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五轴联动数控加工技术的应用 来源：北京机械工业学院?作者：燕红波 杨庆东 刘 芳 【摘 要】 【关键词】 现代先进机械制造技术的趋势之一是产品形状结构的复杂化和精密化。一方面为了满足动力学性能要求，航空、航天产品往往形状结构非常复杂；另一方面为了满足人们个性化、美观化的需求，某些民用产品（玩具、装饰品）设计的形态怪异，这就为多轴数控加工技术的广泛应用提供了机遇和条件。因为相对于传统的加工方法，多轴数控加工技术在制造复杂形状的产品时具有明显的优势，比如一次装卡可以加工复杂零件的多个表面，而且能够保证一定精度的条件下具有很高的效率。目前，多轴数控加工技术的应用还面临着很多困难，例如，加工对象往往是形状复杂，而且五轴本身编程抽象、复杂，操作也比较复杂，再加上多轴加工工艺欠缺经验可循，要实现通用的多坐标编程难度较大，因此，编程系统中对多坐标加工的处理一般采用面向专用零件的方式[1]。2 多轴数控机床的结构模型 作为多轴机床的典型代表——五轴联动机床理论上能够加工任意复杂曲面的零件。因此对五轴联动机床的结构模型的研究，不仅可以理解其运动原理，从而有助于针对于具体的机床结构及参数，编制完善的后处理程序，而且可以推广到更多轴的结构、运动方式。同时三轴、四轴机床可以看作五轴机床的特殊形式，更加容易得到理解和应用。 五轴联动机床一般由3个平动轴加上两个回转轴组成，根据旋转轴具体结构的不同可分为3种形式：刀具双摆动、工作台双旋转和刀具摆动加工作台旋转。现定义旋转轴法向矢量不变的轴为定向轴，旋转轴法向矢量变化的轴为变向轴。由于刀具双摆动的五轴机床具有工作台、动轴的特点，能够加工大型复杂曲面的零件，而且容易实现优良的高速性能，本文以此类机床为对象，建立结构模型如图1所示。 假定该机床的数学模型各运动轴处于相互正交或平行状态，双摆头的两轴线垂直正交。不考虑机床零件制造装配误差，在理想情况下建立各坐标系关系如图2所示。 图2 五轴机床坐标系 五轴机床坐标系的定义。机床坐标系：Om；工作坐标系：O；刀具坐标系：Ot。它们之间的关系如图2所示，设B、C两轴轴线垂直相交，B轴转动是随C轴的转动而运动的，所以定义为C基轴，B为副轴。设定两轴坐标系重合，两轴线的交点为其坐标原点，各轴的方向同机床坐标系Om相同。则机床的运动可以认为是零件坐标系相对于机床坐标系的平动和刀具坐标系相对于机床坐标系的转动。工件和刀具的相对位置关系可以通过上述关系来加以确定。 五轴加工和三轴加工的本质区别在于：在三轴加工情况下，刀具轴线在工件坐标系中是固定的，总是平行于Z坐标轴；而五轴加工的情况下，刀具轴线是变化的。刀具轴线控制原则是兼顾高加工质量和切削效率，同时避免加工中可能存在的刀具与工件、夹具的干涉。因此三轴加工的关键在于加工特征识别和刀具路径规划。而五轴加工的关键在于刀具姿态优化[1]。常见刀具轴线控制方式是垂直于加工表面、平行于加工表面或倾斜于加工表面。 倾斜方向是五轴加工的一般控制方法，垂直于加工表面和平行于加工表面均为其特殊形式。复杂曲面加工过程中往往通过改变角度来避免刀具、工件、夹具和机床间的干涉和优化数控程序。 五轴程序编制的步骤： （1）根据模型定义切削策略：可变轴轮廓铣是多轴加工常用方式，首先从驱动几何体上生成驱动点，将驱动点沿着设定的矢量映射到零件模型上，生成刀位轨迹。评定刀位轨迹优劣的要素为刀位轨迹的长度和刀轴的方向变化。 （2）刀轴控制方式：与三轴固定轮廓铣不同之处在于对刀具轴线矢量的控制。驱动方法通常有点、线、面等3种方式，其选择原则是尽量使刀具轴线变化平稳，以保持切削载荷稳定。 （3）切削参数选择：切削参数选择要考虑到整个加工系统的每个因素。其中，刀具和工件的影响最为明显。在加工对象确定的情况下，根据工件形状、大小和切削性能等特点，选择合适的刀具材料、直径等各项参数，进而确定切削速度、机床转速、刀具切深等参数。 为了完成复杂曲面的五轴加工编程，可以采用具有五轴功能的CAM工具软件UG、Pro/E和PowerMill等作为基本平台，在编程过程中选择合理的切削策略、刀轴控制方式和切削参数。 五轴加工程序的后置处理要根据不同机床控制系统加工控制数据文件的识别情况，特别是不同于三轴加工对两个旋转轴进行特殊定义。五轴加工程序后置处理程序的制作过程： （1）首先建立所使用机床坐标之间关系。本文使用的是与南京四开公司合作开发制造的五轴铣床，定义的机床的X、Y、Z三个直线轴和B、C两个旋转轴。旋转轴C与轴Z相连，旋转轴B与轴C 相连，C轴回转行程±180°，B轴回转行程±90°。采用UG中CAM五轴编程模块，使用后置处理开发工具POST BUILDER建立机床各轴坐标关系，如图3所示。 （2）进行五轴加工的坐标变换。在五轴联动加工数控编程时，CAM软件生成的刀位文件的刀