五軸（zhóu）加工技術的發展與定（dìng）位誤差刀具（jù）半徑補償原理（lǐ）

加工(5軸（zhóu）加工（gōng）)，顧名思（sī）義，是數控機床加工的一種模式。具（jù）有X、Y、Z、A、B、C任意五個坐標的（de）直線插補運動（dòng），用於五軸加工的機（jī）床通常（cháng）稱為五軸機床或五軸加工中心。但是你真的了解五軸加工嗎？

五軸技術的發展

幾十年來，人（rén）們普（pǔ）遍認為五軸數（shù）控加（jiā）工技術是加工連續、光滑（huá）、複雜曲（qǔ）麵的必由之路。一旦人（rén）們在設計製造複雜曲麵時遇到無法（fǎ）解決的問題，就會轉向五軸（zhóu）加工技（jì）術。但（dàn）是...

五軸數控是（shì）難度最大、應用最廣泛（fàn）的數控技術。它集計算機控製、高性能伺服（fú）驅動和精密加工技術於（yú）一體，適用於複雜曲麵的高效、精密和自動化（huà）加工。在國際上，五軸數（shù）控（kòng）技術被視為（wéi）一個國家（jiā）生產設備自動化技術水平的標誌。由於其特（tè）殊的地位，特別是對航空、航（háng）天和軍事工業的重要影響，以及其（qí）技術的複雜性，西方工業發達國家一直將五軸數控係（xì）統作（zuò）為戰略物資實行（háng）出口許可證製度。

與三軸數控加（jiā）工相比，從工藝（yì）和編（biān）程角度來看（kàn），複雜曲麵的五軸（zhóu）數控加工具有以（yǐ）下優勢:

1)提高加工質量和效率。

2)擴大流程範圍。

3)符合複合型發展的新方向。

但由於加工空間中的幹涉和刀位控製，五軸數控加工（gōng）的數（shù）控編程、數控係統和機床結構（gòu）都比三軸機床複雜得多。所以，五軸說起來容易（yì），實現起來真的很（hěn）難！除此之外，操作和使用好它的難度更大！

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

RTCP解釋說，Fidia的RTCP是“旋轉工具中心點”的縮寫，字麵意思是“旋轉工具中心”。在業內往（wǎng）往略逃為“繞著刀具中心轉”，也有人直譯為“回轉式刀具中心（xīn）編程”。事實上，這隻是RTCP的結果。PA的RTCP是“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為TCPM，“工具中心點管理”的（de）縮寫，工具中心點管理。其他製造商稱類似的技術為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（miàn）意（yì）思（sī）來看，假設手動執行RTCP函數，刀具中心點和刀具與工件表麵的實際接（jiē）觸點（diǎn）將保持不變。此時刀具中心點落在刀具與（yǔ）工件表麵實際接觸點的法線上，刀（dāo）柄會繞刀具中心點旋轉（zhuǎn）。對於球頭銑刀，刀（dāo）具中心點是（shì）NC代碼的（de）目（mù）標軌跡點。

為了達到在執行RTCP功能時，刀架可（kě）以簡（jiǎn）單地繞目標軌跡點(即刀具（jù）中心點)旋轉的目的，需（xū）要實時補償刀架旋轉引起的刀具中心（xīn）點各直線（xiàn）坐標的偏移， 從而（ér）在保持刀具中心點和刀具與工件（jiàn）表麵（miàn）的實際接觸點不變的情況下，改變刀柄與刀具（jù）與工（gōng）件表麵的實際接觸（chù）點處的法（fǎ）線之（zhī）間的（de）角度，發揮球頭銑刀的最佳切削效率，並有效避免幹涉（shè）。 所以RTCP似（sì）乎更多的站在刀（dāo）具的中心點(也就是NC代碼的目標軌跡點)上，處理旋轉坐標的（de）變化。

沒有RTCP的五（wǔ）軸機床和數控係統必須依靠CAM編程（chéng）和後置處理，刀具軌跡必須事先規（guī）劃好。如果換了同（tóng）一個零件（jiàn），必須重新進行CAM編程和後置處理（lǐ），所以隻能叫假五軸。國內很多五（wǔ）軸數控機床（chuáng）和係統都屬於這（zhè）種假五軸。當然，人們堅持自稱五軸聯動也無可厚非，但這個(假)五軸並（bìng）不是另一個(真)五軸！

因此，邊肖也（yě）谘詢了業內專（zhuān）家。簡而言之（zhī），真五軸是五軸五聯動，假（jiǎ）五軸可能是五軸三聯動，另外兩軸（zhóu）隻起定位作（zuò）用！

這是通俗說法，不是標準說法。一般來（lái）說，五軸機床有兩種:一種是五（wǔ）軸聯動，即所有五軸可以同時聯（lián）動，另一種是五軸定位加工，實際（jì）上是五軸三聯動（dòng）:即兩個旋轉軸旋轉定（dìng）位，同時隻能聯動三個軸。這種俗稱的3+2模式五軸機床也可以理解為偽五軸。

目前，五軸數控（kòng）機（jī）床的形式

在五軸加工（gōng）中（zhōng）心的機械設計（jì）中，機床製造商一直在不（bú）懈（xiè）地努力（lì）開發新的運動（dòng）模式以滿足各種要求。

發展五軸（zhóu）數控技（jì）術（shù）的困難和阻力

大家早就認識到五軸數控技術的優越性和重要（yào）性。但到目前為止，五軸數控技術的應用（yòng）仍然局限於少數資（zī）金雄厚的部門，仍然（rán）存在未解決的問題。

五軸數控編程比較抽象，難以操作。

這是每個傳統數控程序員都很頭疼的問題。三軸機床隻有直（zhí）線坐標軸，五軸數控（kòng）機床有多種結構（gòu）形式；相同的NC代碼在不同的三軸數控機（jī）床（chuáng）上（shàng）可以達到相同的加工（gōng）效果，但某一台五軸機（jī）床的NC代碼並不能（néng）適用於所（suǒ）有類型的五軸機床。數控（kòng）編程除（chú）了直線運動外，還需要協調旋轉運動的（de）相關計算，如旋轉（zhuǎn）角度和行程的檢查、非線（xiàn）性誤差（chà）檢查、刀具旋轉運動的計算等。處（chù）理的信息量非常大，所（suǒ）以數控編程極其抽（chōu）象。

五軸數控加工的操作和編程技巧密切相關。如果用戶給機（jī）床增加特殊功能（néng），編程和（hé）操（cāo）作會更加複雜。程序員（yuán）和操作人員隻有通過反複實踐，才能掌握必要的知識和（hé）技能。編程經驗豐富，操作人員缺乏是（shì）五軸（zhóu）數（shù）控技術普及的一大障礙。

國內很多廠家都從國外購買了五軸數控機床。由於技術培訓和服務不（bú）足，五軸數控機床的固有功能難（nán）以實現，機床利用率很（hěn）低。在很多場合，最好（hǎo）采用三軸機床。

對數控（kòng）插補控（kòng）製器（qì）和伺（sì）服驅動係（xì）統的要求非常嚴格。

五軸機床的運動是（shì）五個坐標軸（zhóu）運動的合成。旋轉坐標的加入不（bú）僅增（zēng）加了（le）插補的負擔，而且由於旋轉坐標的（de）微小（xiǎo）誤差，還（hái）會大大降低加工精度。因此，要求控製器具有更（gèng）高的精度。

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

五軸數控的數控程序驗證尤為重要（yào）。

為了提高加工效率，迫切（qiē）需（xū）要淘汰傳統的“試切法”驗證方法。在五軸數控加工中，數控程序的驗證變得非常重要，因為五軸數控（kòng）機床通常加（jiā）工的工（gōng）件非常昂貴，而碰撞是五（wǔ）軸（zhóu）數控加工中常（cháng）見的問題:刀具切入工件；刀具以非常高的速度與工件碰撞；刀具在加（jiā）工範圍內碰撞機（jī）床、夾具等設備；機床上（shàng）的（de）運動部件與固定部件或工件發生碰撞。在五軸（zhóu）數控中，碰撞是很難預測的，所以驗證程序必（bì）須綜合分析（xī）機（jī）床（chuáng）的（de）運動學（xué）和控製係統。

如果（guǒ）CAM係統檢測到錯誤，它可以立即處理（lǐ）刀具路徑；但是（shì），如果在加工過程中發現NC程序錯（cuò）誤，則不能像三（sān）軸NC那樣直（zhí）接修（xiū）改刀具軌跡。在三軸機床上，機床操作（zuò）員可以（yǐ）直接修改刀具半（bàn）徑等參數。但（dàn）是在五軸加工中，情況就沒那（nà）麽簡單了，因為刀（dāo）具尺（chǐ）寸和位置的變化對後續的旋轉軌跡有直接的影響。

刀具半徑補償

在五軸數控程序中，刀具長度補償功能仍然有效，但刀具半徑補償（cháng）無效。使用圓柱銑（xǐ）刀進行接觸成形銑削時，需要針對不同直徑的刀具編製不同的程序。目前流行的數控係統不能完成刀具（jù）半徑補償，因為ISO文件沒有提供足夠的（de）數據來重新計算刀具位（wèi）置。在數控加工過程中，用戶需要經常更換刀具或調整刀具的（de）精確尺寸。按照正常的加工程（chéng）序，刀具軌跡要送回CAM係統重新（xīn）計算。因此整個（gè）處理過程的效率非常（cháng）低。

為了解決這個問題，挪威研究人員正在開發（fā）一種叫做LCOPS(低成本優化生產策略)的臨時解決方案。刀具軌（guǐ）跡修（xiū）正所需的數據（jù）由CNC應用（yòng）程序發送給CAM係統，計算出的刀具軌跡直接發（fā）送（sòng）給（gěi）控製器。LCOPS需要（yào）第三方提供CAM軟件，可以（yǐ）直接連接（jiē）數控機床，期間傳輸的是CAM係統文件，而不是（shì）ISO代碼。這個問題的最終解決有賴於新一代數控係統的推出，它能識別常（cháng）見格式的（de）工件模型文件(如STEP等。)或CAD係統文件。

後置處理程序

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

在三軸聯（lián）動中，刀具（jù）軌跡中不需要考慮（lǜ）工件原點在（zài）機床工作台（tái）上的位置，後處理器可以自動處（chù）理工件坐標係和機（jī）床坐標係之間的關係。對於五軸聯動，例如在X、Y、Z、B、C五軸的臥式銑床上加工時，生成刀（dāo）具軌跡時必須（xū）考慮（lǜ）工件在C轉盤上（shàng）的位置尺（chǐ）寸和B、C轉盤之間的位置尺寸。工（gōng）人在夾緊工件時，通（tōng）常要花很多時間來處理這些（xiē）位置關係。如果後處理器（qì）能夠處理這些數據，工件的（de）安裝和刀具軌跡的加（jiā）工將大大簡化（huà）；隻需將工件夾在工作台上，測量工件（jiàn）坐標係的位置和方向，將這些（xiē）數據輸入到後處理器中（zhōng），對刀具軌（guǐ）跡進行後處理，得到合適的數控程序。

非線性誤差和奇異性問（wèn）題

由（yóu）於旋轉坐標的引入，五軸數控機床的運動學比三軸機床複雜（zá）得多。與旋（xuán）轉（zhuǎn）相關的第一個（gè）問題是非線性誤差。非線性誤差應該屬於編程誤差（chà），可（kě）以通（tōng）過減小步距來控製。在預計算階段，程序員（yuán）無法知道非線（xiàn）性誤（wù）差的大小。後處理（lǐ）器生成機床程序後，才能（néng）計算非線性（xìng）誤差（chà）。刀具軌跡線性化（huà）可以解（jiě）決這個問題。一些控製係統可以在加工（gōng）的同時線性化刀具軌跡，但它（tā）通常在後處理器（qì）中線性化。

旋轉軸引起的（de）另一個問題是奇點。如（rú）果奇（qí）點在轉軸的極限位置，奇點附近的一個小的擺動就會導致轉（zhuǎn）軸翻轉180°，這是相當危險的。

CAD/ CAM係統的要求

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