五轴机床轨迹控制.doc

五轴联动数控机床加工过程中轨迹控制问题：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。 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。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。例如，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。大型雕塑零件的加工，如大型水轮机叶片、螺旋桨叶片等由多张雕塑曲面组成的封闭曲面体零件，其加工面积从几平方米到数十平方米，采用五轴联动数控加工是目前最有效的加工方法。对于大型雕塑曲面五轴联动数控加工的刀位轨迹生成五轴联动数控加工的刀位轨迹计算是大型雕塑曲面零件加工中一个很重要的问题，为了获得好的表面质量和高的加工效率，要求在零件上不同区域的曲面形状需要采取与之相适应的加工方式。高质量的刀具轨迹生成方法除应保证编程精度和无干涉外，同时应满足通用性好、加工效率高、代码量小等等条件。对于雕塑曲面的多轴联动端铣加工，均采用行切加工方式，各种行切加工方式均可归结为曲面上曲线的加工问题，这样就提出了如何根据加工的曲面生成正确的刀位轨迹的问题。由曲面模型生成无干涉刀位数据主要有以下几种方法：1曲面模型无干涉CC数据CL数据；2曲面模型多面体模型CL数据；3 曲面模型偏置面模型CL数据；4 曲面模型CC数据无干涉CL数据。经分析，在大型雕塑曲面的五轴联动加工中一般采用第4种方法生成刀位数据。对于五轴联动加工的刀位轨迹规划 针对雕塑曲面零件的各张曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是在保证加工质量要求的前提下高效率加工出大型零件关键的技术之一。如大型叶片数控加工的刀位轨迹规划中，首先应考虑叶片的流体动力特性，确定和优化走刀路径。第二步应根据叶片曲面几何设计要求，控制和合理分配误差，采用适合各曲面的刀具几何形状和参数，合理确定走刀步长和走刀行距计算出刀具切触（CC）点的数据。大型曲面加工可采用等残余高度规划法搜索计算相邻的CC轨迹，完成走刀行距计算。在大型雕塑曲面的刀位轨迹规划中既要严格控制加工误差，又要尽可能提高加工效率。目前的CNC系统在五轴联动控制时一般只有线性插补功能，而五轴联动加工的各轴的联动规律是复杂的非线性关系，在CAM系统中，由弦弓高误差来近似确定加工误差和进给步长，而没有考虑回转轴的摆动长度对加工误差的影响。另外在大型叶片加工中，回转轴的摆动长度一般都相对较大，这些非线性误差对大型雕塑曲面加工加工尤为重要，可采用考虑三维非线性误差来计算走刀步长。第三步，应根据各曲面的曲率分布情况，确定合理的刀轴控制方式等，计算刀轴矢量，实现五轴联动刀位轨迹计算。 对于五轴联动数控加工的刀轴矢量计算在五轴联动数控加工曲面的过程中，刀轴矢量是由定义在刀位轨迹上的局部坐标系（Frenet坐标架）的 L（后跟角）和L（摆转角）两个角度来确定。当 L=L=0时，为刀具轴垂在于表面的端铣方式，当L=90时，为刀具轴平行于加工表面的侧铣方式。刀轴控制方式是影响五轴联动加工效果的一个重要因素，其确定原则是获得高的切削效率，同时考虑加工中可能存在的刀具干涉现象。另外，它对于刀具的切削寿命、机床的受力状况等都有影响。五轴联动加工中刀轴控制的最高境界是具有随曲面变化的自适应能力，在避免干涉的前提下获得最佳的加工效果。由于问题的复杂性，目前的CAM系统中一般在五轴联动端铣加工方式提供了Sturz方法，即人工输入固定倾角，如何确定这两个角度便成为雕塑曲面的五轴联动加工刀位轨迹计算的关键问题。 在雕塑曲面零件的五轴联动加工刀位计算时，根据各张曲面加工的特点，确定其控制刀轴的姿态的两个角度。实际加工表明，L和L值太大，不仅降低加工效率，而且恶化了刀具的切削条件。对于小曲率的曲面，采用大直径面铣刀，一般只需要调整L即可。因此在实际工程中，为了提高计算效率，在确定刀轴矢量的时候，可以先不考虑刀杆与整个零件曲面的干涉(碰撞)情况而只考虑刀盘底面与加工点附近局部加工表面的干涉 (啃切)情况，其L可以按如下的简化方法计算确定。 将通用加工刀具的刀具模型简化为半径等于有效刀具半径为Re=R1+R2sinL的端铣刀，设加工表面的微分几何结构为凹椭圆点表面(即加工表面的主曲率K1和K2都大于零)，铣刀与加工表面切触于CC点，在CC点建立局部坐标系，设Kb和Kf分别为加工表面在CC点处沿b方向和f方向的法曲率。取K=max(Kf,Kb)，通过推导分析，要刀盘与切触点微区域间的不干涉，刀具的后跟角应满足： sin L KR (1) 由于刀具的有效切削半径R是随的L变化而变化，并取： L = arcsin(KR )+2 (2) 根据加工表面的曲率计算分析2确定曲面的局部性态，在凹椭圆点外，双曲点、凹抛物点可按上式计算，对于凸抛物点和凸椭圆点， 取：L =2即可。对于大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴矢量。从加工效率、表面质量和切削工艺性能来看，选择沿叶片造型的参数线作为铣削加工的方向分多次粗铣和一次精铣，然后划分加工区域，定义与机床有关的参数，根据以上所选叶片的加工部位、装夹定位方式、机床、刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于不同的