近年來(lái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在各領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，每當(dāng)人們碰見(jiàn)異形復(fù)雜零件高效、高質(zhì)量加工難題時(shí)，五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)無(wú)疑是解決這類(lèi)問(wèn)題的重要手段。越來(lái)越多的廠家傾向于尋找五軸設(shè)備來(lái)滿足高效率、高質(zhì)量的加工。但是，你真的足夠了解五軸加工嗎？
01
五軸機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式
想要真正的了解五軸加工，首先我們要讀懂什么是五軸機(jī)床。五軸機(jī)床（5 Axis Machining），顧名思義，是指在X、Y、Z，三根常見(jiàn)的直線軸上加上兩根旋轉(zhuǎn)軸。A、B、C三軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸具有不同的運(yùn)動(dòng)方式，以滿足各類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)需求。
而在5軸加工中心的機(jī)械設(shè)計(jì)上，機(jī)床制造商始終堅(jiān)持不懈地致力于開(kāi)發(fā)出新的運(yùn)動(dòng)模式，以滿足各種要求。綜合目前市場(chǎng)上各類(lèi)五軸機(jī)床，雖然其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是主要有以下幾種形式：
1. 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)直接控制刀具軸線的方向（雙擺頭形式）。
2. 兩個(gè)坐標(biāo)軸在刀具頂端，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型擺頭式）。
3. 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)直接控制空間的旋轉(zhuǎn)（雙轉(zhuǎn)臺(tái)形式）。
4. 兩個(gè)坐標(biāo)軸在工作臺(tái)上，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型工作臺(tái)式）。
5. 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)一個(gè)作用在刀具上，一個(gè)作用在工件上（一擺一轉(zhuǎn)形式）。
*術(shù)語(yǔ)：如果旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直，則被認(rèn)為是一根“俯垂型”軸。
看過(guò)這些結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，我相信我們應(yīng)該明白了五軸機(jī)床什么在運(yùn)動(dòng)，怎樣運(yùn)動(dòng)?？墒?，這么多樣化的機(jī)床結(jié)構(gòu)，在加工時(shí)究竟能展現(xiàn)出哪些特點(diǎn)呢？與傳統(tǒng)的三軸機(jī)床相比，又有哪些優(yōu)勢(shì)呢？接下來(lái)就讓我們來(lái)看看五軸機(jī)床有哪些發(fā)光點(diǎn)。
02
五軸加工的眾多優(yōu)點(diǎn)
說(shuō)起五軸機(jī)床的特點(diǎn)，就要和傳統(tǒng)的三軸設(shè)備來(lái)比較。生產(chǎn)中三軸加工設(shè)備比較常見(jiàn)，有立式、臥式及龍門(mén)等幾種形式。常見(jiàn)的加工方法有立銑刀端刃加工、側(cè)刃加工。球頭刀的仿形加工等等。但無(wú)論哪種形式和方法都有著一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是在加工過(guò)程中刀軸方向始終保持不變，機(jī)床只能通過(guò)X、Y、Z三個(gè)線性軸的插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具在空間直角坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)。所以，在面對(duì)下面這些產(chǎn)品時(shí)，三軸機(jī)床效率低、加工表面質(zhì)量差甚至無(wú)法加工的弊端就暴露出來(lái)了。
與三軸數(shù)控加工設(shè)備相比，五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 保持刀具最佳切削狀態(tài)，改善切削條件
如上圖，在左圖中三軸切削方式，當(dāng)切削刀具向頂端或工件邊緣移動(dòng)時(shí)，切削狀態(tài)逐漸變差。而要在此處也保持最佳切削狀態(tài)，就需要旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。而如果我們要完整加工一個(gè)不規(guī)則平面，就必須將工作臺(tái)以不同方向旋轉(zhuǎn)多次?？梢钥匆?jiàn)，五軸機(jī)床還可以避免球頭銑刀中心點(diǎn)線速度為0的情況，獲得更好的表面質(zhì)量。
2. 有效避免刀具干涉
如上圖，針對(duì)航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的葉輪、葉片和整體葉盤(pán)等零件，三軸設(shè)備由于干涉原因無(wú)法滿足工藝要求。而五軸機(jī)床就可以滿足。同時(shí)五軸機(jī)床還可以使用更短的刀具進(jìn)行加工，提升系統(tǒng)剛性，減少刀具的數(shù)量，避免了專(zhuān)用刀具的產(chǎn)生。對(duì)于我們的企業(yè)老板來(lái)說(shuō)，意味在刀具成本方面，五軸機(jī)床將會(huì)給您省錢(qián)了！
3. 減少裝夾次數(shù)，一次裝夾完成五面加工
如上圖可以看出五軸加工中心還可以減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。在實(shí)際加工中，只需一次裝夾，加工精度更容易得到保證。同時(shí)五軸加工中心由于過(guò)程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車(chē)間占地面積和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也隨之減少。這意味著您可以用更少的夾具，更少的廠房面積和維護(hù)費(fèi)用，來(lái)完成更高效更高質(zhì)量的加工！
4. 提高加工質(zhì)量和效率
如圖，五軸機(jī)床可以采用刀具側(cè)刃切削，加工效率更高。
5. 縮短生產(chǎn)過(guò)程鏈，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理
五軸數(shù)控機(jī)床的完整加工大大縮短了生產(chǎn)過(guò)程鏈，可以使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡(jiǎn)化。工件越復(fù)雜，它相對(duì)傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢(shì)就越明顯。
6. 縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期
對(duì)于航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的企業(yè)，有的新產(chǎn)品零件及成型模具形狀很復(fù)雜，精度要求也很高，因此具備高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力的五軸數(shù)控加工中心可以很好地解決新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問(wèn)題，大大縮短研發(fā)周期和提高新產(chǎn)品的成功率。
綜上所述，五軸機(jī)床實(shí)在是有太多太多優(yōu)點(diǎn)，但是五軸機(jī)床刀具姿態(tài)控制，數(shù)控系統(tǒng)，CAM編程和后處理都要比三軸機(jī)床復(fù)雜的多！同時(shí)，我們說(shuō)到五軸機(jī)床，就不得不說(shuō)真假五軸的問(wèn)題，我們都知道真假五軸最大的區(qū)別在于RTCP功能，然而何謂RTCP，它是怎么產(chǎn)生的又該如何應(yīng)用？下面我們就結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)和編程后處理來(lái)具體了解一下RTCP，了解他的真正面目。
03
關(guān)于RTCP
RTCP，在高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)里，認(rèn)為RTCP即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說(shuō)的刀尖點(diǎn)跟隨功能。在五軸加工中，追求刀尖點(diǎn)軌跡及刀具與工件間的姿態(tài)時(shí)，由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生刀尖點(diǎn)的附加運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)往往與刀尖點(diǎn)不重合，因此數(shù)控系統(tǒng)要自動(dòng)修正控制點(diǎn)，以保證刀尖點(diǎn)按指令既定軌跡運(yùn)動(dòng)。業(yè)內(nèi)也有將此技術(shù)稱(chēng)為T(mén)CPM、TCPC或者RPCP等功能。其實(shí)這些稱(chēng)呼的功能定義都與RTCP類(lèi)似，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，RTCP功能是用在雙擺頭結(jié)構(gòu)上，是應(yīng)用擺頭旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。而類(lèi)似于RPCP功能主要是應(yīng)用在雙轉(zhuǎn)臺(tái)形式的機(jī)床上，補(bǔ)償?shù)氖怯捎诠ぜD(zhuǎn)所造成的的直線軸坐標(biāo)的變化。其實(shí)這些功能殊途同歸，都是為了保持刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)不變。所以為了表述方便，本文統(tǒng)一此類(lèi)技術(shù)為RTCP技術(shù)。
那么RTCP功能是怎么產(chǎn)生的呢？多年以前，在五軸機(jī)床剛普及市場(chǎng)的時(shí)候，RTCP概念被機(jī)床廠家大肆宣傳。彼時(shí)RTCP功能更像是為技術(shù)而技術(shù)的噱頭，更多人是對(duì)其技術(shù)本身的熱衷和炒作。其實(shí)RTCP功能正好相反，它不光是一項(xiàng)好技術(shù)，更是一項(xiàng)能為客戶帶來(lái)效益和創(chuàng)造價(jià)值的好技術(shù)。擁有RTCP技術(shù)的機(jī)床（也就是國(guó)內(nèi)所說(shuō)的真五軸機(jī)床），操作工不必把工件精確的和轉(zhuǎn)臺(tái)軸心線對(duì)齊，隨便裝夾，機(jī)床自動(dòng)補(bǔ)償偏移，大大減少輔助時(shí)間，同時(shí)提高加工精度。同時(shí)后處理制作簡(jiǎn)單，只要輸出刀尖點(diǎn)坐標(biāo)和矢量就行了。像我們之前說(shuō)的那樣，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，五軸數(shù)控機(jī)床主要有雙擺頭、雙轉(zhuǎn)臺(tái)、一擺一轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)。
下文我們將以雙轉(zhuǎn)臺(tái)高檔五軸數(shù)控系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹一下RTCP功能。
在五軸機(jī)床中定義第四軸和第五軸的概念：在雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)中第四軸的轉(zhuǎn)動(dòng)影響到第五軸的姿態(tài)，第五軸的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)法影響第四軸的姿態(tài)。第五軸為在第四軸上的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
好了，看完定義說(shuō)明我們來(lái)解釋一下。如上圖所示，機(jī)床第4軸為A軸，第5軸為C軸。工件擺放在C軸轉(zhuǎn)臺(tái)上。當(dāng)?shù)?軸A軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)镃軸安裝在A軸上，所以C軸姿態(tài)也會(huì)受到影響。同理，對(duì)于我們放在轉(zhuǎn)臺(tái)上面的工件，如果我們對(duì)刀具中心切削編程的話，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的變化勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致直線軸X、Y、Z坐標(biāo)的變化，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的位移。而為了消除這一段位移，勢(shì)必機(jī)床要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，RTCP就是為了消除這個(gè)補(bǔ)償而產(chǎn)生的功能。
那么機(jī)床如何對(duì)這段偏移進(jìn)行補(bǔ)償呢？接下來(lái)我們就來(lái)分析一下這段偏移是怎么產(chǎn)生的。
根據(jù)前文，我們都知道是由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化導(dǎo)致了直線軸坐標(biāo)的偏移。那么分析旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中心就顯得尤為重要。對(duì)于雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床，C軸也就是第5軸的控制點(diǎn)通常在機(jī)床工作臺(tái)面的回轉(zhuǎn)中心。而第4軸通常選擇第四軸軸線的中點(diǎn)作為控制點(diǎn)。
數(shù)控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)五軸控制，需要知道第5軸控制點(diǎn)與第四軸控制點(diǎn)之間的關(guān)系。即初始狀態(tài)（機(jī)床A、C軸0位置），第四軸控制點(diǎn)為原點(diǎn)的第四軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，第五軸控制點(diǎn)的位置向量[U,V,W]。同時(shí)還需要知道A、C軸軸線之間的距離。對(duì)于雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，舉例如下圖所示。
講到這里，大家可以看出，對(duì)于有RTCP功能的機(jī)床，控制系統(tǒng)為保持刀具中心始終在被編程的位置上。在這種情況下，編程是獨(dú)立的，是與機(jī)床運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的編程。當(dāng)您在機(jī)床上編程時(shí)，不用擔(dān)心機(jī)床運(yùn)動(dòng)和刀具長(zhǎng)度，您所需要考慮的只是刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。余下的工作控制系統(tǒng)將為您完成。舉個(gè)例子：
如上圖，不帶RTCP功能關(guān)的情況下，控制系統(tǒng)不考慮刀具長(zhǎng)度。刀具圍繞軸的中心旋轉(zhuǎn)。刀尖將移出其所在位置，并不再固定。
如上圖，帶RTCP功能開(kāi)的情況下，控制系統(tǒng)只改變刀具方向，刀尖位置仍保持不變。X，Y，Z軸上必要的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)已被自動(dòng)計(jì)算進(jìn)去。
而對(duì)于不具備RTCP的五軸機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)是怎么解決直線軸坐標(biāo)偏移這個(gè)問(wèn)題呢？我們知道現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多五軸數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)都屬于假五軸，所謂假五軸，其實(shí)就是指不帶RTCP功能的機(jī)床。真假五軸，既不是看長(zhǎng)相也不是看五個(gè)軸是否聯(lián)動(dòng)，要知道假五軸也可以做五軸聯(lián)動(dòng)。假五軸的區(qū)別主要在于其沒(méi)有真五軸RTCP算法，也就是說(shuō)假五軸編程需要考慮主軸的擺長(zhǎng)及旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置。這就意味著用假五軸數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床編程時(shí)，必須依靠CAM編程和后處理技術(shù)，事先規(guī)劃好刀路。
同樣一個(gè)零件，機(jī)床換了或者刀具換了，都必須重新進(jìn)行CAM編程和后處理。并且假五軸機(jī)床在裝夾工件時(shí)需要保證工件在其工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心位置，對(duì)操作者來(lái)說(shuō)，這意味著需要大量的裝夾找正時(shí)間，且精度得不到保證。即使是做分度加工，假五軸也麻煩很多。而真五軸只需要設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系，只需要一次對(duì)刀，就可以完成加工。
下圖以NX后處理編輯器設(shè)置為例，說(shuō)明假五軸的坐標(biāo)變換：
如上圖，假五軸是依靠后處理技術(shù)，將機(jī)床第四軸和第五軸中心位置關(guān)系表明，來(lái)補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸對(duì)直線軸坐標(biāo)的位移。其生成的CNC程序X、Y、Z不僅僅是編程趨近點(diǎn)，更是包含了X、Y、Z軸上必要的補(bǔ)償。這樣處理的結(jié)果不僅會(huì)導(dǎo)致加工精度不足，效率低下，所生成的程序不具有通用性，所需人力成本也很高。同時(shí)由于每臺(tái)機(jī)床的回轉(zhuǎn)參數(shù)不同，都要有對(duì)應(yīng)的后處理文件，對(duì)于生產(chǎn)也會(huì)造成極大的不便。再者假五軸其生成程序無(wú)法改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手工五軸編程基本沒(méi)有可能。同時(shí)因?yàn)闆](méi)有RTCP功能，其衍生的眾多五軸高級(jí)功能都無(wú)法使用，比如五軸刀補(bǔ)功能等。其實(shí)對(duì)于五軸機(jī)床來(lái)說(shuō)，它只是我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)加工結(jié)果的工具，并無(wú)真假之分。重要的是我們的工藝決定了選用什么方式加工，相對(duì)而言，真五軸機(jī)床性價(jià)比更高。
