好文！一文搞懂五轴联动数控加工那些事儿

UG编程粥粥老师 2018-03-21 15:43

2018-03-21 粥粥 ug编程交流

近年来，五轴联动数控加工中心在各个领域得到了越来越广泛的应用。在实际应用中，五轴联动技术无疑是解决异形复杂零件高效、高质量加工问题的重要手段。越来越多的制造商倾向于寻找五轴设备来满足高效、高质量的加工。但你真的了解五轴加工吗？

▌ 五轴加工

要真正了解五轴加工，首先要了解什么是五轴机床。五轴机床（5 Axis Machining），顾名思义，指在X、Y、Z，在三个常见的直线轴上加两个旋转轴。A、B、C为了满足各种产品的技术需求，三轴中的两个旋转轴具有不同的运动方式。在5轴加工中心的机械设计中，机床制造商始终致力于开发新的运动模式，以满足各种要求。市场上各种五轴机床，虽然机械结构形式多样，但主要有以下形式：

两个旋转坐标直接控制工具轴的方向（双摆形式）

刀具顶部有两个坐标轴但旋转轴不垂直于直线轴(俯垂摆头)

两个旋转坐标直接控制空间的旋转双转台形式）

工作台上有两个坐标轴但旋转轴不垂直于直线轴(俯垂工作台)

刀具上有两个个旋转坐标作用于工件(一摆一转)

看到这些结构的五轴机床，我相信我们应该了解什么是运动，如何运动。然而，这种多样化的机床结构在加工过程中能显示出什么特点？与传统的三轴机床相比，它有什么优点？接下来，让我们来看看五轴机床的发光点。

GF加工方案Mikron MILL E 500U 五轴加工中心

▌ 5轴机床的特点

说到五轴机床的特点，必须与传统的三轴设备进行比较。三轴加工设备在生产中比较常见，有立式、卧式、龙门等形式。立铣刀端刃加工和侧刃加工是常见的加工方法。球头刀仿形加工等。但无论哪种形式和方法都有一个共同的特点，即刀轴的方向在加工过程中保持不变，机床只能通过X、Y、Z在空间直角坐标系中插入三个线间直角坐标系中的运动。因此，面对以下产品，暴露了三轴机床效率低、加工表面质量差甚至无法加工的缺点。

与三轴数控加工设备相比，五联动数控机床具有以下优点：

1. 保持刀具较佳切削状态，改善切削条件

如上图所示，左图中的三轴切割方法

当刀具移动到顶部或工件边缘时，切割状态逐渐恶化。为了在这里保持较佳的切割状态，需要旋转工作台。如果我们想完全处理一个不规则的平面，我们必须在不同的方向旋转工作台多次。可以看出，五轴机床还可以避免球头铣刀中心点线速度为0，以获得更好的表面质量。

2. 有效避免刀具干扰

如上图所示，由于干扰，三轴设备不能满足航空航天领域应用的叶轮、叶片和整体叶盘的工艺要求。五轴机床可以满足要求。同时，五轴机床也可以使用较短的工具进行加工，以提高系统刚度，减少工具数量，避免生产特殊工具。对于我们的企业主来说，这意味着在工具成本方面，五轴机床将为您省钱！

3. 减少装夹次数，一次完成五面加工

从上图可以看出，五轴加工中心还可以减少基准转换，提高加工精度。在实际加工中，只有一次夹具，更容易保证加工精度。同时，由于工艺链的缩短和设备数量的减少，工具夹具数量、车间面积和设备维护成本也降低了。这意味着您可以使用更少的夹具、更少的工厂面积和维护成本来完成更高效、更高质量的加工！

4. 提高加工质量和效率

如图所示，五轴机床可采用刀具侧刃切割，加工效率较高。

5. 缩短生产过程链，简化生产管理

五轴数控机床的完整加工大大缩短了生产过程链，简化了生产管理和规划调度。与传统工艺分散的生产方法相比，工件越复杂，其优势就越明显。

6. 缩短新产品研发周期

对于航空航天、汽车等领域的企业来说，一些新产品零件和成型模具形状复杂，精度要求高。因此，具有高灵活性、高精度、高集成性、完整加工能力的五轴数控加工中心，可以很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期，提高新产品的成功率。

综上所述，五轴机床有太多的优点，但五轴机床的刀具姿态控制，数控系统，CAM编程和后处理比三轴机床复杂得多！同时，当我们谈到五轴机床时，我们不得不谈论五轴的真。我们都知道真假五轴较大的区别在于RTCP但是什么是功能？RTCP，它是如何产生和应用的？下面，我们将结合机床结构和编程后处理RTCP，了解他的真面目。

▌ 关于RTCP

RTCP，在高端五轴数控系统中，RTCP即是Rotated Tool Center Point，也就是我们常说的刀尖跟随功能。在五轴加工中，在追求刀尖轨迹和刀具与工件之间的姿势时，由于旋转运动，会产生额外的刀尖运动。数控系统的控制点往往与刀尖点不一致，因此数控系统应自动修正控制点，以确保刀尖点按指令移动。业内也有人称此技术为此技术TCPM、TCPC或者RPCP等功能。事实上，这些名称的功能定义和RTCP严格来说，类似，RTCP该功能用于双摆头结构，用于补偿摆头旋转中心点。而类似于RPCP功能主要用于双转台机床，补偿工件旋转引起的线轴坐标变化。其实这些功能都是为了保持刀具的中心点和刀具与工件表面的实际接触点不变。因此，为了方便表达，本文统一了此类技术RTCP技术。

那么RTCP功能是如何产生的？多年前，当五轴机床刚刚普及市场时，RTCP机床厂家大肆宣传概念。彼时RTCP功能更像是技术的噱头，更多的人热衷于技术本身。其实RTCP相反，它不仅是一项好技术，也是一项能给客户带来好处和创造价值的好技术。拥有RTCP技术机床（即中国真正的五轴机床），操作人员不需要准确对齐转盘轴线，随意夹紧，机床自动补偿偏移，大大降低辅助时间，提高加工精度。同时，后处理制作简单，只需输出刀尖点坐标和矢量即可。正如我们之前所说，在机械结构上，五轴数控机床主要有双摆头、双转台、一摆一转等结构。

以双转台高端五轴数控系统为例，详细介绍RTCP功能。

第四轴和第五轴的概念定义在五轴机床：第四轴的旋转影响第五轴的姿态，第五轴的旋转不影响第四轴的姿态。第五轴是第四轴上的旋转坐标。

好了，看完定义说明，我们来解释一下。如上图所示，机床第四轴为A轴，第五轴为C轴。C轴转台上放置工件。当第四轴A轴旋转时，C轴的姿态也会受到影响，因为C轴安装在A轴上。同样，对于我们放在转盘上的工件，如果我们切割和编程刀具中心，旋转坐标的变化必然会导致直轴X、Y、Z坐标的变化产生相对位移。为了消除这一位移，机床必须补偿它，RTCP消除补偿产生的功能。

那么机床如何补偿这种偏移呢？接下来，让我们分析一下这种偏移是如何产生的。

根据上述情况，我们都知道直轴坐标的偏移是由旋转坐标的变化引起的。因此，分析旋转轴的旋转中心尤为重要。对于双转台结构机床，C第五轴的控制点通常位于机床工作台的旋转中心。第四轴通常选择第四轴的中点作为控制点。

为了实现五轴控制，数控系统需要了解第五轴控制点与第四轴控制点的关系。即初始状态(机床A、C轴0位置)，在原点第四轴旋转坐标系下，第五轴控制点的位置向量[U,V,W]。还需要知道A、C轴线之间的距离。双转台机床，如下图所示。

说到这里，你可以看到，有RTCP为了保持刀具中心始终处于被编程位置，功能性机床控制系统。在这种情况下，编程是独立的，与机床运动无关。在机床上编程时，不要担心机床运动和刀具长度。你需要考虑的只是刀具和工件之间的相对运动。剩下的工作控制系统将为您完成。

如上图所示，不带RTCP在功能关闭的情况下，控制系统不考虑工具长度。工具在轴的中心旋转。刀尖将移出其位置，不再固定。

如上图，带RTCP当功能打开时，控制系统只改变刀具的方向，刀尖位置保持不变。X，Y，Z自动计算轴上必要的补偿运动。

而不具备RTCP如何解决直线轴坐标偏移的问题？众所周知，国内很多五轴数控机床和系统都属于假五轴。所谓假五轴，其实就是不带RTCP机床的功能。真假五轴，既不看外观也不看五轴是否联动，要知道假五轴也可以做五轴联动。假五轴的区别主要在于没有真五轴RTCP也就是说，假五轴编程需要考虑主轴的摆长和旋转工作台的位置。这意味着在使用假五轴数控系统和机床编程时，必须依靠CAM编程和后处理技术，提前规划刀路。

同一部分，机床更换或刀具更换，必须重新进行CAM编程和后处理。此外，假五轴机床在夹紧工件时，需要保证工件在工作台旋转中心的位置。对于操作人员来说，这意味着需要大量的夹紧找正时间，精度无法保证。即使是分级加工，假五轴也要麻烦得多。真正的五轴只需要设置一个坐标系，只需要一把刀。

假五轴依靠后处理技术，表明机床第四轴与第五轴中心的位置关系，以补偿旋转轴对直轴坐标的位移。其生成的CNC程序X、Y、Z不仅是编程的趋近点，还包括X、Y、Z轴上必要的补偿。这样的结果不仅会导致加工精度不足，效率低下，而且生成的程序不通用，劳动力成本也很高。同时，由于每台机床的旋转参数不同，应有相应的后处理文件，这也会给生产带来极大的不便。此外，假五轴的生成程序无法改变，基本上不可能实现手动五轴编程。同时因为没有RTCP其衍生的许多五轴高级功能都不能使用，如五轴刀补功能等。事实上，对于五轴机床来说，它只是我们实现加工结果的工具，没有真假之分。重要的是，我们的工艺决定了如何加工。相对而言，真正的五轴机床更具成本效益。

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