五軸數控機床的刀具半徑補償與測頭防碰撞的適配性

加工(5 Axis Machining)，顧名思義，數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，五軸加工所采用的機床通常稱（chēng）為五軸機床或五軸加工中心。可是（shì）你真的了（le）解五軸加工嗎？

五軸技術的發展

幾十年來，人們普（pǔ）遍認為五（wǔ）軸數控加工技術（shù）是加工連續、光（guāng）滑、複雜曲麵的唯一手段。一旦人（rén）們在（zài）設計和製造複雜曲（qǔ）麵（miàn）時遇到無法（fǎ）解決的（de）問題，就會求助於五軸加（jiā）工技術。但是...

五軸數控是數控技術中（zhōng）難（nán）度最大、應用（yòng）最廣泛的技術。它集計算機控製、高性（xìng）能伺服驅動和精密加工（gōng）技術於一（yī）體，適用於複雜（zá）曲麵的高效、精密和自動化加工（gōng）。在國際上，五軸數控技術被視為（wéi）一個國（guó）家生產設（shè）備（bèi）自動化技術水平的標誌。由於其（qí）特殊的地位，特別是（shì）對航空、航天和軍（jun1）工行業的重要影（yǐng）響，以（yǐ）及（jí）其技術的複雜性，西方發達國家一直將五軸數控係統作為戰略物資（zī）實行出口許可證製度。

與三軸數控加工相比，從技術和編程的角度來看（kàn），采用五軸數控加工複雜曲麵（miàn）具有以（yǐ）下優點:

1)提高（gāo）加工（gōng）質量和效率。

2)擴大流程範圍

3)符合複合型發展的新方向。

從Fidia的RTCP字麵意思來看，假設手動定點執行RTCP函數，刀具（jù）中心點和刀具與工件表麵（miàn）的實際接觸點（diǎn）將保持不變。此時刀具中心點（diǎn）落在刀具與工件表麵實際接觸（chù）點的法線上，刀（dāo）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。

為了達到在執行（háng）RTCP函數時，刀架（jià）可以簡單地繞目標軌跡點(即刀具中心點)旋轉的目的，需要實時補償刀架旋轉引起的刀具中心點直線坐標的偏差， 從而在保（bǎo）持刀具中心點（diǎn）和（hé）刀具與工件表麵的實際接觸（chù）點不（bú）變（biàn）的同時，改變刀架（jià）與刀具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最佳切削效（xiào）率，有效避免幹涉。 所以RTCP似乎更多的是在刀（dāo）具的中心(也就是NC代碼的目標軌跡點（diǎn）)來處理（lǐ）旋轉坐標的（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（zhì）處理，刀具軌跡必須事先規劃好。對於同一（yī）個零件，如果換機床或者換刀具，都要重新編程和後置處理，所以隻能叫假（jiǎ）五軸。

目前，五軸數控機床（chuáng）的形式

在五軸加工中心的（de）機械設計中，機床（chuáng）製（zhì）造商一直致力於開發新的運動模式以滿（mǎn）足各種要（yào）求。總結目前市場上的各種五軸機床，雖然機（jī）械結構多種多（duō）樣（yàng），但主要有以下（xià）幾種（zhǒng）形式:

兩個旋轉坐標直接控（kòng）製刀具軸的方向(雙擺頭形式)

兩個坐標軸在工具的頂部，

但是旋轉軸不垂直於線性軸(擺式)

兩個旋轉坐標直接控製空間的旋轉(雙轉盤（pán）形式（shì）)

兩個坐標軸在工作台上，

但是旋轉軸（zhóu）不垂直於直線軸(擺動工作台（tái）)

兩個旋轉坐（zuò）標，一個（gè）作用在刀具（jù）上，一個作用在工件上(一擺一轉形式)。

看過這幾台五軸機床，相信大（dà）家應（yīng）該明白五軸機床在（zài）動什麽，怎麽動的。

發展五軸（zhóu）數控技術的困難和阻力

大家早就（jiù）認識（shí）到五軸數控技術的優越性和重（chóng）要性。但到目前為止，五軸數控技（jì）術的應用仍（réng）然局限於（yú）少數資金雄厚的部門（mén），仍（réng）然存在尚未解決的問題。

五軸數控編程比較抽象（xiàng），難以操作。

這是每個傳統數控程序員都很頭疼的（de）問題。三軸機床隻有直（zhí）線坐標軸（zhóu），五軸數控機床有多種結（jié）構形式；相（xiàng）同的NC代碼在不同的三軸數控機床上可以（yǐ）獲得相同的加工效果，但某一（yī）台五軸機床的NC代碼並不能適用於所有（yǒu）類型的五軸機床（chuáng）。數控編程除了直（zhí）線運動外，還要協調旋轉（zhuǎn）運動的相關計算，如旋轉角度和行程檢查、非線性（xìng）誤差檢查、刀具旋轉運動計算等。，它處理大量的信息，非常抽象。

五軸數控加（jiā）工的操作與編程技巧密切相關。如果用（yòng）戶給機（jī）床增加特殊功能，編程（chéng）和操作會更加複雜。程序員和操作（zuò）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，操作人員缺乏是五軸數控技術普及的一大障礙。

對數控插補（bǔ）控製（zhì）器和伺服驅動係統的要求非常嚴格（gé）。

五軸機床的運動是（shì）五個坐標軸的合成。旋轉坐標的加入，不僅（jǐn）增加了插補運算的負擔，而且由於旋轉坐標的微小誤差，使加工精度大大降低。因此，要求控（kòng）製器具有更高的運算精度。

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

五軸數控（kòng）的（de）數控程序檢查（chá）尤為重要。

為了提高加工效率（lǜ），迫切（qiē）需（xū）要淘（táo）汰傳統的“試切法”驗證方法。在五軸數（shù）控加工中，數控程序的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昂貴，碰撞是五軸數控加工中（zhōng）常見（jiàn）的問題:刀具切入工件；刀具以非常高的速度與工（gōng）件碰撞；刀具在加工範圍內與機床、夾具等設備發生碰撞；機床上（shàng）的運動部件與固定部件或（huò）工件發生碰撞。在五軸數控中，碰撞是很難預測的，因（yīn）此標定程序必須綜合分（fèn）析機床的運動學和（hé）控製（zhì）係統。

如果CAM係統檢測到錯（cuò）誤，刀具路徑可以立即（jí）處理。但是，如果在加工過程中發現NC程序錯誤，則不能像在三（sān）軸NC中那樣直接修改刀具路徑。在三軸機床上，機（jī）床操作者可以直（zhí）接修改刀具半徑等參（cān）數。在五軸加工中，情況就沒那麽（me）簡單了，因為刀具尺寸和位置的變化對（duì）後續的（de）旋（xuán）轉軌（guǐ）跡有直接的影響。

刀具半徑（jìng）補償

在五軸數控程序中，刀具長度（dù）補償功能（néng）仍然有效，但刀具半徑補償無效。使用圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需（xū）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無法完成（chéng）刀具半（bàn）徑補償，因為ISO文件沒有提供足夠的數據（jù）來重新計算刀具位置。在數控加工過程中，用戶需要經常更換刀具或調整刀具的精確尺寸。按照正常的（de）加工程序，刀（dāo）具（jù）軌跡要送回CAM係統（tǒng）重新（xīn）計算。導致整個加工過程的（de）效率非常低。

為了解決這個問題，挪威（wēi）研究人員正在開發一種（zhǒng）叫（jiào）做LCOPS(低成本優化生產策略)的臨時解決方（fāng）案。刀具（jù）軌跡修正所需（xū）的（de）數據由CNC應（yīng）用程序發送給CAM係統，計算出的刀具軌跡直接發送給控製器。LCOPS需要第三方（fāng）提供CAM軟件，可以直接連接數控機床，傳輸CAM係統文件，而不是ISO代碼。這一問題的最終解決有賴於新一代CNC控製係統的推出（chū），它能識別工件模型（xíng）文件(如STEP等。)或通用格式的CAD係統文件。

後置（zhì）處理程序

五軸機床和三（sān）軸機床的區別在於，它也（yě）有兩個旋轉坐標，刀（dāo）具位置從（cóng）工件坐（zuò）標係變化到機床坐（zuò）標係，中間有幾次坐標變換（huàn）。利用市場上流行的後置處理器生成器，隻需（xū）輸入機床的基本參數，即可生成三軸數控機床的後置處（chù）理器。對於五軸數控機床，隻有一些改進的後置處理器。五軸數控機床的（de）後置處（chù）理器需要進一步開發。

三（sān）軸聯動時，刀（dāo）具軌跡中不需（xū）要考慮工件（jiàn）在機床工作台（tái）上的原點位置，後處理器可以自動處理工件坐標係和機床坐標係的關係。對於（yú）五軸聯動，例（lì）如在X、Y、Z、B、C五軸聯（lián）動（dòng）的臥式銑床上加工時，生成刀具軌跡時必須考慮工件在C轉盤上的位置（zhì）尺寸和B、C轉盤之間的位置尺寸。工人在夾（jiá）緊（jǐn）工件（jiàn）時，通常要花很多時間來處理這些（xiē）位置關係。如果後處（chù）理器能夠處理（lǐ）這些數據，工件的安裝和刀具（jù）軌跡的加工將大大（dà）簡化；隻需將工件夾在（zài）工作台上，測量工件坐（zuò）標係的位置和方（fāng）向，將這些數據輸入後處理器，對刀具軌跡進（jìn）行後處理，得到合（hé）適的數控程序。

非線性誤差和奇異性問題

由於旋轉坐標的（de）引入，五軸數控機床的（de）運動學比三軸機床複雜得多。與旋（xuán）轉相關的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差屬於編程誤差，可以通過減小步（bù）長來控製。在預計算階段，程序員無法知道非線性誤（wù）差的大小，非線性誤差隻（zhī）能在後處理器生成機（jī）床程序後才能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問（wèn）題。一些控製係統可（kě）以在加（jiā）工時線性化刀具軌跡，但通常是在後處理器（qì）中（zhōng）線性化。

轉（zhuǎn）軸引（yǐn）起的另一個問題是奇（qí）點。如果奇點（diǎn）在轉軸的極限位置，奇點附近的小振蕩會（huì）導致轉軸轉動180°，這是相（xiàng）當危險（xiǎn）的。

對CAD/ CAM係統的要求

對於五麵體加（jiā）工（gōng）的操作，用戶必須使用成熟的CAD/CAM係統，並有經驗豐富的程序員來操（cāo）作CAD/CAM係統（tǒng）。

大量投資購買機床。以前（qián）五軸機床（chuáng）和三軸機床價格差（chà）距很大。現在（zài）一（yī）個帶轉軸的（de）三軸機床基本就是普通三軸機床的（de）價格，可以實現多軸機床的功能。同時，五軸機床的價格隻比三軸機床高30% ~ 50%。

除了機床本身的（de）投資，還必須對CAD/CAM係統軟件和後置處理器進行升級，以滿足五軸加工（gōng）的要求。校準程序必須升級以模擬整個機床。

五軸加工機床的未來智能化趨勢

智能設備的控製方式和人機界麵（miàn）將發生巨大變化。隨（suí）著WiFi寬（kuān）帶、藍牙短距離通（tōng）信等網絡性能的提升，平板電腦、手機、可穿戴設備等基（jī）於網絡的移動控製方式將（jiāng）會越來越普及（jí）。觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界麵將逐漸取（qǔ）代按鈕、開關、鼠標和鍵盤。人們尤其是（shì）年輕人（rén）已經習慣了智能電子消（xiāo）費產品的操作方式，可以快速反應，切換屏幕和上傳或下載數（shù）據，大大（dà）豐富了人機交互的內容，明顯降低了誤操作（zuò）率。

值得一提的是，蘇（sū）州黄片91測量設備有限公司自主研產的數控（kòng）自動（dòng）化高精度在機測量測頭除了具備自動化高精度測量功能外，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導致機床（chuáng），工件（jiàn）或測量設（shè）備損壞，在測頭與刀（dāo）柄之（zhī）間黄片91增加了防碰撞模（mó）塊，當測頭發（fā）生碰撞時，係統會自動停止當前測量動作，並出現報警（jǐng）提示，在重新校準後可以繼續正常使用（yòng）。主軸（zhóu）長時間加工後會產生熱伸長，這時普通測量工（gōng）序就會出（chū）現測量誤差，黄片91測頭單元具有隔熱（rè）功能，可以有效減少主軸熱伸長，同時將誤差累積在測量過（guò）程中，減少撞機（jī）幾（jǐ）率。同時，測頭在移動過（guò）程中觸碰到（dào）障礙物也會產生報警，保護探針碰撞。

防碰撞（zhuàng）技巧：開始運行（háng）階段把快（kuài）速倍率設置的慢些；經常性檢查車床限位（wèi），確認（rèn）檔塊是否在正（zhèng）確（què）位置，是否（fǒu）鬆動；程序輸入完成後，需仔細檢查是否存在錯誤，避免坐標數字輸入錯誤（wù）；程序編好後應該先進行單（dān）股調試；正確對刀並設置好刀補，試切對刀時注意對刀使用（yòng）的Z向零（líng）點與（yǔ）編程一致；調試（shì）過（guò）程中隨時注意當前絕對坐標值（zhí）及下一程序段的終點坐標位置，確定刀具移動（dòng）的距離及（jí）工件位置之間的距離進行判斷是否會導致碰撞（zhuàng）。