shù)，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(zhǔn)轉(zhuǎn)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(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(shè)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(zhì)量的加工！

 

 

4. 提高加工質(zhì)量和效率

 

如圖，五軸機床可以采用刀具側(cè)刃切削，加工效率更高。

 

 

5. 縮短生產(chǎn)過程鏈，簡化生產(chǎn)管理

 

 

五軸數(shù)控機床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈，可以使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化。工件越復(fù)雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯。

 

 

6. 縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期

 

 

對于航空航天、汽車等領(lǐng)域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復(fù)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(shù)控加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。
等等…


綜上所述，五軸機床實在是有太多太多優(yōu)點，但是五軸機床刀具姿態(tài)控制，數(shù)控系統(tǒng)，CAM編程和后處理都要比三軸機床復(fù)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(qū)別在于RTCP功能，然而何謂RTCP，它是怎么產(chǎn)生的又該如何應(yīng)用？下面我們就結(jié)合機床結(jié)構(gòu)和編程后處理來具體了解一下RTCP，了解他的真正面目。

關(guān)于RTCP

 

 

RTCP，在科德數(shù)控GNC61高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)里，認(rèn)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(tài)時，由于回轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生刀尖點的附加運動。數(shù)控系統(tǒng)控制點往往與刀尖點不重合，因此數(shù)控系統(tǒng)要自動修正控制點，以保證刀尖點按指令既定軌跡運動。業(yè)內(nèi)也有將此技術(shù)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(yán)格意義上來說，RTCP功能是用在雙擺頭結(jié)構(gòu)上，是應(yīng)用擺頭旋轉(zhuǎn)中心點來進行補償。而類似于RPCP功能主要是應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)臺形式的機床上，補償?shù)氖怯捎诠ぜD(zhuǎn)所造成的的直線軸坐標(biāo)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(tǒng)一此類技術(shù)為RTCP技術(shù)。


那么RTCP功能是怎么產(chǎn)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(shù)而技術(shù)的噱頭，更多人是對其技術(shù)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(shù)，更是一項能為客戶帶來效益和創(chuàng)造價值的好技術(shù)。擁有RTCP技術(shù)的機床（也就是國內(nèi)所說的真五軸機床），操作工不必把工件精確的和轉(zhuǎn)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(biāo)和矢量就行了。像我們之前說的那樣，在機械結(jié)構(gòu)上，五軸數(shù)控機床主要有雙擺頭、雙轉(zhuǎn)臺、一擺一轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)。下文我們將以科德雙轉(zhuǎn)臺五軸機床，科德數(shù)控GNC61高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹一下RTCP功能。
科德數(shù)控GNC61在五軸機床中定義第四軸和第五軸的概念:在雙回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)中第四軸的轉(zhuǎn)動影響到第五軸的姿態(tài)，第五軸的轉(zhuǎn)動無法影響第四軸的姿態(tài)。第五軸為在第四軸上的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

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(zhuǎn)臺上。當(dāng)?shù)?軸A軸旋轉(zhuǎn)時，因為C軸安裝在A軸上，所以C軸姿態(tài)也會受到影響。同理，對于我們放在轉(zhuǎn)臺上面的工件，如果我們對刀具中心切削編程的話，轉(zhuǎn)動坐標(biāo)的變化勢必會導(dǎo)致直線軸X、Y、Z坐標(biāo)的變化，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的。
   根據(jù)前文，我們都知道是由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化導(dǎo)致了直線軸坐標(biāo)的偏移。那么分析旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心就顯得尤為重要。對于雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)中心。而第4軸通常選擇第四軸軸線的中點作為控制點。



數(shù)控系統(tǒng)為了實現(xiàn)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(guān)系。即初始狀態(tài)（機床A、C軸0位置），第四軸控制點為原點的第四軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)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(tǒng)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(guān)的編程。當(dāng)您在機床上使用GNC61系統(tǒng)編程時，不用擔(dān)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(tǒng)將為您完成。舉個例子：



如上圖，不帶G203 RTCP功能關(guān)的情況下，控制系統(tǒng)不考慮刀具長度。刀具圍繞軸的中心旋轉(zhuǎn)。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(tǒng)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(shù)控GNC61系統(tǒng)里RTCP開啟指令，通常已經(jīng)在CAM系統(tǒng)的CNC程序中被調(diào)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(shù)據(jù)。
而對于不具備RTCP的五軸機床和數(shù)控系統(tǒng)是怎么解決直線軸坐標(biāo)偏移這個問題呢？我們知道現(xiàn)在國內(nèi)很多五軸數(shù)控機床和系統(tǒng)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(lián)動，要知道假五軸也可以做五軸聯(lián)動。假五軸的區(qū)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(zhuǎn)工作臺的位置。這就意味著用假五軸數(shù)控系統(tǒng)和機床編程時，必須依靠CAM編程和后處理技術(shù)，事先規(guī)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(zhuǎn)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(shè)置一個坐標(biāo)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(shè)置為例，說明假五軸的坐標(biāo)變換。

   如上圖，假五軸是依靠后處理技術(shù)，將機床第四軸和第五軸中心位置關(guān)系表明，來補償旋轉(zhuǎn)軸對直線軸坐標(biāo)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(jié)果不僅會導(dǎo)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(zhuǎn)參數(shù)不同，都要有對應(yīng)的后處理文件，對于生產(chǎn)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(xiàn)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?yōu)榱藢崿F(xiàn)加工結(jié)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(shù)控GNC61數(shù)控系統(tǒng)，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(xiàn)了更高效簡潔、高質(zhì)量的加工。

科德五軸機床加工S型試件

科德機床加工鈦合金葉輪