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第1章 多轴加工基础 多轴加工概述 多轴加工常见机床类型 多轴加工的优点 多轴加工常用数控系统 多轴加工刀具种类 多轴加工应用 通过对多轴加工常见机床类型、常用数控系统、刀具种类和多轴加工的优点的介绍，初步了解多轴加工的应用。 1.1 多轴加工概述 多轴加工可理解为在4轴（至少包含一个回转轴）及以上的数控设备上完成定向或联动加工。随着制造技术的发展，当前多轴数控加工设备越来越多地应用在航空航天、汽车等行业。 多轴加工设备的种类很多，结构类型和控制系统都各不相同。多轴加工与3轴加工编程相比，作为加工程序的NC代码的主体即是众多的路径坐标点，控制系统通过坐标点来控制刀尖参考点的运动，从而加工出需要的零件形状。在3轴加工编程的过程中，只需要通过对零件模型按照加工策略进行计算，在零件上得到点位数据即可。而在多轴加工中，不仅需要计算出点位坐标数据，还需要得到坐标点上的矢量方向数据，这个矢量方向在加工中通常用来表达刀具的刀轴方向，这就要求在编程中要考虑更多的因素及复杂的运算。 目前，这项工作最经济的解决方案是通过计算机和CAM软件来完成，众多的CAM软件都具有这方面的能力。但是，这些软件在使用和学习上难度比较大，编程过程中需要考虑的因素比较多，能使用CAM软件编程的技术人员成为多坐标加工的一个瓶颈因素。即使利用CAM软件，从目标零件上获得了点位数据和矢量方向数据之后，并不代表这些数据可以直接用来进行实际加工。因为随着机床结构和控制系统的不同，这些数据如何能准确地解释为机床的运动，是多坐标联动加工需要着重解决的问题。 因此，仅仅利用CAM软件计算出点位数据和矢量方向并不能真正地满足最终的加工需要（这些点位数据和矢量方向数据就是前置文件），还需要利用另外的工具将这些前置文件转换成适合机床使用的加工程序，这个工具就是后处理。 1.2 多轴加工常见机床类型 以五坐标联动的铣削机床为例，从结构类型上看，分为双转台、双摆头、单摆头+单转台三大类，每大类根据机床运动部件的运动方式的不同而有所不同。以直线轴Z轴为例，对于立式设备来说，人们编程时习惯以Z轴向上为正方向，但是有些设备是通过主轴头固定而工作台向下移动、刀具相对向上移动为Z轴正方向移动；有些设备是工作台固定而主轴头向上移动、刀具向上移动。在刀具参考坐标系和零件参考坐标系的相对关系中，不同的机床结构对三坐标加工中心没有什么影响，但是对于多轴联动的设备来说就不同了，这些相对运动关系的不同对加工程序有着不同的要求。由于机床控制系统的不同，对刀具补偿的方式和程序的格式也都有不同的要求。 加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心。3轴立式加工中心最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。多轴数控加工中心具有高效率、高精度的特点，工件在一次装夹后能完成5个面的加工。如果配置5轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，非常适于加工汽车零部件、飞机结构件等工件的成型模具。根据回转轴形式，多轴数控加工中心一般可分为以下几种方式： （1）双转台结构。 （2）双摆头结构。 （3）单摆头+单转台结构。 1.2.1 双转台结构 双转台结构类型的机床是一个工作台做回转运动，另一工作台做偏摆运动，回转工作台附加在偏摆工作台上，随偏摆工作台的运动而运动，如图1-1所示。其中，回转工作台通常称为机床的第5轴，而偏摆工作台称为机床的第4轴。图1-2所示为一典型的双旋转工作台5轴联动铣床。 这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴结构比较简单，刚性非常好，制造成本比较低。但工作台一般不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转角度≥90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。 双转台结构类机床的特征如下： （1）3个直线轴建立在笛卡儿坐标系上，符合右手法则。 （2）旋转轴平行于直线轴，即A轴平行于X轴，C轴平行于Z轴。 （3）旋转轴轴线正交。 （4）工件在旋转工作台上。 （5）第一个旋转轴作为机床的第4轴，它的旋转改变了第二个旋转轴的定向；第二个旋转轴作为机床的第5轴，它的旋转不改变第一个旋转轴的定向。 （6）刀具的初始方向为Z轴的负方向。 图1-1 双转台机床结构图 图1-2 双转台机床 1.2.2 双摆头结构 双摆头结构类型的机床是通过主轴头在两个方向的旋转来实现5轴联动加工，如图1-3所示。图1-4所示是一台双旋转主轴头的龙门5轴联动铣床结构。 图1-3 双摆头机床结构图 图1-4 双摆头机床 这种设置方式的多轴数控加工机床的优点是：主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大。在使用球面铣刀加工