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[原创] DIY CNC雕刻机(四)—— 你真的了解五轴加工吗?

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发表于 2017-8-4 14:05:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
五轴加工(5 Axis Machining),顾名思义,数控机床加工的一种模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动,五轴加工所采用的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。可是你真的了解五轴加工吗?

TIM截图20170804140430.png

五轴技术的发展

几十年来, 人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的唯一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题, 就会求诸五轴加工技术。但是.....

五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术, 它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体, 应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位,特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响, 以及技术上的复杂性, 西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度, 对我国实行禁运, 限制我国国防、军事工业发展。

上次金属加工小编发的关于“东芝机床事件”就是基于这个封锁制度!


与三轴联动的数控加工相比, 从工艺和编程的角度来看, 对复杂曲面采用五轴数控加工有以下优点:

 (1)提高加工质量和效率
 (2)扩大工艺范围
 (3)满足复合化发展新方向

但是,哈哈,又但是了。。。五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制,其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。所以,五轴说起来容易,真实实现真的很难!另外要操作运用好真的更难!

说到五轴,真的不得不说一说真假五轴?小编前段时间发布了一个“假五轴or真五轴?与三轴有什么区别呢?”的文章,其实文章中主要讲述了真假5轴的区别主要在于是否有RTCP功能,为此,小编专门去查找了这个词!

RTCP,解释一下,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的缩写,字面意思是“旋转刀具中心”,业内往往会稍加转义为“围绕刀具中心转”,也有一些人直译为“旋转刀具中心编程”,其实这只是RTCP的结果。PA的RTCP则是“Real-time Tool Center Point rotation”前几个单词的缩写。海德汉则将类似的所谓升级技术称为TCPM,即“Tool Centre Point Management”的缩写,刀具中心点管理。还有的厂家则称类似技术为TCPC,即“Tool Center Point Control”的缩写,刀具中心点控制。

从Fidia的RTCP的字面含义看,假设以手动方式定点执行RTCP功能,刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点将维持不变,此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点处的法线上,而刀柄将围绕刀具中心点旋转,对于球头刀而言,刀具中心点就是数控代码的目标轨迹点。为了达到让刀柄在执行RTCP功能时能够单纯地围绕目标轨迹点(即刀具中心点)旋转的目的,就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移,这样才能够在保持刀具中心点以及刀具和工件表面实际实际接触点不变的情况,改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线之间的夹角,起到发挥球头刀的最佳切削效率,并有效避让干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心点(即数控代码的目标轨迹点)上,处理旋转坐标的变化。

      不具备RTCP的五轴机床和数控系统必须依靠CAM编程和后处理,事先规划好刀路,同样一个零件,机床换了,或者刀具换了,就必须重新进行CAM编程和后处理,因而只能被称作假五轴,国内很多五轴数控机床和系统都属于这类假五轴。当然了,人家硬撑着把自己称作是五轴联动也无可厚非,但此(假)五轴并非彼(真)五轴!

小编因此也咨询了行业的专家,简而言之,真五轴即五轴五联动,假五轴有可能是五轴三联动,另外两轴只起到定位功能!

这是通俗的说法,并不是规范的说法,一般说来,五轴机床分两种:一种是五轴联动,即五个轴都可以同时联动,另外一种是五轴定位加工,实际上是五轴三联动:即两个旋转轴旋转定位,只有3个轴可以同时联动加工,这种俗称3+2模式的五轴机床,也可以理解为假五轴。

怎样?关于真假五轴的情况您了解了吗?有新的说法,欢迎留言探讨!

本次对于RTCP功能也没有进行详尽的描述,如果你对这方面感兴趣,小编决定下次多收集一些这方面的资料,给您解答!需要的话欢迎留言!


发展五轴数控技术的难点及阻力

大家早已认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止, 五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门, 并且仍然存在尚未解决的难题。

下面小编收集了一些难点和阻力,看是否跟您的情况对应?


1.五轴数控编程抽象、操作困难
这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴, 而五轴数控机床结构形式多样;同一段NC 代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果, 但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外, 还要协调旋转运动的相关计算, 如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等, 处理的信息量很大, 数控编程极其抽象。

五轴数控加工的操作和编程技能密切相关, 如果用户为机床增添了特殊功能, 则编程和操作会更复杂。只有反复实践, 编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏, 是五轴数控技术普及的一大阻力。

国内许多厂家从国外购买了五轴数控机床, 由于技术培训和服务不到位, 五轴数控机床固有功能很难实现, 机床利用率很低, 很多场合还不如采用三轴机床。


2.对NC 插补控制器、伺服驱动系统要求十分严格
五轴机床的运动是五个坐标轴运动的合成。旋转坐标的加入, 不但加重了插补运算的负担, 而且旋转坐标的微小误差就会大幅度降低加工精度。因此要求控制器有更高的运算精度。

五轴机床的运动特性要求伺服驱动系统有很好的动态特性和较大的调速范围。


3.五轴数控的NC 程序校验尤为重要
要提高机械加工效率,迫切要求淘汰传统的“试切法”校验方式 。在五轴数控加工当中,NC 程序的校验工作也变得十分重要, 因为通常采用五轴数控机床加工的工件价格十分昂贵, 而且碰撞是五轴数控加工中的常见问题:刀具切入工件;刀具以极高的速度碰撞到工件;刀具和机床、夹具及其他加工范围内的设备相碰撞;机床上的移动件和固定件或工件相碰撞。五轴数控中,碰撞很难预测,校验程序必须对机床运动学及控制系统进行综合分析。

如果CAM 系统检测到错误, 可以立即对刀具轨迹进行处理;但如果在加工过程中发现NC 程序错误,不能像在三轴数控中那样直接对刀具轨迹进行修改。在
三轴机床上, 机床操作者可以直接对刀具半径等参数进行修改。而在五轴加工中, 情况就不那么简单了,因为刀具尺寸和位置的变化对后续旋转运动轨迹有直接影响。

4.刀具半径补偿
在五轴联动NC 程序中, 刀具长度补偿功能仍然有效, 而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时, 需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC 系统均无法完成刀具半径补偿,因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸, 按照正常的处理程序, 刀具轨迹应送回CAM 系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。

针对这个问题, 挪威研究人员正在开发一种临时解决方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最优生产策略)。刀具轨迹修正所需数据由CNC 应用程序输送到CAM 系统, 并将计算所得刀具轨迹直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 软件, 能够直接连接到CNC 机床, 其间传送的是CAM 系统文件而不是ISO 代码。对这个问题的最终解决方案, 有赖于引入新一代CNC 控制系统, 该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系统文件。

5.后置处理器
五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标, 刀具位置从工件坐标系向机床坐标系转换, 中间要经过几次坐标变换。利用市场上流行的后置处理器生成器, 只需输入机床的基本参数, 就能够产生三轴数控机床的后置处理器。而针对五轴数控机床, 目前只有一些经过改良的后置处理器。五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。

三轴联动时, 刀具的轨迹中不必考虑工件原点在机床工作台的位置, 后置处理器能够自动处理工件坐标系和机床坐标系的关系。对于五轴联动, 例如在XYZBC 五轴联动的卧式铣床上加工时, 工件在C 转台上位置尺寸以及B 、C 转台相互之间的位置尺寸, 产生刀具轨迹时都必须加以考虑。工人通常在装夹工件时要耗费大量时间来处理这些位置关系。如果后置处理器能处理这些数据, 工件的安装和刀具轨迹的处理都会大大简化:只需将工件装夹在工作台上, 测量工件坐标系的位置和方向, 将这些数据输入到后置处理器, 对刀具轨迹进行后置处理即可得到适当的NC 程序。


6.非线性误差和奇异性问题
由于旋转坐标的引入, 五轴数控机床的运动学比三轴机床要复杂得多。和旋转有关的第一个问题是非线性误差。非线性误差应归属于编程误差, 可以通过缩小步距加以控制。在前置计算阶段, 编程者无法得知非线性误差的大小, 只有通过后置处理器生成机床程序后, 非线性误差才有可能计算出来。刀具轨迹线性化可以解决这个问题。有些控制系统能够在加工的同时对刀具轨迹进行线性化处理, 但通常是在后置处理器中进行线性化处理。

旋转轴引起的另一个问题是奇异性。如果奇异点处在旋转轴的极限位置处, 则在奇异点附近若有很小振荡都会导致旋转轴的180°翻转, 这种情况相当危险。

7.对CAD/ CAM系统的要求
对五面体加工的操作, 用户必须借助于成熟的CAD/CAM 系统, 并且必须要有经验丰富的编程人员来对CAD/CAM 系统进行操作。

8.购置机床的大量投资
以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在, 三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格, 这种机床可以实现多轴机床的功能。同时, 五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30 %~ 50 %。

除了机床本身的投资之外, 还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级, 使之适应五轴加工的要求;必须对校验程序进行升级, 使之能够对整个机床进行仿真处理。





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 楼主| 发表于 2017-8-4 14:06:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 通宵敲代码 于 2017-8-4 14:09 编辑

国内外典型的五轴加工中心
下面小编为您介绍几款国内外典型的五轴加工中心:


1. 哈默C52加工中心
  德国哈默(Hermle)公司的C52加工中心是摇篮式双摆工作台五轴加工机床,适用于航空航天、模具制造、能源和半导体工业,其外观和主要技术规格如图所示。

TIM截图20170804140756.png
哈默C52加工中心

  从图中可见,摇篮式双摆工作台采用纵向布局,回转工作台直径为f 1 000mm,由力矩电动机直接驱动,结构紧凑,最高转速为500r/min。摇篮采用伺服电动机和无背隙齿轮传动,摆动范围为+100°/-130°,可以进行五轴联动的立/卧式车削加工或五轴联动铣削加工和5面铣削加工。车削时工作台最大载荷为1 000kg,铣削时工作台最大载荷为2 000kg,可以从机床上方装卸较重的大型工件。

  为了提高机床的动态性能,哈默公司研发了独特的总体结构配置:移动部件轻量化。框架式主轴十字滑座在高台式床身的顶部,完成X-Y方向移动,主轴滑枕作Z轴垂直方向移动,采用盘式刀库,如图所示。

TIM截图20170804140747.png
哈默C52加工中心的总体结构配置
1.线性导轨 2.刀库 3.滚珠丝杠 4.伺服驱动 5.双摆工作台

  从图中可见,主轴下层滑座由安装在床身左右两侧壁上的伺服电动机和滚珠丝杠沿3根线性导轨移动,以实现重心驱动,避免移动过程的偏斜,提高了机床的工作精度。

  哈默C52加工中心在车铣复合加工时采用海德汉640数控系统,包括提高动态效率的主动颤振控制、自适应进给控制和提高动态加工精度的主动振动阻尼、载荷自适应控制等智能模块。

  2. 西田YMC430-II精密加工中心
  日本西田(Yasda)公司的YMC430-II精密加工中心主要用于加工微小的高精度零件,在结构设计上特别注意提高刚度和减少热变形的影响,其总体结构配置如图所示。


TIM截图20170804140737.png
西田YMC430-II精密加工中心的总体结构配置


  从图中可见,横截面呈H形的、左右前后4个方向都对称和断面系数大的整体龙门式双立柱,保证了机床结构的高刚度、高精度和热稳定性。主轴滑座和主轴部件位于H形立柱的正前方,具有重量平衡系统,以保证Z轴移动的精度,结构对称,基本上抵消热变形所引起的刀具中心点相对工作台的偏移量。

  YMC430-I I加工中心的X、Y、Z轴皆由相互对称配置2个直线电动机驱动,行程范围分别为420mm、300mm和250mm,快速进给20m/min,采用高刚度和高精度的线性导轨(小直径滚珠、8滚道循环、加长型滑块)导向,以提高移动精度和刚性,简化机械结构,避免反向背隙,保证机床的动态性能。

  主轴转速范围2 0 0 ~ 4 0 0r/min,在主轴滑座下方配置有盘式刀库,标配容量32把刀,刀具最大直径f 50mm,刀具最大长度120mm,刀具最大重量500g。

  该 机 床 的 平 移 工 作 台 面 积为600mm×350mm,其上安装R10型双摆工作台,B轴摆动范围-10°/+100°,C轴360°回转,从而构成五轴联动加工机床,最大加工直径250mm。主轴的定位精度在全行程范围内的实际测量值分别为0.508μm、0.356μm和0.316μm,X-Y运动轴的圆度为0.60μm。B、C回转轴的双向定位精度分别为0.95sec和1.19sec。在加工圆锥表面时圆度为1.24μm,皆明显高于同类机床。

  完善的热管理系统是YMC430-I I机床的最大特点之一,是保证机床高精度的关键。机床的冷却部位循环原理如图所示。

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西田YMC430-II的冷却部位和循环系统

  从图中可见,机床在6个部位配置循环液冷却系统:①立柱的内冷却。②主轴头的内冷却。③主轴滑座的内冷却。④X轴直线电动机的冷却。⑤Y轴直线电动机的冷却。⑥Z轴直线电动机的冷却。制冷装置输出温度较低的冷却液进入各冷却部位,将热量带出,温度较高的冷却液再回到热交换器中再度进行制冷。

  3. 米克朗 HSM 600U LP高速加工中心
  GF加工方案集团旗下的米克朗公司生产多种型号的高速(HSM)、高性能(HPM)和高效率(HEM)加工中心。其中HSM 600U LP加工中心是在原有HSM系列的基础上改进设计而成,工作台直径600mm,最大载荷120kg,适合模具制造和其他中小批量精密制造企业加工高精度和高表面质量的零件,机床的外观和结构如图所示。


TIM截图20170804140719.png
HSM 600 ULP加工中心的外观和结构


  从图中可见,该机床的3个移动轴X、Y、Z和2个回转轴B、C皆采用直接驱动方式。机床的床身、立柱和横梁为一个整体封闭结构,上窄下宽,呈金字塔形,采用矿物铸件(树脂混凝土),具有良好的阻尼特性,保证了机床的刚度和稳定性。中间有O形孔道,以便与托板交换装置或刀库联结。线性导轨布置在直线电动机的两侧,使两线性导轨之间的有较大的距离,驱动力尽可能在移动部件的重心。

  机床采用STEP TEC智能电主轴,最高转速30 000/36 000/42 000r/min可选。其intelliSTEP智能化系统可以控制和优化电主轴的工况。例如,主轴端轴向位移、温度、振动和刀具拉杆位置等,预测主轴在不同工况下的工作寿命。

  该机床的另一重要特点是“聪明机床”软件。包括机床保护、提高加工精度和提高生产力3个方面。例如,智能温度控制、操作支持系统、高级加工过程和远距短信通知等。

五轴加工机床未来智能化趋势

  智能装备的控制模式和人机界面将会有很大的变化,WiFi宽带、蓝牙近距通信等网络性能的提高,基于平板电脑、手机和穿戴设备等基于网络的移动控制方式会越来越普及。与时俱进的触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按钮、开关、鼠标和键盘。人们,特别是年轻人已经习惯智能电子消费产品的操作方式,能够快速做出反应,切换屏幕,上传或下载数据,从而大大丰富了人机交互的内容,同时明显降低误操作率。例如,对数控机床的操作可以通过笔记本、平板电脑和智能手机在WiFi环境下进行,如图所示。

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在WiFi环境下的人-机和机-机通信

  从图中可见,不仅人机的交互方式从控制面板延伸到移动终端,设备和工具之间也可以进行物与物的通信。机床的加工精度和效率在很大程度上取决于刀具的状态,如果在刀具或刀柄上嵌入芯片,就成为智能刀具。芯片不仅可以记录在刀具预调仪上进行调整时的数据,还可以记录刀具在机床的进行了多长的切削时间,还有多少剩余寿命,可以加工几个零件等都可以让操作者和有关部门了如指掌,减少停机和更换刀具的时间。智能刀具及其管理的概念如上图所示。

  在不同的加工情况下,往往需要设备具有不同的性能,可以根据设备工况的统计分析,可从设备供应商或第三方APP应用软件商店购买和下载不同的软件,以提高设备精度、加工速度或节能等,如图所示。

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提高设备性能的APP应用软件商店

  智能工厂的数控机床和机器人等智能装备的未来发展重点已经不在硬件,感知外部环境和工况变化需要更加强大的计算能力、通信带宽和速度,才能进行实时控制,形成真正的信息物理融合系统。它的特点是将设备的控制分为计算和过程两部分,把运动控制保留在本地,而将计算移到云端,在云端“克隆”相应的虚拟设备,在云端进行虚拟制造,如图所示。

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过程和计算分离的云数控系统

  从图中可见,需要计算能力的数控核心、可编程控制、图形人机界面和通信等模块构成设备群的云端控制系统,通过中间件控制虚拟机床1、虚拟机床2、虚拟机床n,同时通过以太网接口下传至车间的路由器,连接不同机床的控制器,控制相应机床的运动,从而将虚拟机床与实体机床构成一对一的仿真和监控系统。

本文参考文献如下:《五轴加工机床:现状和趋势》作者:专家张曙、《机床工业亟需发展五轴数控技术》作者:清华大学   游华云 叶佩青等、《高效五轴加工技术与机床》作者: 周孙良、《五轴加工的RTCP技术》等。



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发表于 2017-8-4 14:57:41 | 显示全部楼层
汇总贴在此:
DIY CNC雕刻机——by 通宵敲代码
http://bbs.eeworld.com.cn/forum. ... &fromuid=536508


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一粒金砂(初级)

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发表于 2018-1-8 17:08:58 | 显示全部楼层
国内外机床很多,每个机床品牌的特很明显,选择最合适的就可以,我们公司有米克朗三轴和五轴的机床,配合worknc3轴和5轴软件,机床很贵,所以在选择软件的时候也和慎重,除了考虑软件的加工精度,还有软件的安全性,worknc应该是非常非常安全的软件,以前用其他软件出现过撞机,worknc一次撞机也没有,精加工品质和效率都非常高。当然,编程和操机的操作习惯和能力也很重要。


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GMT+8, 2018-6-25 06:00 , Processed in 0.129990 second(s), 16 queries , Gzip On, Redis On.

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