五轴机床加工一个埃菲尔铁塔,五轴机床编程与机床为啥那么牛?

2020-01-17来源:制造原理责任编辑:制造原理   

五轴机床加工一个埃菲尔铁塔

果然非同一般,编程与机床都很牛

机床是一个国家制造业水平的象征,而代表机床最高境界的是五轴联动数控机床。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床,这种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。 目前,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。

 什么是五轴加工?  

 五轴加工,顾名思义是数控机床加工的一种模式,是x、y、z三个移动轴再加上任意两个旋转轴,被认为是叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。而五轴机床也称作五轴加工中心,可以不改变工件在机床上的位置而对工件的不同侧面进行加工,可大大提高棱柱形零件的加工效率。  

除了XYZ轴,还有一个旋转轴和一个摆动轴。旋转轴可以是A轴也可以是BC轴,旋转轴是可以360度旋转的,摆动轴是除了旋转轴已定义后的(如A轴),剩下的两个轴当中的一个(如BC),摆动轴只能在一定的角度内进行摆动(如正负90度)而不能360度旋转。

 

像五轴卧式加工中心,5轴复合加工中心等等。绕X旋转的轴称为A轴,绕YZ轴旋转的轴称为BC轴。

 

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。

 

立式五轴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。

 

 

五轴机床机械结构形式多种多样,但主要有以下几种形式:

 

相较于传统的三轴机床,五轴机床具有改善切削条件、避免刀具干涉、一次装夹、提高加工质量和效率、简化生产管理、缩短新产品研发周期等众多优势。

由于五轴机床系统价格昂贵,加之NC程序制作较难,使其难以“平民”化应用,但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,国产五轴机床取得了突破性发展。

 

真假五轴

一台数控机床有五个联动轴并不能就此简单地称之为五轴机床,同样,一套数控系统能控五个轴,也不能就此声称为五轴数控系统。

判断其是否是真正的五轴机床和五轴数控系统,首先必须看其是否具备RTCP功能。

 

RTCP,即Rotational Tool Center Point的缩写,字面意思是“旋转刀具中心”。RTCP具有以下特点:

1.针对刀具的实际切削点执行进给控制;

2.针对五个轴的前瞻控制;

3.可处理垂直、倾斜和存在偏心的铣头;

4.“虚拟主轴”:将某个轴定向到刀具轴线上执行钻削和回退操作;

5.针对五轴的坐标旋转和(或)坐标变换;

6.参考坐标系(G194)的旋转:应用于加工程序以及那些来自JOG或手轮的运动。

没有RTCP功能的机床,其插补运算对象是刀具旋转中心,即刀轴点,而开启了RTCP功能的机床,则变成了刀尖点,其加工效果区别如下图所示:

高性能脉冲运动控制卡在视觉点胶、轮廓扫描上的应用。

 

RTCP的标定

机械部件加工和装配,使得旋转轴与理论设计存在偏差。例如,理论上,双转台五轴机床的两个旋转轴通常设计成相交且垂直,之间不存在空间距离,但是在实际中,不一定相交,也不一定垂直。

RTCP参数是描述五轴机床两个旋转轴相对位置的结构参数,五轴结构参数测量精度直接决定了 RTCP 功能的好坏,从而影响刀具中心点定位精度,因此五轴机床结构参数精密测量意义重大。

传统手工测量存在如下缺陷及局限性:

1)难以测量两个旋转轴的轴线方向,默认两轴线与相应坐标轴平行且相互正交,这是手工测量方法的前提。但是在实际中,两轴线不一定与坐标轴平行,也不一定相互正交,此测量前提是无法保证的,这样便会带来测量误差。

2)双转台RTCP 结构参数测量时,要求主动轴能在正向或者负向旋转 90°,并非所有机床具备这个角度行程。

3)操作步骤繁琐,自动化程度低,测量结果好坏往往与机床测试人员经验有很大关系。

为解决手工测量精度缺陷和使用局限性,最大限度实现测量的自动化和统一化,实现旋转刀具中心点精确控制,高性能轨迹运动控制卡ADT-09系列开发了一种RTCP拟合标定算法,通过测量模块中数据处理,能精确计算旋转轴轴线方向和偏移,改变了手动无法测量回转轴线方向和测量结果精度不足的局限,实现旋转刀具中心点的精确控制。

ADT-09系列的RTCP模型也支持非正交的五轴机床结构,支持旋转轴线任意方向、两旋转轴轴线正交与非正交、相交与异面的各种情况。

高性能脉冲运动控制卡在视觉点胶、轮廓扫描上的应用

 

ADT-8969G1运动控制卡

应用案例分享

那么运动控制卡,在具体的应用中,是如何发挥其RTCP功能的优势呢?

一、当RTCP遇上视觉点胶

如何实现手机中框倾斜任意角度的双工位、高精、高效点胶?

通常,点胶工艺出于对胶量等因素的控制,其出胶口须与工件保持固定的高度,平面点胶只需保持Z轴高度的前提下,实现轨迹控制和胶阀控制即可,而遇到类似如下情形,则一筹莫展——

经受住了这种考验,巧妙地利用了客户的视觉系统和激光测高系统,得出高精标定数据,配合螺距补偿、AC正交补偿等专门针对五轴设备的标定误差补偿功能,利用RTCP算法实现了手机中框倾斜任意角度的双工位、高精、高效点胶系统。

 

二、当RTCP遇上Focal

如何控制Focal激光测高仪跟随并等间隔采集手机轮廓?

该项目使用5D RTCP算法控制Focal激光测高仪跟随并等间隔采集手机轮廓,5轴平台A轴分别在0°/45°姿态下,使Focal绕手机正表面轮廓扫描一周,3D模拟软件可以利用Focal采集数据拟合描绘实际采集的3D效果,以观察手机正面、侧面的平整度。

五轴联动机床的使用,让工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具,降低了夹具的成本,避免了多次装夹,提高模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。

 

另外,由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具,所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度,减小切削力,提高刀具使用寿命,降低成本。

 

在传统的模具加工中,一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展,立式加工中心本身的一些弱点 表现得越来越明显。

 

现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工,球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显,但是如果用立式加工中心的话,其底面的线速度为零,这样 底面的光洁度就很差,如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具,可以克服上述不足。