五軸加工與數(shù)控仿真

1、 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 五軸加工技術(shù)及五軸機(jī)床介紹 五軸數(shù)控編程技術(shù)介紹（以PowerMill為例） 五軸數(shù)控仿真介紹（以Vericut為例） 五軸數(shù)控編程與仿真實例 介紹介紹 五軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件一次裝 夾就可完成復(fù)雜的加工。能夠適應(yīng)像汽車零部件、飛機(jī)結(jié) 構(gòu)件等現(xiàn)代產(chǎn)品與模具的加工。 五軸加工中心是一種高科技的手段，它讓不可能變成了可 能，一切的空間曲面，異型加工都可以完成實現(xiàn)。它不但 能夠完成復(fù)雜工件完成機(jī)械化加工的任務(wù)，而且還能夠快 速提高加工效率，縮短加工流程。 為什么使用五軸？為什么使用五軸？ 加工一個帶有 三維曲線的平 面時取得最佳 切削狀態(tài) 為什么使用？為什么

2、使用？ 在機(jī)床區(qū)域任 何任何地方加 工幾何形狀， 刀具軸的設(shè)置 角必須是可變 的 為什么使用？為什么使用？ 銑削深槽刀具不夠長？刀具伸出太長？刀具太小，剛性不 足 ？ 為什么使用？為什么使用？ 葉輪等具有空間角 度曲面的復(fù)雜加工 什么是多軸加工什么是多軸加工 所謂多軸加工就是在原有三軸加工的基礎(chǔ)上增加 了旋轉(zhuǎn)軸的加工.如4軸、五軸等。 機(jī)床運動的比較機(jī)床運動的比較 三軸 五軸（高精度需求） CNC編程軸的定義編程軸的定義 以坐標(biāo)軸X、Y、Z 描述CNC程序中的 設(shè)定位置，以方向 矢量描述刀軸的方 向 俯垂型：旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直俯垂型：旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直 俯垂型：旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直俯

3、垂型：旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸相垂直 五軸機(jī)床運動五軸機(jī)床運動 加工工件時機(jī)床工藝選用加工工件時機(jī)床工藝選用 五軸機(jī)床運動五軸機(jī)床運動 刀具長度對機(jī)床運動的影響刀具長度對機(jī)床運動的影響 方向的改變對直線軸運動的影響方向的改變對直線軸運動的影響 RTCP功能功能 1.1.RTCPRTCP（Rotary tool center pointRotary tool center point）功能是指刀軸旋功能是指刀軸旋 轉(zhuǎn)后為保持刀尖不變五軸轉(zhuǎn)后為保持刀尖不變五軸controllercontroller自動計算并執(zhí)行線性自動計算并執(zhí)行線性 軸補償；軸補償； RTCP ONRTCP ON時，機(jī)床各線性軸在旋轉(zhuǎn)后

4、的坐標(biāo)系時，機(jī)床各線性軸在旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系 內(nèi)移動。內(nèi)移動。 2.2.對于沒有對于沒有RTCPRTCP功能的五軸機(jī)床，后處理輸出程序在工功能的五軸機(jī)床，后處理輸出程序在工 件裝夾完測量出基準(zhǔn)點到機(jī)床中心距離之后才能做；對件裝夾完測量出基準(zhǔn)點到機(jī)床中心距離之后才能做；對 于有于有RTCPRTCP功能的，后處理輸出程序無需考慮工件在機(jī)床功能的，后處理輸出程序無需考慮工件在機(jī)床 上的具體位置。上的具體位置。 3.3. RTCP功能功能 Part Position on the table工件在工作臺的定位 With RTCP enabled, the datum of the part can be

5、clocked with ease，有RTCP功能，工件的基準(zhǔn)位置任意 Without RTCP enabled, the PowerMILL NC Program must be output with a Workplane positioned at the machines 0 0 0，對于沒有RTCP功能的機(jī)床，PowerMILL的 NC程序必須以機(jī)床坐標(biāo)系零點來輸出 五軸數(shù)控編程技術(shù)介紹五軸數(shù)控編程技術(shù)介紹 以PowerMill為例 DELCAM Delcam 是世界領(lǐng)先的專業(yè) CAD/CAM 軟件公司。Delcam Plc 總部位于英國名城Birmingham 。Delcam軟件

6、的研發(fā)起源于 世界著名學(xué)府劍橋大學(xué)，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，Delcam軟 件系列橫跨產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、產(chǎn)品加工、模具加工、 逆向工程、藝術(shù)設(shè)計與雕刻加工、質(zhì)量檢測和協(xié)同合作管 理等應(yīng)用領(lǐng)域。 PowerMILL 高效初加工高效初加工 賽車線加工 Delcam 擁有專利權(quán)的賽車線加工策 略。在此策略中，隨刀具路徑切離 主形體，初加工刀路將變得越來越 平滑，這樣可避免刀路突然轉(zhuǎn)向， 從而降低機(jī)床負(fù)荷，減少刀具磨損， 實現(xiàn)高速切削。 螺旋區(qū)域清除加工 對某些幾何形體位置可使用螺旋 策略來替代偏置策略，使刀具做 連續(xù)、平滑移動，從而可最小化 刀具的空程移動，減小整體加工 時間，同時刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，減

7、少刀具的加速和減速，保持更穩(wěn) 定的切屑負(fù)荷，從而減少刀具的 磨損和損壞。 PowerMILL 中包含有多個全中包含有多個全 新的高效初加工策略，這些策新的高效初加工策略，這些策 略充分利用了最新的刀具設(shè)計略充分利用了最新的刀具設(shè)計 技術(shù)，從而實現(xiàn)了側(cè)刃切削或技術(shù)，從而實現(xiàn)了側(cè)刃切削或 深度切削。深度切削。 馬蹄形連接區(qū)域清除 可在一定行距條件下增加一些特殊 的刀具路徑末端，產(chǎn)生比圓形連接 更加光順的馬蹄形連接，從而改善 區(qū)域清除刀具路徑的殘留刀痕，延 長刀具壽命，降低整體加工時間和 成本。 自動擺線加工 這是一種組合了偏置初加工和擺線加工策略的 加工策略。它通過自動在需切除大量材料的地 方使用

8、擺線初加工策略，而在其它位置使用偏 置初加工策略，從而避免使用傳統(tǒng)偏置初加工 策略中可能出現(xiàn)的高切削載荷。 由于在材料大 量聚積的位置使用了擺線加工方式切除材料， 因此降低了刀具切削負(fù)荷，提高了載荷的穩(wěn)定 性，因此，可對這些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高速加工。 殘留粗加工 殘留刀具路徑將切除前一大刀具未能加工到而留下 的區(qū)域，小刀具將僅加工剩余區(qū)域，這樣可減少切 削時間。 Delcam PowerMILL 在殘留初加工中引入了殘留模 型的概念。使用新的殘留模型方法進(jìn)行殘留初加工 可極大地加快計算速度，提高加工精度，確保每把 刀具能進(jìn)行最高效率切削。這種方法尤其適合于需 使用多把尺寸逐漸減小的刀具進(jìn)行切削的零件。

9、可 隨時查看殘留模型狀態(tài)，幫助選取加工策略和刀具 尺寸。 插銑區(qū)域清除加工 高速精加工策略高速精加工策略 螺旋三維偏置精加工 PowerMILL 提供了多種高速精加工策提供了多種高速精加工策 略，如三維偏置、等高精加工和最佳等略，如三維偏置、等高精加工和最佳等 高精加工、螺旋等高精加工等策略。這高精加工、螺旋等高精加工等策略。這 些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確 保能快速切除工件上的材料，得到高精保能快速切除工件上的材料，得到高精 度、光滑的切削表面。度、光滑的切削表面。 等高精加工等高精加工 最佳等高精加工最佳等高精加工 螺旋等高精加工螺旋等高精加工 曲面

10、精加工策略曲面精加工策略參數(shù)偏置精加工參數(shù)偏置精加工 高效的刀具路徑連接高效的刀具路徑連接 刀具路徑修圓功能刀具路徑修圓功能 五軸刀軸矢量控制 1.1.五軸刀軸矢量控制是五軸刀軸矢量控制是CAMCAM系統(tǒng)五軸技術(shù)的核心系統(tǒng)五軸技術(shù)的核心 2.2.五軸五軸CAMCAM系統(tǒng)給出每個切削點刀具的刀位點（系統(tǒng)給出每個切削點刀具的刀位點（X,Y,Z)X,Y,Z) 和刀軸矢量和刀軸矢量( (I,J,K)I,J,K)，五軸后處理器將刀軸矢量（五軸后處理器將刀軸矢量（I,J,KI,J,K）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 化為不同機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)動的角度（化為不同機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)動的角度（A,B,CA,B,C中的兩中的兩 個）；然后

11、計算出考慮了刀軸旋轉(zhuǎn)之后線性軸需要移動個）；然后計算出考慮了刀軸旋轉(zhuǎn)之后線性軸需要移動 的各軸位移（的各軸位移（X,Y,ZX,Y,Z）。）。 3.PowerMILL 3.PowerMILL 五軸刀軸矢量控制的方式豐富靈活，可通五軸刀軸矢量控制的方式豐富靈活，可通 過投影方向、點、直線、曲線、平面、曲面來控制，是過投影方向、點、直線、曲線、平面、曲面來控制，是 領(lǐng)先的五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)領(lǐng)先的五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)。 PM刀軸控制 前、側(cè)傾角 側(cè)傾角使刀軸繞切削方向側(cè)旋一個角度從而避免刀尖切削側(cè)傾角使刀軸繞切削方向側(cè)旋一個角度從而避免刀尖切削 Lean Angle defines a rotation o

12、f the Tool axis at right Lean Angle defines a rotation of the Tool axis at right angles to the direction of travelangles to the direction of travel 正角時為右傾，負(fù)角時為左傾正角時為右傾，負(fù)角時為左傾Can be positive or Can be positive or negative to indicate a right/ left leannegative to indicate a right/ left lean 設(shè)置側(cè)傾角能有效避

13、免刀具干涉設(shè)置側(cè)傾角能有效避免刀具干涉Useful to avoid Useful to avoid collisions when machining close to obstaclescollisions when machining close to obstacles 刀軸通過點 From a Point 使刀軸總是通過某一固定點從而避免刀尖切削使刀軸總是通過某一固定點從而避免刀尖切削 The tool is aligned so that the axis passes The tool is aligned so that the axis passes through a sp

14、ecified point with the cutting through a specified point with the cutting end pointing away from the pointend pointing away from the point 刀軸通過直線 Towards a Line 刀軸總是通過直線上的點刀軸總是通過直線上的點 對齊，從而避免刀尖切削對齊，從而避免刀尖切削 The tool is aligned so that The tool is aligned so that the axis passes through a the axis pa

15、sses through a specified line with the specified line with the cutting end pointing cutting end pointing towards the linetowards the line 刀軸總是通過用戶定義直線上刀軸總是通過用戶定義直線上 的點的點 Tool axis will always pass Tool axis will always pass through the user-defined linethrough the user-defined line 刀軸通過3D曲線 Through

16、a 3D curve 提供了比直線更靈活有效提供了比直線更靈活有效 的刀軸控制策略的刀軸控制策略 Offers much more control and Offers much more control and flexibility than lineflexibility than line 刀軸總是通過用戶定義的刀軸總是通過用戶定義的 曲線曲線 Tool axis will always pass Tool axis will always pass through the user-defined through the user-defined curvecurve PowerMI

17、LL多軸路徑策略 PowerMILLPowerMILL豐富的三軸粗加工豐富的三軸粗加工 和精加工刀路策略全部能用于和精加工刀路策略全部能用于 五軸加工。五軸加工。 有多種專用的有多種專用的5 5軸加工策略軸加工策略 驅(qū)動曲面 Drive Surface 投影方向和刀軸方向由驅(qū)投影方向和刀軸方向由驅(qū) 動曲面（銀色面）決定動曲面（銀色面）決定 Projection direction and tool Projection direction and tool orientation determined by orientation determined by drive surface (si

18、lver)drive surface (silver) 驅(qū)動曲面為單一曲面，而驅(qū)動曲面為單一曲面，而 模型為多曲面模型模型為多曲面模型Single Single drive surface but multi-drive surface but multi- surface partsurface part 狹槽的5軸加工 3 3軸加工球刀清角時會留軸加工球刀清角時會留 下圓角，必須手動加刀路下圓角，必須手動加刀路 清出直角清出直角 5 5軸加工則可用平底刀清軸加工則可用平底刀清 出利角，無需在再后續(xù)電出利角，無需在再后續(xù)電 極清角極清角 不用后續(xù)電極清角就意味不用后續(xù)電極清角就意味 著節(jié)省時

19、間提高加工質(zhì)量著節(jié)省時間提高加工質(zhì)量 Swarf加工 Swarf Machining SwarfSwarf加工使用刀具側(cè)刃切削加工使用刀具側(cè)刃切削 Swarf Machining cuts with Swarf Machining cuts with the side of the toolthe side of the tool 由于切削刀具是直刃，所以只由于切削刀具是直刃，所以只 能加工可展開的曲面（直紋面）能加工可展開的曲面（直紋面） It can only be used with It can only be used with developable surfaces as dev

20、elopable surfaces as cutter side is straightcutter side is straight 切削的深度可由下切步距和曲切削的深度可由下切步距和曲 面寬度控制面寬度控制Depth of cut can Depth of cut can be controlled by a fixed be controlled by a fixed stepover or fraction of stepover or fraction of surface widthsurface width 用錐度刀做Swarf加工 Swarf machining with ta

21、pered tools 允許使用更大的刀具允許使用更大的刀具 Allows larger tools to Allows larger tools to be usedbe used 能夠切除更多的余量能夠切除更多的余量 Removes more Removes more materialmaterial 使工件的裝夾更靈活使工件的裝夾更靈活 Increases flexibility Increases flexibility possible in fixturespossible in fixtures 線框Swarf加工 Swarf machining from wireframe 在

22、曲面不能真正展開在曲面不能真正展開( (非直非直 紋面）的時候特別適用紋面）的時候特別適用 Suitable where surfaces are Suitable where surfaces are not truly developablenot truly developable 在曲面內(nèi)部結(jié)構(gòu)很差時特在曲面內(nèi)部結(jié)構(gòu)很差時特 別適用別適用 Suitable where internal Suitable where internal surface structure is poorsurface structure is poor 在曲面邊緣加工不理想時在曲面邊緣加工不理想時 特別適

23、用特別適用 Suitable where edge Suitable where edge matching is not perfectmatching is not perfect 5軸鉆孔 5-Axis Drilling PowerMILLPowerMILL能夠自動識別其能夠自動識別其 他他CADCAD系統(tǒng)產(chǎn)生的孔特征，系統(tǒng)產(chǎn)生的孔特征， 并自動產(chǎn)生五軸鉆孔刀路并自動產(chǎn)生五軸鉆孔刀路 對于對于Heidenhain Heidenhain 等有等有 working planeworking plane功能的五軸功能的五軸 controllercontroller，DuctpostDuctpo

24、st以鉆以鉆 孔循環(huán)輸出；對于孔循環(huán)輸出；對于AndronAndron 等不支持等不支持working planeworking plane的的 五軸五軸controllercontroller，DuctpostDuctpost 以普通線性插補以普通線性插補G01G01輸出。輸出。 PowerMILLPowerMILL針對發(fā)動機(jī)等的彎形管件有從粗加工到針對發(fā)動機(jī)等的彎形管件有從粗加工到 精加工的一套加工方案精加工的一套加工方案 自動防護(hù)選項 Auto-avoid option 自動調(diào)整刀路避免碰撞自動調(diào)整刀路避免碰撞 Automatically adjusts Automatically ad

25、justs toolpath to avoid collisiontoolpath to avoid collision 在公差范圍內(nèi)自動調(diào)整刀在公差范圍內(nèi)自動調(diào)整刀 軸方向避免干涉軸方向避免干涉Changes Changes tool axis automatically to tool axis automatically to avoid obstruction by avoid obstruction by tolerance specifiedtolerance specified 五軸機(jī)床仿真 1.1.五軸刀具路徑完全自動防過切和自動刀頭碰撞檢查。該特性跟五軸刀具路徑完全自動防過切

26、和自動刀頭碰撞檢查。該特性跟 三軸加工一樣良好。三軸加工一樣良好。 2.2.建立實際五軸機(jī)床模型，有效避免機(jī)臺碰撞。五軸加工跟三軸建立實際五軸機(jī)床模型，有效避免機(jī)臺碰撞。五軸加工跟三軸 加工最大的不同，就是前者由于工作臺或刀頭的擺動和旋轉(zhuǎn)，加加工最大的不同，就是前者由于工作臺或刀頭的擺動和旋轉(zhuǎn)，加 工過程中容易發(fā)生主軸或刀頭刀具跟工件、夾具、工作臺碰撞。工過程中容易發(fā)生主軸或刀頭刀具跟工件、夾具、工作臺碰撞。 區(qū)別于三軸加工只需注意到的刀頭跟工件的碰撞，我們將其稱為區(qū)別于三軸加工只需注意到的刀頭跟工件的碰撞，我們將其稱為 機(jī)臺碰撞。這樣通過仿真無碰撞的程序，就可以放心的在五軸機(jī)機(jī)臺碰撞。這樣通

27、過仿真無碰撞的程序，就可以放心的在五軸機(jī) 床上運行。床上運行。 DMU160P OPS650 Mikron UCP710 仿真與驗證 PowerMILLPowerMILL的仿真可選項的仿真可選項 現(xiàn)擴(kuò)展到包含了驗證功能；現(xiàn)擴(kuò)展到包含了驗證功能； Simulation option in PowerMILL Simulation option in PowerMILL has now been extended to has now been extended to include verificationinclude verification 程序上機(jī)床之前，在計算程序上機(jī)床之前，在計算 機(jī)上進(jìn)行檢查；機(jī)上進(jìn)行檢查； Allows programs to be checked Allows programs to be checked on the computer before b