五軸加工(5 Axis Machining)，顧名思義，數(shù)控機(jī)床加工的一種模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5個(gè)坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，五軸加工所采用的機(jī)床通常稱為五軸機(jī)床或五軸加工中心。可是你真的了解五軸加工嗎？
五軸技術(shù)的發(fā)展
幾十年來，人們普遍認(rèn)為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的唯一手段。一旦人們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題，就會(huì)求助五軸加工技術(shù)。但是。。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對(duì)于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響，以及技術(shù)上的復(fù)雜性，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度。
與三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工相比，從工藝和編程的角度來看，對(duì)復(fù)雜曲面采用五軸數(shù)控加工有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）提高加工質(zhì)量和效率
（2）擴(kuò)大工藝范圍
（3）滿足復(fù)合化發(fā)展新方向
說到五軸，不得不說一說真假五軸？真假5軸的區(qū)別主要在于是否有RTCP功能，為此，小編專門去查找了這個(gè)詞！
RTCP，解釋一下，F(xiàn)idia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫，字面意思是“旋轉(zhuǎn)刀具中心”，業(yè)內(nèi)往往會(huì)稍加轉(zhuǎn)義為“圍繞刀具中心轉(zhuǎn)”，也有一些人直譯為“旋轉(zhuǎn)刀具中心編程”，其實(shí)這只是RTCP的結(jié)果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個(gè)單詞的縮寫。海德漢則將類似的所謂升級(jí)技術(shù)稱為TCPM，即“Tool Centre Point Management”的縮寫，刀具中心點(diǎn)管理。還有的廠家則稱類似技術(shù)為TCPC，即“Tool Center Point Control”的縮寫，刀具中心點(diǎn)控制。
從Fidia的RTCP的字面含義看，假設(shè)以手動(dòng)方式定點(diǎn)執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將維持不變，此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，對(duì)于球頭刀而言，刀具中心點(diǎn)就是數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)。為了達(dá)到讓刀柄在執(zhí)行RTCP功能時(shí)能夠單純地圍繞目標(biāo)軌跡點(diǎn)（即刀具中心點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)的目的，就必須實(shí)時(shí)補(bǔ)償由于刀柄轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的刀具中心點(diǎn)各直線坐標(biāo)的偏移，這樣才能夠在保持刀具中心點(diǎn)以及刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)不變的情況，改變刀柄與刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線之間的夾角，起到發(fā)揮球頭刀的最佳切削效率，并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點(diǎn)（即數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)）上，處理旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化。
不具備RTCP的五軸機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)必須依靠CAM編程和后處理，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，就必須重新進(jìn)行CAM編程和后處理，因而只能被稱作假五軸，國(guó)內(nèi)很多五軸數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)都屬于這類假五軸。當(dāng)然了，人家硬撐著把自己稱作是五軸聯(lián)動(dòng)也無可厚非，但此（假）五軸并非彼（真）五軸！
小編因此也咨詢了行業(yè)的專家，簡(jiǎn)而言之，真五軸即五軸五聯(lián)動(dòng)，假五軸有可能是五軸三聯(lián)動(dòng)，另外兩軸只起到定位功能！
這是通俗的說法，并不是規(guī)范的說法，一般說來，五軸機(jī)床分兩種：一種是五軸聯(lián)動(dòng)，即五個(gè)軸都可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)，另外一種是五軸定位加工，實(shí)際上是五軸三聯(lián)動(dòng)：即兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)定位，只有3個(gè)軸可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)加工，這種俗稱3+2模式的五軸機(jī)床，也可以理解為假五軸。
目前五軸數(shù)控機(jī)床的形式
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：
看過這些結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，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)。
發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)的難點(diǎn)及阻力
大家早已認(rèn)識(shí)到五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。
下面小編收集了一些難點(diǎn)和阻力，看是否跟您的情況對(duì)應(yīng)？
五軸數(shù)控編程抽象、操作困難
這是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。三軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸, 而五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC 代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)之外, 還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。
五軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會(huì)更復(fù)雜。只有反復(fù)實(shí)踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識(shí)和技能。經(jīng)驗(yàn)豐富的編程、操作人員的缺乏，是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大阻力。
國(guó)內(nèi)許多廠家從國(guó)外購(gòu)買了五軸數(shù)控機(jī)床，由于技術(shù)培訓(xùn)和服務(wù)不到位，五軸數(shù)控機(jī)床固有功能很難實(shí)現(xiàn)，機(jī)床利用率很低，很多場(chǎng)合還不如采用三軸機(jī)床。
對(duì)NC插補(bǔ)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格
五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是五個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入，不但加重了插補(bǔ)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會(huì)大幅度降低加工精度。因此，要求控制器有更高的運(yùn)算精度。
五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性要求伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)特性和較大的調(diào)速范圍。
五軸數(shù)控的NC程序校驗(yàn)尤為重要
要提高機(jī)械加工效率，迫切要求淘汰傳統(tǒng)的“試切法”校驗(yàn)方式 。在五軸數(shù)控加工當(dāng)中，NC 程序的校驗(yàn)工作也變得十分重要， 因?yàn)橥ǔ２捎梦遢S數(shù)控機(jī)床加工的工件價(jià)格十分昂貴，而且碰撞是五軸數(shù)控加工中的常見問題：刀具切入工件；刀具以極高的速度碰撞到工件；刀具和機(jī)床、夾具及其他加工范圍內(nèi)的設(shè)備相碰撞；機(jī)床上的移動(dòng)件和固定件或工件相碰撞。五軸數(shù)控中，碰撞很難預(yù)測(cè)，校驗(yàn)程序必須對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)及控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。
如果CAM 系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤，可以立即對(duì)刀具軌跡進(jìn)行處理；但如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)NC 程序錯(cuò)誤，不能像在三軸數(shù)控中那樣直接對(duì)刀具軌跡進(jìn)行修改。在三軸機(jī)床上，機(jī)床操作者可以直接對(duì)刀具半徑等參數(shù)進(jìn)行修改。而在五軸加工中，情況就不那么簡(jiǎn)單了，因?yàn)榈毒叱叽绾臀恢玫淖兓瘜?duì)后續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡有直接影響。
刀具半徑補(bǔ)償
在五軸聯(lián)動(dòng)NC 程序中，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要對(duì)不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統(tǒng)均無法完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對(duì)刀具位置進(jìn)行重新計(jì)算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM 系統(tǒng)重新進(jìn)行計(jì)算。從而導(dǎo)致整個(gè)加工過程效率十分低下。
針對(duì)這個(gè)問題, 挪威研究人員正在開發(fā)一種臨時(shí)解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優(yōu)生產(chǎn)策略)。刀具軌跡修正所需數(shù)據(jù)由CNC 應(yīng)用程序輸送到CAM 系統(tǒng)，并將計(jì)算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件，能夠直接連接到CNC 機(jī)床，其間傳送的是CAM 系統(tǒng)文件而不是ISO 代碼。對(duì)這個(gè)問題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識(shí)別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統(tǒng)文件。
后置處理器
五軸機(jī)床和三軸機(jī)床不同之處在于它還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，刀具位置從工件坐標(biāo)系向機(jī)床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，中間要經(jīng)過幾次坐標(biāo)變換。利用市場(chǎng)上流行的后置處理器生成器，只需輸入機(jī)床的基本參數(shù)，就能夠產(chǎn)生三軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器。而針對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床，目前只有一些經(jīng)過改良的后置處理器。五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器還有待進(jìn)一步開發(fā)。
三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，刀具的軌跡中不必考慮工件原點(diǎn)在機(jī)床工作臺(tái)的位置，后置處理器能夠自動(dòng)處理工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)，例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯(lián)動(dòng)的臥式銑床上加工時(shí), 工件在C 轉(zhuǎn)臺(tái)上位置尺寸以及B 、C 轉(zhuǎn)臺(tái)相互之間的位置尺寸，產(chǎn)生刀具軌跡時(shí)都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時(shí)要耗費(fèi)大量時(shí)間來處理這些位置關(guān)系。如果后置處理器能處理這些數(shù)據(jù)，工件的安裝和刀具軌跡的處理都會(huì)大大簡(jiǎn)化；只需將工件裝夾在工作臺(tái)上，測(cè)量工件坐標(biāo)系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入到后置處理器，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行后置處理即可得到適當(dāng)?shù)腘C 程序。
非線性誤差和奇異性問題
由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的引入，五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)比三軸機(jī)床要復(fù)雜得多。和旋轉(zhuǎn)有關(guān)的第一個(gè)問題是非線性誤差。非線性誤差應(yīng)歸屬于編程誤差，可以通過縮小步距加以控制。在前置計(jì)算階段，編程者無法得知非線性誤差的大小，只有通過后置處理器生成機(jī)床程序后，非線性誤差才有可能計(jì)算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個(gè)問題。有些控制系統(tǒng)能夠在加工的同時(shí)對(duì)刀具軌跡進(jìn)行線性化處理，但通常是在后置處理器中進(jìn)行線性化處理。
旋轉(zhuǎn)軸引起的另一個(gè)問題是奇異性。如果奇異點(diǎn)處在旋轉(zhuǎn)軸的極限位置處，則在奇異點(diǎn)附近若有很小振蕩都會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況相當(dāng)危險(xiǎn)。
對(duì)CAD/ CAM系統(tǒng)的要求
對(duì)五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統(tǒng)，并且必須要有經(jīng)驗(yàn)豐富的編程人員來對(duì)CAD/CAM 系統(tǒng)進(jìn)行操作。
購(gòu)置機(jī)床的大量投資
以前五軸機(jī)床和三軸機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大。現(xiàn)在，三軸機(jī)床附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機(jī)床的價(jià)格，這種機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)床的功能。同時(shí)，五軸機(jī)床的價(jià)格也僅僅比三軸機(jī)床的價(jià)格高出30%～ 50%。
除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級(jí)，使之適應(yīng)五軸加工的要求；必須對(duì)校驗(yàn)程序進(jìn)行升級(jí)，使之能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。
五軸加工機(jī)床未來智能化趨勢(shì)
智能裝備的控制模式和人機(jī)界面將會(huì)有很大的變化，WiFi寬帶、藍(lán)牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機(jī)和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)控制方式會(huì)越來越普及。與時(shí)俱進(jìn)的觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化人機(jī)界面將逐步取代按鈕、開關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤。人們，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費(fèi)產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機(jī)交互的內(nèi)容，同時(shí)明顯降低誤操作率。例如，對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作可以通過筆記本、平板電腦和智能手機(jī)在WiFi環(huán)境下進(jìn)行，如圖所示。
從圖中可見，不僅人機(jī)的交互方式從控制面板延伸到移動(dòng)終端，設(shè)備和工具之間也可以進(jìn)行物與物的通信。機(jī)床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài)，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預(yù)調(diào)儀上進(jìn)行調(diào)整時(shí)的數(shù)據(jù)，還可以記錄刀具在機(jī)床進(jìn)行了多長(zhǎng)的切削時(shí)間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個(gè)零件等都可以讓操作者和有關(guān)部門了如指掌，減少停機(jī)和更換刀具的時(shí)間。智能刀具及其管理的概念如上圖所示。
在不同的加工情況下，往往需要設(shè)備具有不同的性能，可以根據(jù)設(shè)備工況的統(tǒng)計(jì)分析，可從設(shè)備供應(yīng)商或第三方APP應(yīng)用軟件商店購(gòu)買和下載不同的軟件，以提高設(shè)備精度、加工速度或節(jié)能等，如圖所示。
智能工廠的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等智能裝備的未來發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)不在硬件，感知外部環(huán)境和工況變化需要更加強(qiáng)大的計(jì)算能力、通信帶寬和速度，才能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，形成真正的信息物理融合系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是將設(shè)備的控制分為計(jì)算和過程兩部分，把運(yùn)動(dòng)控制保留在本地，而將計(jì)算移到云端，在云端“克隆”相應(yīng)的虛擬設(shè)備，在云端進(jìn)行虛擬制造，如圖所示。
從圖中可見，需要計(jì)算能力的數(shù)控核心、可編程控制、圖形人機(jī)界面和通信等模塊構(gòu)成設(shè)備群的云端控制系統(tǒng)，通過中間件控制虛擬機(jī)床1、虛擬機(jī)床2、虛擬機(jī)床n，同時(shí)通過以太網(wǎng)接口下傳至車間的路由器，連接不同機(jī)床的控制器，控制相應(yīng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，從而將虛擬機(jī)床與實(shí)體機(jī)床構(gòu)成一對(duì)一的仿真和監(jiān)控系統(tǒng)。
(文章出自公眾號(hào)“工業(yè)制造”）