五軸數控機床的刀具半徑補償與測頭（tóu）防碰（pèng）撞的適配性

加（jiā）工(5 Axis Machining)，顧名思義，數（shù）控機床加工的一種模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動，五軸加（jiā）工（gōng）所采用的機床通（tōng）常稱為五軸機床或五軸加工中心。可是你真的了解五軸加工嗎？

五軸技術的發（fā）展

幾十年來（lái），人們普遍認為五（wǔ）軸數控（kòng）加（jiā）工技術是加工連（lián）續、光滑、複雜曲麵的唯一手段。一旦人們在設計和製造（zào）複雜曲麵（miàn）時遇到無法解決的問題，就會求助於五軸加工技術。但是（shì）...

五軸數控（kòng）是數控技術中難度最大、應用最（zuì）廣泛的技術。它集（jí）計算機控製、高性能伺（sì）服驅動和精密（mì）加工（gōng）技術於一（yī）體，適用於複雜曲麵的高效、精密和自動化加工。在國際上，五軸數控（kòng）技術被視為一個國家生產設（shè）備（bèi）自動化技術水平（píng）的標誌。由於其特殊的地位，特別是對航空（kōng）、航天和軍工行業的重要影響，以及其技術的複（fù）雜（zá）性，西方（fāng）發達國家（jiā）一直將五軸數控係統作為戰略物資實行出口（kǒu）許可證（zhèng）製度。

與三軸數（shù）控加工（gōng）相比（bǐ），從技術和（hé）編程的角度來看，采用五軸數控加工複雜曲麵具有以下優點:

1)提高加工質量和效（xiào）率。

2)擴大流程範圍

3)符合複（fù）合型發展的新方（fāng）向。

從Fidia的（de）RTCP字麵意思來看，假設手動（dòng）定點執行RTCP函數，刀具中心點和刀具與工件表麵的實際接觸點將保持不變。此時刀具中心點落在刀具與工件表麵實（shí）際接觸點的法（fǎ）線上，刀柄會繞刀具中心點旋轉。對於（yú）球頭銑刀，刀具中心點就是NC代碼的目標軌跡點。

為了（le）達到在執行RTCP函數（shù）時，刀架可以簡單地繞目標軌跡點(即（jí）刀具中心點)旋轉的目的，需要實時（shí）補償刀架旋轉引起的刀具中心點直（zhí）線坐（zuò）標的偏差， 從而（ér）在保持刀具中心點和刀具與（yǔ）工（gōng）件表麵的實際接觸點不變（biàn）的同時，改變刀架與刀具（jù）與工件表麵實際接觸點處法線的夾角（jiǎo），以發揮球頭立銑刀的（de）最佳切削效率，有效避免幹涉（shè）。 所以RTCP似（sì）乎更多的是在（zài）刀具的（de）中心(也就是NC代碼的目標軌跡點)來處理旋轉坐標（biāo）的（de）變化。

沒有RTCP的五軸機床和數控係統必須依靠CAM編程和後置處（chù）理，刀具軌跡必（bì）須事先規劃好（hǎo）。對（duì）於同一個零件，如果換（huàn）機（jī）床（chuáng）或者換刀具，都要重新編程和後置處理，所以隻（zhī）能叫假五軸。

目前，五軸數控機（jī）床的（de）形式

在五（wǔ）軸（zhóu）加工（gōng）中心的機械設計中，機床製造商一直致（zhì）力於開發新的運動模式以滿（mǎn）足各種要求。總結目前市場上的各種五（wǔ）軸機（jī）床，雖然機械結構多種多樣，但主要有以下幾種形式:

兩個旋轉坐標直接控製刀（dāo）具軸（zhóu）的方向(雙擺頭形（xíng）式)

兩個（gè）坐標軸在工具（jù）的頂部，

但（dàn）是（shì）旋轉（zhuǎn）軸不垂直於線性軸(擺式)

兩個旋轉坐標直接控製空間的旋轉(雙轉盤形式)

兩個坐標軸在工作台（tái）上，

但是旋（xuán）轉軸不垂直於直線軸(擺動工作台)

兩個旋轉坐標（biāo），一個（gè）作用在（zài）刀具上（shàng），一個作用在工件上(一擺一轉（zhuǎn）形（xíng）式)。

看過這幾台五軸機床，相信大家應該明白五軸機床（chuáng）在動什麽，怎（zěn）麽動的。

發展五軸數控技（jì）術的困難和阻力

大家早就認識到五軸（zhóu）數控技術的優越性和重要性。但到目前為止，五軸（zhóu）數（shù）控技術的應用仍然局限於少數資金雄（xióng）厚的部門，仍然存在尚未解決（jué）的問題。

五軸數控編程比較抽象，難以操（cāo）作。

這是每個傳統數控程序員都很頭疼的問題。三（sān）軸機床隻有直線坐標軸，五軸數控機床有（yǒu）多種結（jié）構形式；相同的NC代碼在不同的三軸數（shù）控（kòng）機（jī）床（chuáng）上可以（yǐ）獲（huò）得相同的加工效果，但某一台五軸機床的NC代碼並不能適用於所有類型的五（wǔ）軸機床。數控編程除了直線運動外，還要協調旋轉運動的相關計算，如（rú）旋轉角度和行程檢查、非線性誤差檢查、刀具旋轉運動計算等。，它（tā）處理大量的信息，非常抽象。

五軸數控加工的操作與編程技巧密切相關。如果用（yòng）戶（hù）給機床增加特殊功能，編程和操作會（huì）更加複雜。程序（xù）員和操作人員隻有通（tōng）過反複實踐（jiàn），才（cái）能掌握必要的知識和技能（néng）。編程經驗豐富，操作人員缺乏是五軸數控技術普及的（de）一大障礙。

對數控插（chā）補控製器和伺服驅動係統的要求非（fēi）常嚴格。

五（wǔ）軸（zhóu）機床的運動是五個坐標軸的合成（chéng）。旋轉坐標的加入，不（bú）僅增加了插補運算的負擔，而且由（yóu）於（yú）旋轉坐標的（de）微（wēi）小誤（wù）差，使加工精度大大降低。因此，要求控製器具有更高的運算精度。

五軸機床的運動特性（xìng）要求伺服驅動係統具有良好的動（dòng）態特性和較大的速度範圍。

五軸數控的數控程（chéng）序（xù）檢（jiǎn）查（chá）尤為重要。

為了提高加工效率，迫切需要淘汰傳統的“試切法”驗證方法。在五軸數控加工中，數控（kòng）程序的（de）驗證也變得非常重要，因為五軸數控機床通常加工的工件非常（cháng）昂貴，碰撞是（shì）五軸數控加工（gōng）中常（cháng）見的問題:刀（dāo）具切入（rù）工件；刀具（jù）以（yǐ）非常高的速度（dù）與工件碰撞；刀具在加（jiā）工範圍內與機床、夾具等設備發生碰撞；機床上的運動部件與固定部件或工件發生碰撞。在五軸數控中，碰撞（zhuàng）是很難預測的（de），因此標定程序必須綜合分（fèn）析機床的運動學和（hé）控製係（xì）統。

如果CAM係統檢測到錯誤，刀具路徑可（kě）以立即處理。但是（shì），如果在加工過程中發現（xiàn）NC程序錯誤，則不（bú）能像在三軸NC中（zhōng）那樣直接（jiē）修改刀具路徑（jìng）。在三軸機床上，機床操作者可以直接修改刀具半徑等參數。在五軸加工中，情況就沒那麽簡（jiǎn）單了，因為刀具（jù）尺寸和位置（zhì）的變化對（duì）後續的旋轉軌跡有直接的影響。

刀具半徑補償

在（zài）五軸數控程序中，刀具（jù）長度補償功（gōng）能仍（réng）然有效，但刀具半徑補（bǔ）償無效。使用圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要針對不同直徑（jìng）的刀具編製不（bú）同的程序。目前流（liú）行的數控係統無法完成（chéng）刀具半徑補償，因為ISO文件沒有提供（gòng）足夠的數據來重新計算刀具位（wèi）置。在（zài）數控加工過程中，用（yòng）戶需要經常更（gèng）換刀具或調（diào）整（zhěng）刀具的精確尺寸。按照正常的（de）加工程序（xù），刀具軌跡要送回CAM係統重（chóng）新計（jì）算。導致整（zhěng）個加工（gōng）過程的效率非常低。

為了解決這個問（wèn）題，挪（nuó）威研究人員正在開發一種叫做LCOPS(低成本優化生產策略)的臨時解決方案。刀具軌跡修正所需的數據由CNC應用程序（xù）發送給CAM係統，計算出的刀具軌跡直接（jiē）發送給控製器。LCOPS需要第三方提供CAM軟件，可以直接連接數控機床，傳輸CAM係統文件（jiàn），而（ér）不是ISO代碼。這一問題的最終解決有賴於新一（yī）代CNC控製係統的（de）推出，它能識別工件模型文件(如STEP等（děng）。)或通用格式的CAD係統文件。

後置（zhì）處理程序

五軸機（jī）床和三軸機床的區（qū）別在於，它也有兩個旋轉坐標，刀具（jù）位（wèi）置從（cóng）工件坐標係變化到機床坐標係，中間有幾次坐標變換。利用市場上流行的後置處理器生成器，隻（zhī）需輸入機床（chuáng）的基（jī）本參（cān）數，即（jí）可生成三（sān）軸數控機床的後（hòu）置處理器（qì）。對於五軸數控機床，隻有一些改進的（de）後置處（chù）理器（qì）。五軸數控機床的後置處理器需要進一步開發。

三軸聯動（dòng）時，刀具（jù）軌跡中不需要考慮工件在機床工作台上（shàng）的原點位置，後處理器（qì）可以自動處理工件坐標係和機床坐標係的關係。對於五（wǔ）軸聯動，例如在X、Y、Z、B、C五軸聯動的臥式銑床上加工時，生成刀具軌跡（jì）時必須考慮工件在C轉盤上的位（wèi）置尺寸和B、C轉盤之間（jiān）的位置尺（chǐ）寸。工人在夾緊工件時，通常（cháng）要花很多時間來處（chù）理這些位置關係。如果後處理器（qì）能夠處理這些數據，工件的安裝和刀（dāo）具軌跡的（de）加工將大大簡（jiǎn）化；隻需（xū）將工件夾在工作台上，測量工（gōng）件坐標（biāo）係的位置和方向，將這些數據（jù）輸入後處理器（qì），對刀具軌跡進行後處理，得到合適的數控（kòng）程序。

非線性（xìng）誤差（chà）和（hé）奇異性問（wèn）題

由於旋轉坐標的引入，五軸數控機（jī）床的運動學比三軸機床複雜得多。與旋轉相關的第一個（gè）問題是非線性誤差。非線性誤差屬於編程（chéng）誤差，可以通過（guò）減小步長來控製。在預計算（suàn）階段，程序員（yuán）無法知道非線性誤差的（de）大小，非線性誤差（chà）隻能在後（hòu）處理器生成機床程序後才能計算出來。刀具軌跡線性化可以解（jiě）決這個問題。一些控製係統可以在加工時線性化刀具軌跡，但通常是在後處理器中線性化。

轉軸引起的另一個（gè）問題是奇（qí）點。如果奇點在轉軸（zhóu）的極限位置，奇點附近的小振蕩會導致轉軸轉動180°，這（zhè）是相（xiàng）當危險的。

對CAD/ CAM係統的（de）要求

對於五麵體加工的（de）操作，用戶必須（xū）使用成熟的CAD/CAM係統，並有經驗豐富的程序員來操作CAD/CAM係統。

大量投資購買（mǎi）機床。以前五軸機床和三軸機床價格差距很大。現在一個帶（dài）轉軸的三軸機床基本就是普通三軸機床的價格，可以實現多軸機床的功能。同時，五（wǔ）軸機床的（de）價格隻比三（sān）軸機床高30% ~ 50%。

除了機床本（běn）身的投（tóu）資，還必須對CAD/CAM係統（tǒng）軟（ruǎn）件和後置處理器進行升級，以滿（mǎn）足五軸加工的要求。校準程序必須升級以模擬整個機（jī）床。

五軸加工機（jī）床的未來智能（néng）化趨勢

智能設備的控製方式和人機界麵將發（fā）生巨大變化。隨著WiFi寬帶、藍牙短距離（lí）通信等網絡性能的提（tí）升，平板（bǎn）電腦、手機（jī）、可穿戴設備等基於網絡的移（yí）動控製方式將會越來越普及。觸摸屏和多點觸控的圖形（xíng）化人機界麵將逐漸取代按鈕、開關、鼠標和鍵盤。人們（men）尤其是年（nián）輕人已經習慣了智能電子（zǐ）消費產品的操（cāo）作方式，可以快速反應，切換屏幕和上傳或下載數據，大大豐富了人（rén）機交互的內容，明顯降低（dī）了誤操作率。

值得一提的是，蘇州黄片91測量設備有限公司自主研產的數控自動化高精度在機測量測頭除了具備自動化高精度測量功（gōng）能外，還具有工件防碰撞報警功能，在測量時由於誤操作或錯誤編程容易導致碰撞（zhuàng）導致機床，工件或測量設備損壞，在測頭與刀（dāo）柄之間黄片91增（zēng）加了防碰撞模塊，當測頭發生碰撞時，係統會自動停止當前測量動作，並出現（xiàn）報警提（tí）示，在重新校準後可以繼續正常使用。主軸長時間加工後會產生熱伸長，這時（shí）普通測量工序就會出現測量誤差，漢（hàn）測測頭單元具有隔熱功能，可以有效減少主軸熱伸長，同時將（jiāng）誤差累積在測量（liàng）過程中，減少撞機幾率。同時（shí），測頭在移動過程（chéng）中觸（chù）碰到障礙物也會產生（shēng）報警，保護探針碰撞。

防碰撞技巧：開始運行階段把快速倍（bèi）率設置的慢些；經常性檢查（chá）車床限位，確認檔塊是否在正確位置，是否（fǒu）鬆動；程序輸入完成後，需仔細檢查是（shì）否存在錯（cuò）誤，避免坐標數字輸入錯誤；程序編好後應該先進行（háng）單股（gǔ）調（diào）試；正確對刀並設置好刀補，試切對刀時（shí）注意（yì）對（duì）刀使用的Z向零點與編程一致；調試（shì）過程中隨（suí）時注意當前絕對坐標值及下一程序段的終點（diǎn）坐標位置，確定刀具移動的（de）距離及（jí）工件位置之間的（de）距離進行判斷是否會導致碰撞。