多轴加工技术应用
08030103129 仲杰
机电学院 机设3班
轴加工机床的现状:多轴加工机床多为美国、日本、德国、意大利制造，例如美国的哈斯、日本的玛扎克、德国的德玛吉、巨浪等品牌在全球的市场占有率很高。
目前我国的沈阳机床厂、大连机床厂、济南机床厂等也能够生产五轴加工机床。 优势是：国有自主技术、价廉物美、易实现生产任务教学、售前及售后服务便捷、实际案例培训等。受到院校欢迎，已不再是“高级展示品”
因此产品质量的提高对产品性能要求提高，例如车灯模具：汽车大灯模具的精加工：用双转台五轴联动机床加工，由于大灯模具的特殊光学效果要求，用于反光的众多小曲面对加工的精度和光洁度都有非常高的指标要求，特别是光洁度，几乎要求达到镜面效果。采用高速切削工艺装备及五轴联动机床用球铣刀切削出镜面的效果，就变得很容易，而过去的较为落后的加工工艺手段就几乎不可能实现。
如今机床模具相互促进技术进步。采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。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。
多轴加工涵义：我们熟悉的数控机床有XYZ三个直线坐标轴
多轴指在一台机床上至少具备第4轴 三个旋转轴为A、B、C
多轴加工准确地说应该是多坐标加工，它与普通的二坐标平面轮廓加工、点位加工三坐标曲面加工的本质区别是增加了旋转运动，也就是说多轴加工时刀具轴线的相对于工件不再是固定不变的，而是根据需要刀轴角度是变化的。
应用前景：
1、零件集成度提高，产品设计及更新换代加快；
零件越来越小巧，功能越来越多，产品零件越来越复杂，产品质量高（焊接，铆接减少，制造周期缩短）
2、医疗器械（人工关节等）
随着国民经济的迅速发展，人们知识水平及生活水平的不断提高，对生活质量要求也提高了，人工关节应用越来越广泛。
3、军事
爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪八十年代末，日本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，使美国间谍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。
目前三轴数据加工机还是为工业界的主流，然而所要面对的精密机械加工，五轴才会将成为日后发展的趋势。
国内外对五轴加工技术的需求越来越大，国内也有许多工具机界正努力积极的朝向五轴加工机，作为日后的发展目标，为了使国内的制造工业界更具有竞争力，国内更需要本土化的五轴加工技术。
虽然一个完善的五轴加工系统，除了在硬设备上要求更精密之外，更需要搭配良好的刀具路径规划，和作业人员的培养，才能真正第发挥五轴工具机加工的优点。
要探讨的重点在于五轴零件曲面加工原理，必须先从CAD系统所得到的STL File进行刀具路径规划、推导逆运动转换公式，在透过计算机的动态仿真加工情形，再输入五轴加工之接口程序，并以PC based control的方式来实际加工工件。
未来，可利用PC based control的方式及五轴加工方法透过网络通讯与Rapid Prototyping相结合，或是以远程监控其加工过程，来提升国内的工业竞争力。
五轴加工技术
以往传统的三轴加工工具机只有3个正交的X、Y、Z轴，则刀据只能沿着此三轴做线性平移，而使加工工件的几何形状有所限制，因此必要增加工具机的轴数来获得加工的自由度，最典型的就是增加两个选转轴，成为五轴加工机。
由于使用平铣刀加工，相同表面精度要求下，五轴切销时铣刀轨迹间的距离比三轴加工(使用球铣刀)时要大的很多，换言之，自由曲面加工的时间可大幅缩短。此外，有些几何形状复杂的工件如涡轮叶片或是船用螺旋桨„等，必须考虑到工件和刀具的干涉，就必须要用到了五轴加工的工具机了，也就是探讨五轴加工原理的理由之一。
近年来的五轴加工已受到航天工业、汽车业、轮胎模具业、及其它模具业等所重视，又加上近年来国内外对五轴加工技术的需求越来越大，所以国内也有许多工具机业界正努力的网五轴加工工具机极力的发展着，也为了使国内的制造业更有对外竞争力，所以国内更需要有本土化五轴加工技术。
主要在五轴零件的曲面加工原理做探讨，先从CAD系统所得到的STL File来进行刀具的路径规划、推倒逆运动转换公式，透过计算机动态仿真加工的情况，进而输出五轴加工之接口程序，并以PC based control的方式来实际加工工件。
五轴加工机的主要形式
五轴加工机就是将以往的传统三轴加工工具机只有3个正交的X、Y、Z轴，增加工具机的轴数来获得加工的自由度，最典型的就是增加两个选转轴，成为五轴加工机。在五轴加工机系在X、Y、Z证交之三轴的驱动系统内，另外加装倾斜和旋转之双轴旋转的系统，在其中的X、Y、Z轴决定刀具的位置，两个旋转轴决定刀具的方向，将它分为三大类：
1、两个旋转轴都在主轴头的刀具侧，称为主轴倾斜型。 2、两个旋转轴都在工作物侧，称为工作台倾斜型。
3、一个旋转轴在主轴头的刀具侧，另一个旋转轴在工作侧，称为工作台/主轴
五轴加工优点
1、加工多个斜角倒勾时，利用旋转轴直接旋转工件，可降低夹治具的数量，并可以省去校正的时间。
2、利用五轴加工方式及刀轴角度的变化，并避免静点摩擦，以延长刀具寿命。 3、使用刀侧切销，减少加工道次，获得最佳质量、提升加工效能。 4、当倾斜角很大时，可降低工件的变形量。
5、减少使用各类成型刀，通常以一般的刀具完成加工。
五轴加工方式
五轴轮廓铣切常称为Sturz切削，Sturz在德文的意思是铣刀朝进给的方向向前倾斜的意思。Sturz角度是刀轴方向向量与曲面法向量之间的夹角，如图2-1所示，区分了刀轴的倾斜角和旋转角，但是在实用上是为了尽可能的减少扇型高度所形成的侧向误差量，但不影响路径间距，通常只应用到倾斜角而已。
有效铣削半径
对于类似涡轮叶片、风扇叶片、推进器等广泛的低曲率曲面的加工，为了快速且有效率的加工这些复杂的曲面，刀具形状的决定应该尽可能的接近曲面外型。五轴加工机选用端铣刀的Sturz加工，透过刀轴相对于加工面的倾斜，端铣刀的轮廓能够更接近所要的曲面。
端铣刀经过倾斜的一个角度后，在投影到平面上，则呈现椭圆形的区域，如果相对的切
削深度很小
由途中可明显的知道，它的有效半径为
其中α是刀具的前倾斜角，而R为刀具的半径。也就是说，前倾角是5度，则端铣刀的有效半径约是同一半径大小的球铣刀之11.5倍。同理当前倾角为90度的时候，则有效半径相当于端铣刀的刀具半径，等于说切削后的轮廓和球铣刀是一致的。
Sturz铣切的优点
1、用标准平端铣刀铣削曲面可以得到比较好的表面精度，扇型高度可以比较小。 2、可以避免球铣刀静点洗销的切点。
3、进给可以比传统的方式高，可以在两倍以上，所以切削效率较高。
4、使用Sturz铣削，如果倾斜角度很大的时候，其切削力几乎只有切线方向，而没有法线方线的切削力，所以工件的变形量很小，几乎不必等应力消除，就可以做精加工了。
路径规划
路径规划是采用STL曲面和切削平面的交线作为刀具的铣切路径，类似卡式刀具路径法，以下将介绍如何以STL曲面来做路径规划的方法。 STL
由美国3D系统所提出的STL文件，是从CAD数据库中透过CAD系统接口所产生的。STL档案接口格式是采用很多的小平面来表示一个曲面的外表、外型，每一个小平面则是由一个三角形来构成的，顶点位置依曲率变化动态随取的，使得近四往格面与原始曲面的误差在允许误差内。
路径规划法则
利用一连串互相平行的切削平面(XZ或YZ平面)对三角网格面作连续切剖，每一个切剖平面将会和三角网格交出一条由线段所构成的线段曲线出来，每一条线段就是由每一个三角形和切割面所交出的两个顶点所连接而来的，这些线段曲线即构成了刀具顶点移动所形成的路径。
所交出的线段即为刀具接触路径，每一条刀具接触路径曲线的X值或Y值会保持一定，而且由于路径点是由三角形所产生，路径间距以考虑到了原始曲面的形状变异性，因此这些路径的分布将是适切和符合曲面特性。
此路径规划法访的优点在于： 1、刀具接触路径是由切割平面和三角网络所交集出来的线段所构成，路径点的分布实际上已考虑到原始曲面曲率变化的特性。
2、单一路径为在同一平面上，易于整合复合曲面的刀具路径。
刀具路径间距的决定
相隔两刀具路径之间的间距，所谓刀具路径间距(Interval)，其影响到因刀具的几何形状所造成加工曲面的侧向误差量，也就是扇型高度，有些CAD/CAM系统，在规划加工路径时，基于曲面的复杂性，常需将路径间距设为定值，这个方法显然并不是基于路径最佳化的考虑，虽然它是适合平滑表面的加工，但对于曲面加工却容易造成工作表面不平滑，若路径间距的大小能取决于曲面的曲率变化情形，而决定两道刀具路径应保持的间距，以减少加工路径数，达到节省加工时间的目的，也应为如此，所以产生了等间距和适应性路径间距两种规划。
1、等间距的刀具路径间距
目前产生刀具路径时，通常是刀具路径投影在X-Y平面时，其投影后加工路径的距离大小都是想等的，如图4-1所示，故程序执行的速度会比较快。
2、适应性调整刀具路径间距
将侧向容许误差定义为想铣削路径中，刀具交点至通过两路径间所成的圆弧或是直线的最短距离，他影响到加工曲面的平滑度和精确性。而两相邻刀具路径的距离称为刀具路径间距，侧向误差可以经由路径间距和刀具倾斜角的调整而有所改变。
因此，希望在满足侧向容许误差范围内，使得刀具路径尽量宽，并使用平端铣刀以增加切削效益。
干涉问题的考虑
切削加工时，铣刀侧面碰撞到不能加工之工件曲面，或是碰到机台等，都称干涉。 在五轴加工路径规划上特别要小心形成干涉，否则轻者浪费材料、时间、刀具损坏，重者可能会造成人员伤亡或是机台损坏等。
为了避面整个曲面有干涉的情况发生，我们可以检查刀具除CC Data外，是否选与曲面有其它焦点的方法来侦测干涉。进一步采用侧倾角来防止干涉的产生。
五轴CNC系统
PC-Based控制系统 PC Based 控制是藉由PC的软件控制来达到运动控制的功能，其中计算机的键盘和屏幕来做为输入及输出的工具，因为其必须依赖到计算机所以称之为PC-Based。
其最大的优点是可与先进的CAD/CAM系统整合成为CAD/CAM/CNC系统。 PC Based控制器有以下的优点：
1、开放性的架构 2、易于维修 3、模块化特性 4、价格便宜
5、结合计算机的网络系统 6、可调整性
有了以上优点的PC Based控制器，越来越符合现在工业界的使用潮流，而且现在的科技日新月异，计算机的CPU处理速度也会越来越快，这些先进的科技对于PC Based的控制器来说，皆可立即应用上去。
PC-Based的五轴工具机简介
五轴加工CNC工具机整个硬件架构，机台方面是将YASKAWA的旋转轴，架在沛洛克公司的三轴工具机机台，其原来三轴的马达和驱动器已经全换成微锋自动科技公司的直流马达和驱动器。
控制方面由一台插入PMAC卡的个人计算机取代原来的PLC控制器( PC Based Control)。
计算机执行
计算机动态仿真
由于五轴加工机比传统的三轴加工工具机多两个旋转轴，所以刀具路径规划时也相对地变的比较复杂，避免将来实际加工时发生撞机或是材料的浪费等，有必要于加工前的计算机加工仿真，其计算机加工仿真的流程。 离心式涡轮叶片的加工
三轴数值控制加工机，在从事一般的曲面加工已有不错的结果，遇到复杂的曲面会有加工死角，必须要用到传统的钳工来完成加工，其加工精度和生产速度也会影响到，讲求精度和速度的工业界受到很大的压力。
加工过程：
1、进行外环轮廓的切削。
2、依设定的加工刀具半径找出吸入面的偏置面，和轮毂面球交线，并侦测干涉与否。 3、依设定的加工刀具半径找出压力面的偏置面，和轮毂面球交线，并侦测干涉与否。 4、切削轮毂面。
五轴数控加工难点
1、编程复杂、难度大、对使用者CAM软件应用水平要求高；
在三坐标铣削加工和普通的两坐标车削加工中，作为加工程序的NC代码的主体即是众多的坐标点，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。在编程的过程中，只需要通过对零件模型进行计算，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，更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，这就对计算能力提出了挑战。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。
比如常采用UG、Powermill等软件。
2、熟悉机床结构及后处理，需要采用辅助的加工仿真优化软件；
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。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，每大类中由于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，产生的刀具相对向上移动实现的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，产生的刀具向上移动。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。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。我们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。比如Vericut等仿真软件。
3、数控系统多采用Siemens840D和Heidenhain iTNC530等高档数控系统，需要全面掌握数控系统的各项功能；
4、五轴加工和高速加工紧密结合
（1）高速电主轴在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速
（2）高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加工中心已采用直线电机，于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。由于模具大多数是三维曲面，刀具在加工曲面时，刀具轴要不断进行制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。因此，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。 （3）转矩电机 在高速加工中心上，回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动，已广泛采用转矩电机来实现。转矩电机是一种同步电机，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以没有机械传动元件，它像直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。
结论
主要探讨了五轴加工CNC曲面加工原理。包括以STL File的曲面形式来进行五轴加工时所需要的刀具路径规划、计算机仿真加工情形，输出五轴加工之接口程序，并以PC based control的方式来实际加工具有复杂曲面特性的涡轮叶片。
五轴加工被应用在航天业和汽车业已经多年，主要优点是加工整体复杂工件时，只要一次的工件夹持定位；另一个好处在于可使用较短刀具，以确保切削精度。过去模具界甚少使用五轴加工，问题是机台的价格昂贵及NC程序制作困难。近来因为模具交期紧迫及价格压缩，使五轴加工受到模具业的重视。
国外的五轴加工机发展一段时间了，对国内也是一种冲击，所以我们也应该好好的朝五轴加工方面在加把劲，好好发展本土五轴加工，以提升工业竞争能力，相信中国的机械工业在世界各国也是不落人后的。
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