近年來五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在各領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，每當(dāng)人們碰見異形復(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)疑是解決這類問題的重要手段。越來越多的廠家傾向于尋找五軸設(shè)備來滿足高效率、高質(zhì)量的加工。但是，你真的足夠了解五軸加工嗎？
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)。可是，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？接下來就讓我們來看看五軸機(jī)床有哪些發(fā)光點(diǎn)。02
五軸加工的眾多優(yōu)點(diǎn)
說起五軸機(jī)床的特點(diǎn)，就要和傳統(tǒng)的三軸設(shè)備來比較。生產(chǎn)中三軸加工設(shè)備比較常見，有立式、臥式及龍門等幾種形式。常見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)，就是在加工過程中刀軸方向始終保持不變，機(jī)床只能通過X、Y、Z三個(gè)線性軸的插補(bǔ)來實(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。可以看見，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。
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，避免了專用刀具的產(chǎn)生。對(duì)于我們的企業(yè)老板來說，意味在刀具成本方面，五軸機(jī)床將會(huì)給您省錢了！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程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，工裝夾具數(shù)量、車間占地面積和設(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，來完成更高效更高質(zhì)量的加工！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。對(duì)于航空航天、汽車等領(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)過程中復(fù)雜零件加工的精度和周期問題，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)，我們說到五軸機(jī)床，就不得不說真假五軸的問題，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)和編程后處理來具體了解一下RTCP，了解他的真正面目。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)稱為TCPM、TCPC或者RPCP等功能。其實(shí)這些稱呼的功能定義都與RTCP類似，嚴(yán)格意義上來說，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)來進(jìn)行補(bǔ)償。而類似于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，看完定義說明我們來解釋一下。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？接下來我們就來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)別主要在于其沒有真五軸RTCP算法，也就是說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)操作者來說，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有可能。同時(shí)因?yàn)闆]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)床來說，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。
