五軸（zhóu）加工技術（shù）的發（fā）展與定位誤差刀具半徑補償原理

加工(5軸加工)，顧名思義，是數控機床加工的（de）一種模式。具（jù）有X、Y、Z、A、B、C任意五個坐標的直線插補運動，用於（yú）五軸加工的機床通常（cháng）稱為五軸（zhóu）機床或五軸加工中（zhōng）心（xīn）。但是你真的了解五軸加工（gōng）嗎？

五（wǔ）軸技術的發展

幾十年（nián）來，人們普遍認為五軸（zhóu）數控加工（gōng）技術是加工（gōng）連續、光滑、複雜曲麵的必由（yóu）之路。一旦人們在設計製造複雜曲麵時遇到無法解（jiě）決的問題，就會轉向五軸加工技術。但是...

五軸數控是難度最大、應用最廣泛的數（shù）控技術。它集計算機控製、高性能伺服驅動和精密加工（gōng）技術於一體，適用於複雜曲麵的高效、精密和自動化加工（gōng）。在國際上，五軸數控技術（shù）被視為一（yī）個國家生產設備自動化技術水平（píng）的（de）標誌。由於其特殊的地位，特別（bié）是（shì）對航空、航天和軍事工業的重要影響，以（yǐ）及其技術的複（fù）雜性，西方工業發（fā）達國（guó）家一直將五軸數控（kòng）係統作為戰（zhàn）略物資實行出口許可證製度。

與三軸數控加工相比，從工藝和編程角度來看，複（fù）雜曲麵的五軸數控加工具有以下優勢:

1)提高加工質量和效率（lǜ）。

2)擴（kuò）大流程範圍。

3)符合複合型發展的新方向。

但由於加（jiā）工空間中（zhōng）的幹涉和刀位（wèi）控製，五軸數控加工的數控編程、數（shù）控係統和機床結構都比三軸機床複雜得多。所（suǒ）以（yǐ），五軸說（shuō）起來容易，實現起（qǐ）來真的（de）很難！除（chú）此之外，操作和使用好它的難度更（gèng）大！

說到五板斧，我得說真假五板斧？真假軸的區別主要在（zài）於是否有RTCP函數。為此，邊肖特意（yì）查了這個詞！

RTCP解釋說，Fidia的RTCP是“旋（xuán）轉工具中心點”的（de）縮寫，字麵（miàn）意思（sī）是“旋（xuán）轉（zhuǎn）工具中心”。在（zài）業（yè）內往往略逃為“繞著刀具中（zhōng）心轉”，也有人直譯為“回轉式刀具中心編程”。事（shì）實上，這隻是RTCP的結果。PA的RTCP是（shì）“實時刀具中心點旋轉”前幾個字的縮寫。Heidenhain把類似的所謂升級技術稱（chēng）為TCPM，“工具中心點管理”的縮寫，工具中（zhōng）心點管理。其（qí）他製造（zào）商稱類似的技（jì）術為TCPC，“刀具中心點控製”的縮寫，刀具中心點控製。

從Fidia的RTCP的字麵意思（sī）來看，假設手動執行RTCP函數，刀具（jù）中心點和刀具與工件表（biǎo）麵的（de）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際接（jiē）觸點的法線上，刀柄會繞刀具中心點旋轉。對於球頭銑刀，刀具中心點是NC代碼的目標軌跡（jì）點。

為（wéi）了達到（dào）在執行RTCP功能（néng）時，刀架可以簡單地繞目標軌跡（jì）點(即刀（dāo）具中心點)旋轉的目的，需要實時補償刀架旋轉引起（qǐ）的刀具中心（xīn）點各直線坐標的偏移， 從而在保持刀具中心點和刀具（jù）與工件表麵的實際接觸點不變的情況下，改變刀柄與刀具（jù）與工件表麵的實際接觸（chù）點處的法線之間的角度，發（fā）揮球頭銑刀的（de）最佳切削效率，並（bìng）有效避免幹涉。 所以RTCP似乎更多的站（zhàn）在刀具的中（zhōng）心（xīn）點（diǎn）(也就是（shì）NC代碼的目標軌跡點)上（shàng），處理（lǐ）旋轉坐標的變化。

沒有RTCP的五軸機床和數控係統必須（xū）依靠CAM編程和後置處理，刀具軌跡必須事先規劃好。如（rú）果換了同一個零件，必須重新進行CAM編程和後置處（chù）理（lǐ），所以隻能（néng）叫（jiào）假五軸。國內很多五（wǔ）軸數控（kòng）機床和係統都屬（shǔ）於這種假五軸。當（dāng）然，人們堅持自稱五軸（zhóu）聯動也無可厚非（fēi），但這個(假)五軸並不是另一個（gè）(真)五軸！

因此，邊肖也谘詢（xún）了業內專家（jiā）。簡而言（yán）之，真五軸是（shì）五軸五聯動（dòng），假五軸（zhóu）可能是五軸（zhóu）三聯動，另（lìng）外兩軸隻起定（dìng）位作用（yòng）！

這是通俗說法，不是標準說法。一般來說（shuō），五軸機床有（yǒu）兩（liǎng）種（zhǒng）:一種是五軸聯動，即所有五軸可以同時聯動，另一種是五軸定位加（jiā）工，實際上是五軸三聯動:即兩個旋轉軸旋轉（zhuǎn）定位，同時隻（zhī）能聯動三個（gè）軸。這種俗稱的3+2模式五軸機床也可（kě）以（yǐ）理解（jiě）為偽五軸。

目前，五（wǔ）軸（zhóu）數控機床的形式

在（zài）五軸加工中心的機械設計中，機床製造商一直在（zài）不懈地努力開發新（xīn）的運動模（mó）式以滿足各種要求。

發展（zhǎn）五軸數控技術的困難和阻力

大家早就認（rèn）識到（dào）五軸數控技術的優越（yuè）性和重要性。但到目前為止，五軸數控技術的應用仍然局限於少數資金雄厚的（de）部門，仍然（rán）存在未解決（jué）的問（wèn）題。

五軸（zhóu）數控編程比較抽象，難以操作。

這是每個傳統數控程（chéng）序員都（dōu）很頭疼的問（wèn）題。三軸機床隻有直線坐標軸，五軸數控機床有多種（zhǒng）結構形式；相同（tóng）的NC代碼在不同的三軸數控機床上可以達到相（xiàng）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（yǒu）類型的五軸（zhóu）機床。數控編程除了直線（xiàn）運動外，還需要協調（diào）旋轉運動的相關計算，如旋轉角度和行程的檢查、非線性（xìng）誤差檢（jiǎn）查、刀具旋轉運動的計（jì）算等。處（chù）理的信息量非常大，所以數控編程極其抽（chōu）象。

五軸（zhóu）數控（kòng）加工的操作（zuò）和編程技巧密切相關。如果用戶給機床增加特殊功能，編程和（hé）操作會更加複雜。程序員和操（cāo）作人員隻有通過反複實踐，才能掌握必（bì）要的知識和技（jì）能。編程經驗豐富，操作人員缺乏是（shì）五軸數控技術普（pǔ）及的一大障礙。

國內很多（duō）廠家都（dōu）從國外購買了五軸數控機床。由（yóu）於技術培訓和服務不足（zú），五軸數控機床的固有功能難以實現，機床利用（yòng）率很低。在很多場合，最好采用三（sān）軸機（jī）床。

對（duì）數控插補控製器和伺服驅動係統的要求非（fēi）常嚴格。

五（wǔ）軸機床的運動是（shì）五個（gè）坐標軸運動（dòng）的合成。旋轉坐標的加入不僅增加了插補的負擔，而且由於旋轉坐標的微小誤差，還會大大降低加工（gōng）精度。因此，要求控製器具有更高的精度。

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

五（wǔ）軸數（shù）控的數控程序驗證尤為重要。

為了提高加（jiā）工效率，迫切需要淘汰傳（chuán）統的“試切法”驗（yàn）證方法。在五軸數控加工中，數控程序的驗證變得非常重要，因為（wéi）五軸數控機床通常（cháng）加（jiā）工的工件非常昂貴，而碰撞是五軸數控加工中常見的問題:刀（dāo）具切入工件；刀具以（yǐ）非常（cháng）高的速度與工件碰撞；刀具在加工範圍內碰撞機床、夾具等設備；機床上的運（yùn）動（dòng）部件與固定部件或工件發生（shēng）碰（pèng）撞。在（zài）五軸數控中，碰撞是（shì）很難預測的，所以驗證程序必須綜合分析機床的（de）運動學和控製係統。

如果CAM係統檢測到錯誤，它可以立即（jí）處理刀具路徑；但是（shì），如果（guǒ）在加工過程中發現NC程序錯誤，則不能像三軸NC那樣直接修改刀具軌跡。在三軸機床上，機床操作員（yuán）可以直接修改刀具半徑等參數（shù）。但是在五軸加工中，情況就沒那麽簡單了，因（yīn）為刀具尺寸和位置的變化對（duì）後續的旋（xuán）轉軌跡有直接的（de）影響。

刀具半徑補償

在五軸（zhóu）數控程序（xù）中，刀（dāo）具長度補償功能仍然（rán）有效（xiào），但刀具半徑（jìng）補（bǔ）償無（wú）效。使用圓柱銑（xǐ）刀進（jìn）行接觸成形銑削時，需要針對不同直徑的刀具編製（zhì）不同的程序。目前（qián）流行的數控係統不能完成刀（dāo）具半徑補償，因（yīn）為（wéi）ISO文件（jiàn）沒有提供足夠的數據來重新計算刀具位置。在數控加（jiā）工過（guò）程中，用戶需要經常更換刀具或（huò）調整刀具的精確尺寸。按照正常的加工程序，刀（dāo）具軌跡要送回CAM係統重新計算。因此整個處理過程的（de）效率非常低（dī）。

為了解決這個問（wèn）題，挪威研究人員正在開發一種叫做LCOPS(低成本優化生產（chǎn）策略)的臨時解決方案。刀具軌跡修正所需的數據由CNC應用程序發送給CAM係統，計算（suàn）出的刀具軌跡直接發送給（gěi）控（kòng）製器。LCOPS需（xū）要第三方提供CAM軟件，可以直接連（lián）接數控機床，期間傳輸的是CAM係統文件，而不是ISO代碼。這個問題的最終解（jiě）決有（yǒu）賴於新一代數（shù）控係（xì）統的推出，它能識別常（cháng）見格式的工件模（mó）型文件(如STEP等。)或CAD係（xì）統文件。

後置處理程序

五（wǔ）軸機床和三軸機床（chuáng）的區別在於，它也有兩個（gè）旋轉坐標。刀具（jù）位置從工件坐標係轉換到（dào）機床坐標係，中間需要進行幾次坐標轉換（huàn）。利用市場上流行的後置處理器生成（chéng）器，隻需輸入機床的基本參數，即可生成三軸數控機床的後置處理器。對於五（wǔ）軸數控機床（chuáng），隻有一些改進的後置處理器。五軸數控機（jī）床的後置處理器需要進一步開發（fā）。

在（zài）三（sān）軸聯動中，刀具軌跡中不需要考慮工件原點在機床工作台上的位置，後處理器可以自動處理工件（jiàn）坐標係和機床坐標係之間的關係。對於五軸聯動，例如（rú）在X、Y、Z、B、C五軸的臥（wò）式銑床上加工時，生成刀具軌跡時必須考慮工件在（zài）C轉盤上的位置尺寸和B、C轉盤之間的位置尺寸。工人在夾緊工件時（shí），通常要花很多時間來處理這些位置關係。如果後處理器能夠處理這些數據，工件的安裝和刀具軌跡的加工將大（dà）大簡化；隻需將工件夾在工（gōng）作台（tái）上，測量工件坐標（biāo）係（xì）的位置和方向，將這些數（shù）據輸入到（dào）後處（chù）理器（qì）中，對刀具軌跡（jì）進行後處（chù）理，得（dé）到合適的數控程（chéng）序。

非線性誤差和奇異性問題

由於旋轉坐標的引入，五軸數（shù）控機床的運動學比（bǐ）三軸機床複雜得多。與旋轉（zhuǎn）相關的第一個問題是非線性誤（wù）差。非線性誤差應該（gāi）屬（shǔ）於編程誤差，可以（yǐ）通過減小步距（jù）來控製。在預（yù）計算階段，程序員無法知道非線性誤差（chà）的大小。後處理器生成機床程序後，才能計（jì）算非線性誤差。刀具軌跡線性化可（kě）以（yǐ）解決這個問題。一些控製係統可以在加工的同時線性化刀（dāo）具軌跡，但它（tā）通常在後處理器中線性化。

旋轉（zhuǎn）軸引起的另一個問題是奇點。如果奇點在轉軸的極限位置，奇點附近（jìn）的一個小（xiǎo）的擺動（dòng）就會導致轉軸翻轉180°，這是相當危險的。

CAD/ CAM係統的要求（qiú）

對於五麵體加工的操作，用戶必須依賴於（yú）成熟的CAD/CAM係統（tǒng），必須有經驗豐富（fù）的程序員來操作（zuò）CAD/CAM係統。