数控系统的五轴数控
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发布时间：2022-04-20 03:29
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时间：2023-09-05 15:19
具有五轴功能的数控机床可以以多种姿态实现工件与刀具间的相对运动，一方面可以保持刀具更好的加工姿 态，避免刀具中心极低的切削速度，也可以避免刀具和工件、卡具间的干涉，实现有限行程内更大加工范围。 五轴功能也是衡量数控系统能力的重要指标。 对于具有转台结构的五轴机床，工件与回转工作台固结，即工件坐标系（WCS）与回转工作台固结。当工作台旋转后，工件坐标系（WCS）必须相应的旋转。此后工件坐标系的X,Y,Z与原机床坐标系(MCS)XYZ方向不再一致，五轴插补算法需要随时自动完成工件坐标系的旋转，保证正确的刀具运行轨迹，如下图所示。
由于工件坐标系随转台一起旋转，数控系统在手动操作模式下给用户提供了选择机床坐标系MCS还是工件坐标系WCS的机会。如果用户选择了WCS下的手动操作，而且WCS已经旋转，则手动操作将按照旋转后的坐标轴方向运动，以C轴转台为例：如果C轴已由初始的0度，CCW旋转45度后，用户选择WCS下手动X轴，数控机床的会XY轴联动，走X-Y平面45度斜线，如图1所示。上述行为对于工件的寻边和手动定位加工很方便，不需要顾及转台转了多少度，只要依据图纸上工件坐标系所示的方向操作即可。在自动加工模式下，所有的G92,G54-G59,G52都是在WCS下设定的，都会跟随WCS旋转而旋转。
自动加工中值得注意：如果用户在工件坐标系下编程，推刀前建议用户使用G53回到MCS下，再按照MCS坐标系执行退刀动作；否则就要想清楚当前WCS与MCS的角度关系，例如：C轴为0度时与180度时WCS坐标系正好方向相反，进刀起始位置C为0度，XY为WCS绝对值正值的话，退刀位置时C为180度，再向回到起始点就要回到WCS绝对值负值了。如图所示。
对于具有摆头结构的机床而言，五轴数控系统在机床坐标系MCS中只关注控制点（摆头回转中心）的坐标， 而在工件坐标系WCS中五轴数控系统控制刀尖点坐标，如图所示。结合WCS随转台旋转，数控系统这样控制行为使WCS下始终正确地反映刀具与工件间的相对位置关系，用户可以安心对照工件图纸，考虑WCS下工件编程即可，无须考虑机床结构。
五轴加工中，不论是刀具旋转还是转台转动，都使刀尖点产生了XYZ的附加运动。五轴数控系统可以自动对这些转动和摆动产生的工件与刀尖点间产生的位移进行补偿，称之为RTCP（围绕刀尖点旋转）控制功能。例如，大连光洋的GNC61采用G203起动该功能；在西门子840D中，使用TRAORI开启RTCP；海德汉TNC530中，使用M128开启RTCP。这样用户可以在五轴机床上，如同3坐标一样的编程，可以适时加入调整刀具与工件间姿态调整的旋转指令，而不需要考虑这些旋转指令带来的附加运动。
五轴编程中，推荐采用刀具相对于工件坐标系（WCS）的姿态矢量来表达工件与刀具的姿态关系。这样处理的结果是用户不必考虑五轴机床的具体类型和结构，相同的工件程序可以在不同类型的五轴机床上加工，所有与机床结构相关的坐标处理完全由五轴数控系统自动完成。
例如，840D采用（A3，B3，C3）来表达刀具矢量；大连光洋的GNC61采用（VX，VY，VZ）表示刀具在WCS下刀尖点指向控制点的姿态，对（VX，VY，VZ）向量长度无特殊要求。 据统计，世界范围内，五轴机床真正用于五轴联动加工仅占5%，如叶轮、叶片、航空结构件等特殊零件；73% 用于五轴定向加工，如V型发动机缸体、模具制造等；五面体加工占22%[1]，例如机床上的箱体结构零件。
840D中采用Frames的概念，描述空间斜面和坐标系。
TNC530中采用PLANE功能定义加工作业斜面。例如：采用空间角定义斜面：
N50 plane spatial spa+27 spb+0 spc+45 ... 空间角A：旋转角SPA是围绕机床固定X轴旋转；空间角B：旋转角SPB是围绕机床固定Y轴旋转；空间角C：旋转角SPC是围绕机床固定Z轴旋转。除了空间角定义外，TNC530还支持投影角、欧拉角、三点等多种空间斜面定义。
GNC61在工件坐标系WCS下，设有G92坐标系，该坐标系负责对其上的用户定义的坐标系整体偏移， 可以用来表达卡具的基准。在G92坐标系内，用户可以定义G54, G55, G56, G57, G58, G59坐标系，可以用来表达同一卡具基准下的多个工件各自的坐标系。GNC61设计了程序局部坐标系G52，该坐标系位于G54-G59下，可以任意旋转倾斜。在设定的加工程序中有效，一旦新加载程序，G52会自动清0。GNC61支持用户在程序中直接定义G52（空间角）来指定一个倾斜的坐标系。此外GNC61还提供其他倾斜的坐标系定义的内建函数，包括：SG52_EULER，通过欧拉角的方式来指定G52旋转坐标系；；SG52_2VEC，通过使用两个矢量来定义加工面；SG52_3PT，通过三点的方式来指定G52旋转坐标系。
此外在定义斜面的基础上，五轴数控系 统还需要支持刀具自动定向到垂直于斜面的姿态。海德汉的TNC530有3种处理方式MOVE、TRUN、STAY。其MOVE模式在开启RTCP的情况下，实现刀具自动定向，即保持刀尖点不动；TRUN模式下刀具自动定向，但不开启RTCP，即刀具只摆动，不进行RTCP补偿运动；STAY则表示不产生任何运动，但相应的所需的运动量被系统变量保存。大连光洋GNC61在自动加工模式下，GNC61支持两种自动刀具定向指令：G200刀具自动垂直斜面非RTCP；G201 刀具自动垂直斜面带RTCP。
通常在默认状态下所谓五轴数控系统采用五轴直线插补，即将ABC增量等同直线增量进行插补。不论是否开启RTCP五轴直线插补在都没有直接约束刀具的侧刃，可能造成侧刃形成的零件尺寸和形貌不符合要求。为此，数控厂商往往还支持其他约束侧刃的特殊的五轴插补。
5.1平面刀矢插补
在冲裁模具中，存在大量侧壁保持平面的要求；航 空薄壁结构件也存在大量侧壁倾斜要求的型腔铣削加工；焊接零件焊接坡口也有铣倾斜面的要求。840D提供ORIVECT，以及GNC61的G213都是上述功能。通常该功能自动启动RTCP。
5.2双样条约束插补
即指定刀尖点的样条曲线，再另一条约束刀具的样条曲线，数控系统将完成两样条曲线约束的直纹面的插补。840D提供ORICURVE，以及GNC61提供的G6.3X都实现上述功能。
5.3圆锥插补
指定刀具矢量沿特定圆锥表面运行。该插补功能适合加工圆锥及空间斜面间圆锥过渡曲面。840D提供的ORICONCW\ORICONCCW\ORICONIO\ORICONTO即完成上述功能。
空间刀具半径补偿
对于五轴加工，RTCP起到了刀具长度补偿的作用。而五轴的刀具半径的补偿可以在不修改五轴加工程序中工件表面坐标点的情况下，调整各种类型的刀具，均能保证工件表面形状的正确。在FANUC最高级的30i系列数控系统和西门子高端的840D系统都支持上述功能。
五轴速度平滑
在五轴加工中，由于开启RTCP，以及各种特殊的五 轴算法，例如平面矢量插补、双样条约束插补等，都可能造成各直线进给轴速度的波动，这些波动有时会造成机床振动，影响零件表面加工质量，超过机床允许范围。为此五轴数控系统需要对各轴速度进行平滑调整。目前FANUC最高级的30i系列数控系统和西门子高端的840D系统都支持上述功能。
