五軸數(shù)控機(jī)床加工后處理研究

李壯

摘 要 首先對五軸數(shù)控機(jī)床的構(gòu)造以及特點(diǎn)進(jìn)行剖析，在對五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行充分了解的情況下，從五軸數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、加工后處理等多個(gè)方面分析五軸數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過分析應(yīng)用現(xiàn)狀探討五軸數(shù)控機(jī)床今后在現(xiàn)代化生產(chǎn)中應(yīng)用的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 五軸；數(shù)控機(jī)床；加工后處理

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0109-02

1 五軸數(shù)控機(jī)床的構(gòu)造及特點(diǎn)

1.1 五軸數(shù)控機(jī)床的兩種加工中心特點(diǎn)

五軸數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用與航空航天業(yè)、軍事領(lǐng)域、科研領(lǐng)域、精密器械領(lǐng)域以及高精醫(yī)療設(shè)備等。常見的五軸數(shù)控機(jī)床包括立式五軸加工中心和臥式五軸加工中心。

1.1.1 立式五軸加工中心

立式五軸加工中心的回轉(zhuǎn)軸包括兩種形式：1）工作臺回轉(zhuǎn)軸，工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，這種工作臺一般設(shè)置在床身上，可定義為直線軸，直線軸工作范圍一般為正三十度至負(fù)一百二十度；2）工作臺的中間另設(shè)有另外一個(gè)回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞另一個(gè)軸回轉(zhuǎn)，可將其定義為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸都是三百六十度回轉(zhuǎn)。這樣通過直線軸與旋轉(zhuǎn)軸的組合，除了工作臺底面部分的工件以外，其余的五個(gè)面均可以利用這這種機(jī)床進(jìn)行加工。直線軸和旋轉(zhuǎn)軸最小分度值一般為0.001度，因此，又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。

這類加工中心的優(yōu)點(diǎn)在于，主軸的結(jié)構(gòu)簡單加工非常靈活、剛性好、保證有一定的線速度、加工質(zhì)量高，制造成本較低，但是也有其局限性，工作臺不能夠設(shè)計(jì)較大的空間，承重程度較小且機(jī)身國語龐大。主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞直線軸三百六十度，成為旋轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞另一直線軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，一般可達(dá)正負(fù)九十度以上，實(shí)現(xiàn)上述類型機(jī)床同樣的功能。

1.1.2 臥式五軸加工中心

臥式五軸加工中心，此類加工中心的回轉(zhuǎn)軸也有兩種形式，一是將臥式的主軸擺動(dòng)固定成為一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，與工作臺上的一個(gè)回轉(zhuǎn)軸相互配合，由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺分度，可以進(jìn)行五面的立體加工。二是傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸，設(shè)置在床身上的工作臺直線軸一般工作范圍正二十度至負(fù)一百度。工作臺的中間也設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸，這個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可雙向三百六十度回轉(zhuǎn)。

1.2 五軸數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)

1.2.1 編程程序復(fù)雜

編程復(fù)雜、難度大。在三種不同的結(jié)構(gòu)型式和三種不同的運(yùn)動(dòng)配置方式的自由組合下，可以得到九種可能的不同結(jié)構(gòu)類型的五軸機(jī)床。五軸數(shù)控不同于三軸數(shù)控，其編程的難度也程函數(shù)趨勢上漲，除了需要對三個(gè)直線軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的編程外，還要加入兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的編程程序，這種兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)加入的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，使得其合成的運(yùn)動(dòng)軌跡相當(dāng)復(fù)雜，為達(dá)到所需的自由曲線，不僅需要進(jìn)行嚴(yán)密而復(fù)雜的集合運(yùn)算，并且還需要考慮各個(gè)軸承的協(xié)調(diào)性，以免造成不和諧的沖撞。

1.2.2 能進(jìn)行自由曲線及多面體復(fù)雜構(gòu)建的加工

五軸數(shù)控機(jī)床機(jī)構(gòu)復(fù)雜，編程難度大給其賦予了獨(dú)一無二的應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。三軸數(shù)控機(jī)床一般來說是三個(gè)直線軸構(gòu)成的，因此不能夠一次性加工完成連續(xù)并且平滑的自由曲面。例如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的葉片，以及孔位的殼體和模具等，這種精細(xì)部件就不能夠通過三軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。由于普通的三軸數(shù)控機(jī)床其刀具相對于工件的位姿角不能夠在加工過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)變，加工一些自由曲面等復(fù)雜的工件時(shí)，就有可能產(chǎn)生干涉或者加工不到位的情況。而利用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行這類工件的加工，則可以有效避免這種情況，在加工時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整位姿角的角度，使其與工件進(jìn)行調(diào)整，一次性裝夾完成完美的自由曲面的加工。

2 五軸數(shù)控機(jī)床在機(jī)床后置處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于某些歷史事件的限制，中國在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的技術(shù)進(jìn)口受到了一定的阻礙，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)還停留在一般水平上。隨著近我國在數(shù)控方面的深入發(fā)展，各地涌現(xiàn)出大批生產(chǎn)制造五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床廠家，通過相關(guān)學(xué)者研究人員的深入研究和攻關(guān)，我國五軸數(shù)控機(jī)床技術(shù)不斷提高。本文主要從建立數(shù)學(xué)模型角度對五軸數(shù)控機(jī)床在機(jī)床后置處理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行簡要分析探討。

2.1 建立五軸數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型

五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示。將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)A、B、C相應(yīng)的表示為軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向以向右旋轉(zhuǎn)標(biāo)注。其中Z+表示向上，X+表示向右，Y+表示向里。C角為XY機(jī)床坐標(biāo)繞Z軸旋轉(zhuǎn)所得，A角為其繞X軸旋轉(zhuǎn)所得，其計(jì)算較為復(fù)雜。下圖2，根據(jù)雙專臺五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)換的平面矢量運(yùn)轉(zhuǎn)圖。

2.1.1 角C的計(jì)算

C=90°-arctan（ay/zx） （當(dāng)ax>0時(shí)）

C=270°-arctan（ay/zx） （當(dāng)ax>0時(shí)）

C=0° （當(dāng)ax=0，或ay≥0時(shí)）

C=180° （當(dāng)ax=0，或ay>0時(shí)）

2.1.2 角A的計(jì)算

A=arctan（） （當(dāng)az>0時(shí)）

A=0° （當(dāng)az=0時(shí)）

A=arctan（） （當(dāng)aZ<0，A ≤ 120°）

2.1.3 X、Y、Z的數(shù)學(xué)模型

X=xccosC+ycsinC

Y=-xcsinCcosA+yccosCcosA+zcsinA

Z=xcsinCsinA-yccosCsinA+zccosA

圖1 雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)示意圖

圖2 雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工刀軸矢量運(yùn)轉(zhuǎn)圖

2.2 五軸機(jī)床的數(shù)控編程

本文所用程序?yàn)閁G/Post Builder專用后置處理軟件。在其程序中和刀軌創(chuàng)口中做好定義、修改及用戶化的程序設(shè)置。其中后處理程序主要包含：A程序開頭，B操作頭，C刀軌，D操作尾，E程序結(jié)尾五個(gè)。其中G代碼創(chuàng)口出，定義好快速運(yùn)動(dòng)、順逆園運(yùn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)等程序；在M代碼創(chuàng)口處，定義好后置處理中會用到的程序結(jié)束、主軸的順逆轉(zhuǎn)、主軸關(guān)停以及更換道具等程序；對字地址定義創(chuàng)口設(shè)置好關(guān)鍵字的格式；在字符順序的創(chuàng)口設(shè)置好字符優(yōu)先程序；在用戶自定義創(chuàng)口添加自定義等相關(guān)命令程序。其編程語言用TCL語言模式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)后置處理算法的旋轉(zhuǎn)軸的角度計(jì)算、變軌角度計(jì)算、坐標(biāo)變換矩陣的計(jì)算、坐標(biāo)軸位移值的計(jì)算等等。此外在程序和刀軌參數(shù)創(chuàng)口的程序命令中，需將旋轉(zhuǎn)軸角度計(jì)算以及平動(dòng)軸位移計(jì)算等程序?qū)氲矫盍斜碇衼?。endprint

2.3 加工實(shí)例應(yīng)用

采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙轉(zhuǎn)臺式五軸機(jī)床進(jìn)行加工試驗(yàn)。加工前，用UG-NX軟件設(shè)計(jì)直徑為56 mm高23 mm半球-圓柱組合體，同時(shí)在凹斜面進(jìn)行垂直鉆孔，并進(jìn)行球面刻上編號。

對加工模塊劃分為五個(gè)部分：粗加工、半精加工、精加工、多面鉆孔、刻編號。

設(shè)置粗加工：選用型腔銑，刀具選用直徑7 mm、刃長20 mm的立銑刀，加工余量設(shè)定為0.6 mm。

設(shè)置半精加工：選用剩余銑，刀具選用直徑5 mm的球頭銑，刃長15 mm，加工余量設(shè)定為0.3 mm。

設(shè)置精加工：選用可辯輪廓銑，選用直徑為5 mm的球頭銑刀，刃長12 mm，加工余量設(shè)定為0。

設(shè)置多面鉆孔：選用直徑為3.5 mm的磚頭，設(shè)置孔深6 mm。

設(shè)置半球面刻編號：選用30°平底見到，字深設(shè)定0.5 mm。

對編制的后置處理程序轉(zhuǎn)換成5組加工G代碼進(jìn)行操作加工即可。其程序模擬圖及加工成品示意圖如圖3。

圖3 UG構(gòu)建的加工模型及完成的模型工件示意圖

3 五軸數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢

從當(dāng)今五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在國內(nèi)外的研究應(yīng)用發(fā)展來看，我們可以清晰的看出其發(fā)展的巨大優(yōu)勢和前景。

3.1 高速、高效率

隨著現(xiàn)代加工業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)越來越追求高效率、低成本及高質(zhì)量。這也成了當(dāng)前高速及超高速機(jī)床研究的重要方向。隨著機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，高速機(jī)床的主要部件也逐步走向高速化，尤其以高速電主軸、高性能數(shù)控等為代表實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。

3.2 高可靠性

由于三個(gè)直線軸加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸使得其加工面比較復(fù)雜，導(dǎo)致其故障率比較高，因此在五軸數(shù)控機(jī)床可靠性方向還有待發(fā)展。例如：我國目前大部分的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對其可靠性要求在兩萬小時(shí)無故障，而國外無故障時(shí)間長達(dá)三萬小時(shí)。

3.3 高精度化

隨著五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在我國高精尖儀器原件制造上的應(yīng)用，使得對五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的精度有了更高的要求，目前日本的超精密加工機(jī)床其精度達(dá)到了千分之一微米。

3.4 智能化、網(wǎng)絡(luò)化及柔性化

讓數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)智能、網(wǎng)絡(luò)化及柔性化，是適應(yīng)當(dāng)前機(jī)械加工制造必由之路，也是適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)診斷、遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要研究和應(yīng)用方向。

4 結(jié)束語

五軸數(shù)控機(jī)床是加工機(jī)床中，目前來說最為先進(jìn)的技術(shù)，能夠在程序設(shè)定好的情況下，一次性完成自由曲面的加工，相較三軸數(shù)控機(jī)床來說，加入了與三個(gè)直線軸相配合的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行協(xié)調(diào)，雖然在技術(shù)上、操作上、編程上更加復(fù)雜，但是能夠提供先進(jìn)的加工技術(shù)和加工模式，加工出精密的零件。五軸數(shù)控機(jī)床的編程系統(tǒng)需要考慮整個(gè)機(jī)床的綜合情況進(jìn)行，對刀具的位姿進(jìn)行精確的定位，并在后置處理中進(jìn)行完善。總之，五軸數(shù)控機(jī)床能夠加工出精密零件，是未來加工產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭技術(shù)。

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