五轴联动的优点

2024-09-06

五轴联动的优点（共6篇）

1.五轴联动的优点篇一

五轴联动数控机床加工中心基本知识介绍

几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。

五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。

符合数控机床发展的新方向

近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工，数控机床既能车削又能进行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时间和花费。

发展和推广的难点及阻力何在

显然，人们早已认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术为何久久未能得以广泛普及？五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范围内普遍存在以下问题。

五轴数控编程抽象、操作困难

这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。

刀具半径补偿困难

在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。

对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系统文件。

购置机床需大量投资

以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%～50%。

除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。

国内五轴数控技术发展状况与市场分析

五轴联动数控机床，是电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备。西方发达国家长期对我国实行禁运。

从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速15 000r/min 的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床 DCB—510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加工中心8台、五轴车铣加工中心1台、五轴数控刀具磨床5台。

我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，亟须配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以三至五轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的70%～80%。

装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，□□□东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）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。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五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，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高.

2.五轴联动的优点篇二

1 五轴联动叶片加工中心概述

叶片式汽轮机、燃气轮机、航天发动机的核心部件, 具有非常重要的作用, 而五轴联动中心在发电机行业以及飞行制造行业中起着十分关键的作用, 其地位不可替代。叶片呈空间曲面的型面, 其形状非常复杂, 由多个圆弧组成叶片的叶根圆角, 某些叶片的叶身中部位置还会设置阻尼台。国内对于叶片的加工在设备和方法上经历了一系列的变革和更新。首先采用的是三轴机床, 此种方法加工应用较早, 机床主要对形状较为简单的叶片进行加工制造, 首先对叶片的一面进行初步铣削加工, 然后将其翻面后重新装夹进行另一面的铣削加工。采用三轴机床进行叶片加工, 需要对叶品坯体进行多次的翻面, 加工工序繁琐, 效率较低。但是因为其应用时间较长, 技术成熟经验丰富, 所以现今在国内还有所应用。其次是四轴机床, 此种机床配有A轴, 继承了三轴机床的优势特点, 但是在翻面上有所改进, 不需要进行手动多次翻面, 在生产效率上有一定程度的提高。最后是五轴联动叶片加工中心, 叶片在加工的过程中, 有时会具有阻尼台或者在加工两端有干涉。对于这种叶片的加工, 采用五轴联动叶片加工中心可以实现质的飞跃, 显著的提高加工效率, 是叶片加工的发展趋势。现今国内外市场对叶片需求量大增, 而且其形状也越来越复杂, 传统的三轴、四轴联动机床已经难以胜任加工任务。而我国国内五轴联动叶片加工中心还处于初级阶段, 技术还不成熟。对此, 本文特别设计了一种五轴联动叶片加工中心用于进行复杂的叶片加工。

2 五轴联动叶片加工中心的机床结构

五轴联动叶片加工中心主要用来加工型面空间复杂的或者窄长型的曲目零件。由直线轴和回转轴组成, 其中直线轴位X轴、Y轴和Z轴, 叶片回转轴为A轴, 刀具摆动轴为B轴。X轴、Y轴和Z轴的布置与立式加工中心的布置相类似, 但是在轴行程方面X轴要长些, Y轴和Z轴要短一些。X轴的行程根据叶片长度进行长短的调整。

本文设计的五轴联动叶片加工中心机床结构如下图1所示:

3 五轴联动叶片加工中心的机床结构特点

本文设计的五轴联动叶片加工中心, 对于复杂的叶片曲面的加工以及形状窄长的叶片加工方面具有明显的优势特点。第一, 刀尖轨迹方面进行了优化处理, 刀尖点处于B轴的回转中心上或者在中心的附近。B轴在回转过程中会带动铣削的主轴发生摆动, 从而引起X1轴进行插补的运动, 刀尖轨迹的优化有效的减少了插补, 使叶片表面的加工质量得以提高。第二, B轴回转中心与水平面的角度适宜, 成最佳角度45°, 这样可以使因加工干涉造成的加工范围的扩大得到有效的控制, 使其能够保持在标准的加工范围内。切削过程中会产生扭矩, 适宜的角度可以有效的避免扭矩向B轴上传输, 这使得B轴的刚性得以加强。第三, 机床配有副A轴, 使其在加工叶片的过程中, 特别是加工窄长型叶片时, A轴加上副A轴同时对叶片产生拉力, 有效的减少了窄长叶片在加工过程中产生的变形, 有效提高了叶片的加工精度。第四, 铣削主轴驱动为内置式电机, 使用陶瓷球轴承进行支撑, 而且进行预紧, 从而提高了主轴的转速, 增加了输出扭矩, 提高了回转的精度。第五, A轴和B轴的驱动全部采用力矩电机, 使用转台轴承进行支撑, 同时配置了精度较高的角度编码器闭环控制, 使反向间隙得以有效的消除, 从而实现了加大扭矩输出, 提高轴刚性的目的。第六, 刀具系统和工件系统实现了均衡的配备, 实现了有效动态性能的匹配, 防止叶片在切削的过程中发生过切的情况。第七, 机床中的直线运动部件采用滚动直线导轨, 并且配合滚珠丝杠进行传动, 同时配置高精度光栅尺闭环控制, 有效提高加工精度。第八, 叶片夹具和各轴的定向方面, 均采用气动的方式代替了液压系统, 不仅使能耗降低, 噪音污染也得以有效的控制。

4 五轴联动叶片加工中心的应用

叶片的型面是一种复杂的曲面, 有一定的弯曲度和扭曲度, 也是叶片加工中的重点和难点所在。五轴联动叶片加工中心对这样的曲面加工具有明显的优势。通常对叶片加工采用螺旋加工的工艺方法, 这也是因为五轴联动加工中心主轴回转的高速度, 同时角度可转换的优势决定的。正因为这样的优势特点, 可以是圆角刀在进行型面加工的过程中可以与曲面完全垂直, 在走刀过程中以恰当的前倾角度, 从而保证型面没有发生过切现象以及产生加工死角。

从加工实践中来看, 本文研究的五轴联动叶片加工中心有效的提高了叶片加工的质量和精度, 使加工效率有了明显的提高, 实现了叶品加工质的飞跃。

摘要：作为汽轮机、燃气轮机、航天发动机的关键部件, 五轴联动叶片的核心地位不可替代。叶片形状复杂, 其加工的精度和质量也有很高的要求。本文通过介绍五轴联动叶片加工中心的应用, 分析叶片加工中心的基本结构及其特点, 为叶片的高质量加工和优化设计提供可靠的参考依据。

关键词：五轴联动,叶片,加工中心

参考文献

[1]颜克辉, 孔祥志, 罗志久, 等.五轴联动叶片加工中心发展现状及其结构特点[J].金属加工 (冷加工) , 2011.

3.五轴联动机床为“中国制造”添力篇三

2007年，6位来自上海交通大学的博士在一起做出了一个决定：把他们长期研究的五轴数控机床技术产业化。于是，上海拓璞数控科技有限公司（以下简称“拓璞数控”）成立。从创办初期，拓璞数控坚持依靠自主创新，立志在中国高端制造“无人区”中开创一片天。2012年6月，上海市领导前往拓璞数控调研。同年9月，上海市科委拨款，在公司筹建“上海特种数控转杯及工艺工程技术研究中心，并启动重大科技攻关项目。

政府的大力支持，助力拓璞数控梦想的起飞。短短几年间，拓璞数控打造了精密机械传动技术、开放式高档数控系统、先进制造工艺技术等3个技术平台，开发了近10项国内领先的高端装备核心技术。其中，作为核心产品之一的五轴联动数控机床，其研发成功填补了国内该领域的技术空白。所谓五轴联动机床，大约可以理解成一部工业机器人。“五轴”描述了它的灵活性——拥有大量“关节”，可以从五个维度对材料进行加工;“联动”则表明它的协调性——五维度加工可以同时进行，误差不超过发丝的直径。

五轴联动机床是典型的“三高”机械装备——科技含量高、精密度高、成本高，对一个国家的高端制造业有着举足轻重的影响力，是发动机叶轮、叶片、船用螺旋桨、汽轮机转子等加工的唯一手段。以发动机叶轮为例，它是汽车排量后缀“T”的核心部件，其作用是以高速旋转，往发动机气缸上喷气增压让发动机产生更大动力。对叶轮来说其质量越轻，转速越快，作用越明显，但精密的加工工艺一直是中国企业为之苦恼的技术难点，导致叶轮一直依赖进口。如今，拓璞数控自主研发的国内第一台叶轮五轴专用加工机床成功运用正在逐步改变这一现状。通过现场演示，我们可以看到只要按下五轴联动机床的按钮，它就能按程序自动将金属锭雕成五片锐利“花瓣”，俗称“叶轮花”，整个过程流畅自然，我们相信叶轮实现国产化不是梦想。据悉，拓璞数控目前已经推出五轴的第三代产品，加工（包括粗加工和精加工）常规叶轮时间只有3分钟。

技术创新是科技型企业发展的基石，对拓璞数控来说也不例外。凭借五轴联动数控的技术支持，拓璞数控又研发出了一套全新高端装备——全自动钻铆装备。据了解，铆接是飞机、火箭制造过程中零件最多的工艺。我国很多飞机蒙皮连接处的铆钉，一直是靠人工铆接。如果拓璞数控自主创新的钻铆设备能够成功运用，其效率将是手工铆接的5倍，而设备价格却仅为进口设备的1/5。

目前，拓璞数控凭借自己的科技创新技术已经参与了运载火箭、大型飞机智能装备的制造，这对于一家民营企业来说是非常难得的。而其自主研发的核心技术，让一些连国企都拿不到的大订单纷至沓来，截至目前订单额已经数以亿计。但这不足以满足一个有着“中国制造”梦想的企业。对于以技术专家为核心的拓璞团队来说，他们未来十年的目标是以“自主的核心技术、优质的产品质量”为竞争力，以持续研发航空航天、轨道交通、船舶汽车等中国现代制造产业需要的先进重大装备为己任，力争成为引领轻合金先进制造装备行业发展的国际一流企业。

4.五轴联动的优点篇四

关键词：CAD/CAM软件,五轴联动,叶轮

1 CAD/CAM软件

CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD (ComputerAided Design)是一个过程：由设计人员进行产品概念设计的基础上，完成产品几何模型的建立，抽取模型中的有关数据进行工程分析、计算和修改，最后编辑全部设计文档，输出工程图。计算机辅助工艺设计CAPP (Computer Aide dProce s s Planning)是根据产品设计结果进行产品的加工方法设计和制造过程设计。CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。工序设计包括加工设备和工装的选用、加工余量的分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等内容。工艺设计是产品制造过程中技术准备工作的一项重要内容，是产品设计与实际生产的纽带，是一个经验性很强且随制造环境的变化而多变的决策过程。随着现代制造技术的发展，传统的工艺设计方法已经远远不能满足自动化和集成化的要求。CAPP在CAD、CAM中起到桥梁和纽带作用：CAPP接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、粗糙度等工艺信息，并向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息;CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀具轨迹文件，同时接受CAM反馈的工艺修改意见。狭义CAM (Computer AidedManufacture)：指计算机辅助编制数控机床加工指令。包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码生成以及与数控装置的软件接口等。广义CAM：指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，其中包括直接制造过程和间接制造过程。主要包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。凡涉及零件加工与检验、产品装配与检验的环节都属于广义CAM的范畴。任何功能强大的计算机硬件和软件均只是辅助设计工具，CAD/CAM系统的运行离不开人的创造性思维活动。因此，人在系统中起着关键的作用。目前CAD/CAM系统基本都采用人机交互的工作方式，这种方式要求人与计算机密切合作，发挥各自所长：计算机在信息的存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面具有特有的功能;人则在创造性思维、综合分析、经验判断等方面占有主导地位。

2 五四轴联动机床

五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。若配以五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，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。五轴加工中心的回转轴有三种构成方式，一种是双摆台形式，工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是双摆头形式，依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。还有一种是一摆头一摆台方式。

3 叶轮在CAXA制造工程师中的应用

叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称，还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。叶轮的叶片形状有单板型、圆弧型和机翼型等几种。机翼型叶片具有良好的空气动力学特性，效率高、强度好、刚度大。其缺点是，制造工艺复杂，并且当输送含尘浓度高的气体时，叶片容易磨损，叶片磨穿后，杂质进入叶片内部，使叶轮失去平衡而产生振动。平板型直叶片制造简单，但流动特性较差，而平板曲线后向叶片与翼型叶片相比，除高最效率点附近效率低些外，其它工况点的效率是相当接近的。前向叶轮一般都采用圆弧型叶片，后向叶轮中，大型风机多采用翼型叶片，对于除尘效率较低的燃煤锅炉引风机可采用圆弧型或平板型叶片。对叶轮的要求是：1)能给出较大的能量头;2)气体流过叶轮的损失要小，即气体流经叶轮的效率要高;3)气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小;4)叶轮型式能使级或整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。常分为闭式、半开式和开式叶轮。在风力里发电机组中，叶轮由轮毂和叶片组成。风经过叶轮，带动叶轮转动，从而带动发电机转动，将风能转化为电能。此时，要求叶轮转动时有足够大的迎风面，以从风中提取足够多的能量;同时，在风速过大时，要能够自动调整叶片迎风角度，避免因受力过大而损坏机械。叶轮加工风机叶轮的磨损与磨料的成分、粒度、浓度、形状、冲击速度、冲击角度、气体的化学成分、性质、温度及湿度等因素有关。而叶轮内部气体流动的不均匀性又加速了磨损。作为防止叶轮磨损的措施，一是减少进入风机的粉尘和腐蚀性气体，为此必须得对风机运行系统进行改造;二是设法使局部磨损趋于均匀磨损，这就需要提高叶轮的耐磨性。所以叶轮加工质量的高低直接影响了其使用效果和寿命。

5.五轴联动的优点篇五

五轴联动数控机床主要用于多面体零件加工和复杂的空间曲面加工,能够做到一次装夹加工成型,刀具在一定范围内可以相对工件以任意角度进行加工,无干涉和过切现象,被加工件表面质量好、精度高。由于五轴机床增加了两个旋转轴,在没有配备自动对刀仪的情况下,对刀采用手动方式,准备工作较为复杂;对刀过程中需要操作员不断记录各轴坐标数据,进行计算和输入坐标数据,从而使加工前的准备时间拉长了;同时手动数据输入也容易出现错误,需认真核对,从而造成了工作效率低下。针对上述情况,笔者开发编写了工件坐标找正程序,对刀期间运行程序,使操作员无需计算和输入数据,即可完成对刀过程。

1机床结构分析

五轴联动机床结构形式多样,其结构不同,使用的控制系统不同,对刀方式也不同。如果控制系统不支持RTCP(刀具中心管理)功能,则需要对旋转轴的偏置进行补偿。对于双转台结构的机床,其加工坐标系一般放在转盘(C轴)端面和旋转轴(A轴或B轴)中心,利用千分表等工具测量工件位置相对于回转中心的偏差值,然后再由程序员根据测得的数值在编程时将坐标系移到相应的位置进行程序的编制。因此程序必须在工件装夹测量好后生成,任何的修改(例如夹具位置变动)都需要重新生成程序。如果机床的控制系统具备RTCP功能,则可以直接针对摆铣头或转台进行刀具的空间长度补偿和半径补偿,不必在程序生成之前考虑如何在程序中体现刀具或者工作台的轴心及其偏差。

本文研究的机床为AC轴双转台结构,主旋转轴为A轴,从动旋转轴为C轴,采用西门子840D数控系统,其具有RTCP功能,对刀时不考虑回转中心及偏差,程序中使用TRAORI激活五轴长度补偿,用CUT3DC激活五轴半径补偿。

2工件坐标找正方法

工件坐标找正基本方法如下:将千分表表座磁性吸附到主轴上,利用千分表调校转台位置,校好后固定工作台;装夹工件,将工件坐标系定位在工件上表面中心,将表头接触到工件上表面,用手旋转主轴让表头在工件上表面上划一个整圆,调整转台A轴,使千分表在转动的任意位置上读数基本相等,将机床坐标的A轴数值输入到预定工件坐标系G54对应A轴位置;取工件上中心线或某基准边,旋转C轴转台,X轴方向移动工作台,利用千分表调校,使该基准边和X轴平行,将机床坐标的C轴数值输入到G54对应C轴位置;然后采用寻边器或千分表分中对刀,找出相应工件坐标系原点的X、Y、Z坐标,置入到G54相应位置;最后测量刀长,将刀长输入到刀具长度补偿当中,完成对刀操作。

3工件坐标找正程序设计

设计程序的目的是为了减轻操作员的工作压力,减少操作失误,每步手动操作都设计给出相应的信息提示,坐标找正时的数据采用自动输入的方式。以西门子840D系统为例设计的工件坐标找正程序的部分代码如下:

4结论

此工件坐标找正程序以西门子840D系统为例,其他数控系统也可参照其程序结构进行适当修改。利用该程序操作员在工件坐标找正过程中不再需要人工读取坐标值对其进行计算和输入,找正完成后即可运行零件程序进行实际加工。经验证,该程序在零件生产过程中有很好的实用效果,具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]陈银清.数控加工中工件坐标系的建立及其对刀技巧[J].煤矿机械,2004(4):78-80.

[2]常家东,赵尊群.立式加工中心用对刀装置[J].煤矿机械,2004(9):78-79.

6.五轴联动的优点篇六

数控加工设备的结构形式逐步趋向紧凑化、集成化、复杂化、多样化, 现代数控加工机床的加工程序编制仅仅依靠手工编程的方式, 在准确率和编程效率上已经不能满足复杂、精密零件的加工要求, 甚至一些复杂加工程序是无法用手工编程的方式来实现的.随着计算机技术的不断发展, 计算机辅助制造 (CAM) 技术日臻完善, CAM软件已经被广泛应用于航空、航天、医疗、汽车、电子等诸多领域.其中, 西门子公司的UG NX辅助设计制造软件是目前主流的计算机辅助CAD/CAM/CAE集成设计软件之一.利用UG NX/CAM编制数控加工程序, 一般包括前置处理和后置处理2个过程, 如图1所示.

前置处理是指在计算机辅助制造过程中, 将CAD设计的模型, 通过CAM软件模块计算产生的刀位轨迹的整个过程.前置处理产生的是刀位轨迹源文件 (cutter location source file) , 要将其转换成机床能够识别的G代码就必须通过后置处理来完成.因此, 后置处理是数控加工中的一个重要环节, 其主要任务是将CAM软件生成的刀位轨迹源文件转成特定机床可接收的数控代码 (NC) 文件[1].不同的数控机床, 因控制系统的不同, 对其数控程序要求的代码格式辅助命令等使用不同.因此要针对不同的数控系统生成不同的后置处理生成器[2].到目前为止, 机床后置处理算法研究基本成熟, 但如何运用已有的成熟算法解决实际加工中具体机床的NC程序后置处理问题, 用于实际零件加工, 仍然具有重要的工程应用价值[3].以德马吉非正交五轴联动数控机床DMU50V为例 (即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床) , 分析机床结构, 建立了机床结构运动学数学模型及算法.并介绍了如何将数学模型及算法写入Tcl语言, 完成后置处理程序的编制.

1 机床运动学算法分析

DMU50V数控机床结构采用双轴数控回转摆动工作台, 机床运动坐标包括X、Y、Z 3个移动坐标和转动轴C及与Z轴成45°夹角的转动轴B, 如图2所示.其中, C轴为任意角度, B轴的运动范围是0°～180°.机床第4轴B轴与Z轴交点与机床原点之间的距离H是机床的一个重要参数, 如图3所示.该参数影响工作台旋转后的坐标[4].

假设工件坐标系OWxyz与机床坐标系OXYZ平行, 且OW在机床坐标系OXYZ中的坐标为 (x0, y0, z0) , 工件坐标系中任意点的刀具中心位置即刀位点为 (xw, yw, zw) , 假定刀轴矢量为单位向量n, n=axi+ayj+azk (az≥0) .从而, 确定加工点 (xw, yw, zw) 时, 机床运动坐标X、Y、Z、B、C的值[5].

1.1 确定机床B、C轴旋转角度

将任意刀轴矢量ON的起点移到机床坐标系的原点, 并平移B轴使之过O点.在实际加工中, B、C轴的运动方向都是刀具相对工作台的运动方向, 与工作台的实际运动方向相反, 因此问题可转化为任意刀轴矢量ON如何转化成ON0 (如图4所示) , 即如何将刀轴矢量旋转到与机床坐标系Z轴方向一致的位置.要达到上述要求需进行4次旋转: (1) 将刀轴矢量ON绕Z轴顺时针旋转一周, 形成一个圆弧; (2) 将单位矢量ON0绕B轴旋转形成一个半圆弧 (0°≤B≤180°) , 2个圆弧产生交点M; (3) 将刀轴矢量ON绕Z轴旋转角度C至OM; (4) 将OM绕B轴顺时针旋转角度B至ON0.从而, 使任意刀轴矢量与Z轴重合.

根据图4中向量关系可推导出

$\begin{array}{l} \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{1}} + \vec{Ο_{1} Μ} = a_{z} k + \sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} \cdot \\ (\cos C^{″} i + \sin C^{″} j) (1) \\ \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{2}} + \vec{Ο_{2} Μ} = \frac{1}{2} (- j + k) + \frac{\sqrt{2}}{2} \times \\ (\frac{\sqrt{2}}{2} \cos B (j + k) + \sin B i) (2) \end{array}$

由式 (1) 、式 (2) 可得

$\begin{array}{l} \cos B = 2 a_{z} - 1 \\ C^{″} = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) \end{array}$

得出机床的旋转坐标为

B=arccos (2az-1) (3)

$C = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) + C^{'} (4)$

其中, C′为向量ON与X轴的夹角, 根据向量所在象限的不同, 具体取值随之变化.令 $\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} = a_{x y}$ , 则旋转角度C可表示为

$C = {\begin{cases} \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 90 ° ? [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | - 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - 90 ° [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \end{cases} (5)$

1.2 求解旋转后的直角坐标值

求解工作台旋转后的任意刀位点 (xw, yw, zw) 在机床坐标系OXYZ中的坐标 (X, Y, Z) , 根据机床的运动顺序进行如下空间变换

(1) 将工件坐标系Owxyz原点平移到机床坐标系OXYZ原点O, 平移距离为 (x0, y0, z0-H) , 其中 (x0, y0, z0) 为工件坐标系原点在机床坐标系中的坐标值, 变换矩阵为

$Τ_{1} = [\begin{array}{l} 1 0 0 ? 0 \\ 0 1 0 ? 0 \\ 0 0 1 ? 0 \\ x_{0} y_{0} z_{0} - Η 1 \end{array}] (6)$

(2) 工件绕B倾斜轴旋转B角, 变换矩阵为

$\begin{array}{l} R_{2} = [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° - \sin 45 ° 0 \\ 0 \sin 45 ° - \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} c o s B 0 s i n B ? 0 \\ - s i n B ? c o s B 0 0 \\ 0 ? 0 1 0 \\ 0 ? 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° \sin 45 ° 0 \\ 0 - \sin 45 ° \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] (7) \end{array}$

(3) 工件绕Z轴旋转C角, 变换矩阵为

$R_{1} = [\begin{array}{l} c o s C s i n C 0 0 \\ - s i n C c o s C 0 0 \\ ? 0 0 ? 1 0 \\ ? 0 0 ? 0 1 \end{array}] (8)$

(4) 将工件坐标系原点平移到新工件坐标系O1x1y1z1原点处的坐标变换矩阵为

$Τ_{2} = [\begin{array}{l} 1 ? 0 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 1 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 0 ? 1 ? 0 \\ - x_{0} - y_{0} - z_{0} + Η 1 \end{array}] (9)$

因此, 工作台旋转后的刀位点的齐次坐标[X, Y, Z, 1]表达式为

[X, Y, Z, 1]=[xw, yw, zw, 1]T1R1R2T2 (10)

2 后置处理的Tcl语言编程实现

Tcl 是“工具控制语言 (tool control language) ”的缩写, 是一种交互式解释性计算机语言, 几乎可以在所有的平台上解释运行, 有强大的功能和简单的语法, 具有很强的可扩充性和可移植性.嵌入UG NX系统中, 通常用于CAM中的后置处理程序和加工文档处理程序.

应用Tcl语言编制后处理程序主要开展2项工作: (1) 完成事件定义文件的编写; (2) 完成事件处理文件的编写.事件定义文件用来控制事件处理后输出的数据格式, 事件处理文件用来控制加工过程中的每个事件的处理方式.为了快速搭建后置处理程序框架, 可以通过NX/Post Builder建立事件定义文件和事件处理文件的程序框架, 根据实际情况, 在程序框架中通过Tcl语言, 添加相应的用户化内容.

2.1 编写子程序完成B、C角度和刀位点坐标计算

在事件处理文件框架中新建3个子程序为:

proc MOMbeforemotion { };proc rotatec {c posin posout};proc rotateb {b posin posout}.

通过3个子程序分别完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

子程序proc MOMbeforemotion { }, Tcl语言源代码示例 (部分) :

(1) 定义全局变量

上述程序段为子程序proc MOMbeforemotion 的部分程序段示例, 由于篇幅关系不再展开叙述.通过Tcl语言进行一系列事件的逻辑判断、数学计算, 最终完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

2.2 后置处理程序与UG/CAM系统的集成

将定义好的事件处理文件和事件定义文件存储在相应的后置处理程序存放的根目录下, 如: (E:＼Program Files＼UGS＼NX 3.0＼MACH＼resource＼postprocessor) .并在该根目录中找到templatepost.dat文件, 打开该文件并对文件进行如下修改.DMU50V后置处理器$ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.tcl, $ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.def.

通过上述编辑完成了后置处理程序与UG/CAM系统的集成, 用户通过UG/CAM系统直接对DMU50V机床后置处理进行调用.

3 结束语

以上通过结合非正交五轴联动数控机床 (DMU50V) 的结构特点, 介绍了后置处理算法, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制并已成功应用于工程实际中.后置处理作为CAD/CAM系统中的关键环节, 决定了CAD/CAM软件的应用效果和复杂零件加工的质量、效率等.文中提出的机床运动学算法的推导对同类型设备和标准五轴联动数控机床的后置处理程序开发具有一定的参考价值.

摘要：针对非正交五轴联动数控机床, 即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床, 进行了机床结构分析, 通过对机床运动学求解, 提出了刀位点后置处理坐标变换的计算方法, 推导出相应的坐标变换公式, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制.该后置处理程序稳定可靠, 并已成功应用于工程实际中.

关键词：Tcl语言,后置处理,五轴联动

参考文献

[1]张磊.UG NX4后处理技术培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[2]李海泳, 张森棠, 赵明, 等.UG NX数控加工技术[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[3]成群林, 侯正全, 宋健, 等.特殊五坐标数控机床后置处理技术研究[J].航天制造技术, 2007 (6) :20-22.

[4]葛振红, 姚振强, 赵国伟.非正交五轴联动数控机床后置处理算法[J].机械设计与研究, 2006, 22 (2) :79-81.

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