五轴加工与数控仿真

1、内容提要内容提要五轴加工技术及五轴机床介绍五轴数控编程技术介绍（以PowerMill为例）五轴数控仿真介绍（以Vericut为例）五轴数控编程与仿真实例介绍介绍 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复杂的加工。能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代产品与模具的加工。 五轴加工中心是一种高科技的手段，它让不可能变成了可能，一切的空间曲面，异型加工都可以完成实现。它不但能够完成复杂工件完成机械化加工的任务，而且还能够快速提高加工效率，缩短加工流程。为什么使用五轴？为什么使用五轴？ 加工一个带有三维曲线的平面时取得最佳切削状态为什么使用？为什么使用？ 在机床区域任何任何地方加

2、工几何形状，刀具轴的设置角必须是可变的为什么使用？为什么使用？ 铣削深槽刀具不够长？刀具伸出太长？刀具太小，刚性不足 ？为什么使用？为什么使用？ 叶轮等具有空间角度曲面的复杂加工什么是多轴加工什么是多轴加工 所谓多轴加工就是在原有三轴加工的基础上增加了旋转轴的加工.如4轴、五轴等。机床运动的比较机床运动的比较 三轴 五轴（高精度需求）CNC编程轴的定义编程轴的定义 以坐标轴X、Y、Z描述CNC程序中的设定位置，以方向矢量描述刀轴的方向 俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直 俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直 五轴机床运动五轴机床运动加工工件时机

3、床工艺选用加工工件时机床工艺选用五轴机床运动五轴机床运动刀具长度对机床运动的影响刀具长度对机床运动的影响方向的改变对直线轴运动的影响方向的改变对直线轴运动的影响RTCP功能功能 1.1.RTCPRTCP（Rotary tool center pointRotary tool center point）功能是指刀轴旋功能是指刀轴旋转后为保持刀尖不变五轴转后为保持刀尖不变五轴controllercontroller自动计算并执行线性自动计算并执行线性轴补偿；轴补偿； RTCP ONRTCP ON时，机床各线性轴在旋转后的坐标系时，机床各线性轴在旋转后的坐标系内移动。内移动。 2.2.对于没有对于没

4、有RTCPRTCP功能的五轴机床，后处理输出程序在工功能的五轴机床，后处理输出程序在工件装夹完测量出基准点到机床中心距离之后才能做；对件装夹完测量出基准点到机床中心距离之后才能做；对于有于有RTCPRTCP功能的，后处理输出程序无需考虑工件在机床功能的，后处理输出程序无需考虑工件在机床上的具体位置。上的具体位置。 3.3.RTCP功能功能Part Position on the table工件在工作台的定位With RTCP enabled, the datum of the part can be clocked with ease，有RTCP功能，工件的基准位置任意Without RTCP

5、 enabled, the PowerMILL NC Programmust be output with a Workplane positioned at themachines 0 0 0，对于没有RTCP功能的机床，PowerMILL的NC程序必须以机床坐标系零点来输出五轴数控编程技术介绍五轴数控编程技术介绍以PowerMill为例DELCAM Delcam 是世界领先的专业 CAD/CAM 软件公司。Delcam Plc总部位于英国名城Birmingham 。Delcam软件的研发起源于世界著名学府剑桥大学，经过三十多年的发展，Delcam软件系列横跨产品设计、模具设计、产品加工、模

6、具加工、逆向工程、艺术设计与雕刻加工、质量检测和协同合作管理等应用领域。PowerMILL 高效初加工高效初加工赛车线加工Delcam 拥有专利权的赛车线加工策略。在此策略中，随刀具路径切离主形体，初加工刀路将变得越来越平滑，这样可避免刀路突然转向，从而降低机床负荷，减少刀具磨损，实现高速切削。螺旋区域清除加工对某些几何形体位置可使用螺旋策略来替代偏置策略，使刀具做连续、平滑移动，从而可最小化刀具的空程移动，减小整体加工时间，同时刀具负荷更稳定，减少刀具的加速和减速，保持更稳定的切屑负荷，从而减少刀具的磨损和损坏。PowerMILL 中包含有多个全中包含有多个全新的高效初加工策略，这些策新的高

7、效初加工策略，这些策略充分利用了最新的刀具设计略充分利用了最新的刀具设计技术，从而实现了侧刃切削或技术，从而实现了侧刃切削或深度切削。深度切削。马蹄形连接区域清除 可在一定行距条件下增加一些特殊的刀具路径末端，产生比圆形连接更加光顺的马蹄形连接，从而改善区域清除刀具路径的残留刀痕，延长刀具寿命，降低整体加工时间和成本。 自动摆线加工这是一种组合了偏置初加工和摆线加工策略的加工策略。它通过自动在需切除大量材料的地方使用摆线初加工策略，而在其它位置使用偏置初加工策略，从而避免使用传统偏置初加工策略中可能出现的高切削载荷。 由于在材料大量聚积的位置使用了摆线加工方式切除材料，因此降低了刀具切削负荷，

8、提高了载荷的稳定性，因此，可对这些区域实现高速加工。残留粗加工残留刀具路径将切除前一大刀具未能加工到而留下的区域，小刀具将仅加工剩余区域，这样可减少切削时间。 Delcam PowerMILL 在残留初加工中引入了残留模型的概念。使用新的残留模型方法进行残留初加工可极大地加快计算速度，提高加工精度，确保每把刀具能进行最高效率切削。这种方法尤其适合于需使用多把尺寸逐渐减小的刀具进行切削的零件。可随时查看残留模型状态，帮助选取加工策略和刀具尺寸。 插铣区域清除加工高速精加工策略高速精加工策略螺旋三维偏置精加工 PowerMILL 提供了多种高速精加工策提供了多种高速精加工策略，如三维偏置、等高精加

9、工和最佳等略，如三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。这高精加工、螺旋等高精加工等策略。这些策略可保证切削过程光顺、稳定，确些策略可保证切削过程光顺、稳定，确保能快速切除工件上的材料，得到高精保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。度、光滑的切削表面。等高精加工等高精加工最佳等高精加工最佳等高精加工螺旋等高精加工螺旋等高精加工曲面精加工策略曲面精加工策略参数偏置精加工参数偏置精加工高效的刀具路径连接高效的刀具路径连接刀具路径修圆功能刀具路径修圆功能五轴刀轴矢量控制 1.1.五轴刀轴矢量控制是五轴刀轴矢量控制是CAMCAM系统五轴技术的核心系统五轴技术的核心

10、2.2.五轴五轴CAMCAM系统给出每个切削点刀具的刀位点（系统给出每个切削点刀具的刀位点（X,Y,Z)X,Y,Z)和刀轴矢量和刀轴矢量( (I,J,K)I,J,K)，五轴后处理器将刀轴矢量（五轴后处理器将刀轴矢量（I,J,KI,J,K）转化为不同机床的旋转轴需要转动的角度（转化为不同机床的旋转轴需要转动的角度（A,B,CA,B,C中的中的两个）；然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性轴需要移两个）；然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性轴需要移动的各轴位移（动的各轴位移（X,Y,ZX,Y,Z）。）。 3.PowerMILL 3.PowerMILL 五轴刀轴矢量控制的方式丰富灵活，可通五轴刀轴矢量控制的方

11、式丰富灵活，可通过投影方向、点、直线、曲线、平面、曲面来控制，是过投影方向、点、直线、曲线、平面、曲面来控制，是领先的五轴联动加工系统领先的五轴联动加工系统。PM刀轴控制前、侧倾角 侧倾角使刀轴绕切削方向侧旋一个角度从而避免刀尖切削侧倾角使刀轴绕切削方向侧旋一个角度从而避免刀尖切削Lean Angle defines a rotation of the Tool axis at right Lean Angle defines a rotation of the Tool axis at right angles to the direction of travelangles to the

12、direction of travel 正角时为右倾，负角时为左倾正角时为右倾，负角时为左倾Can be positive or Can be positive or negative to indicate a right/ left leannegative to indicate a right/ left lean 设置侧倾角能有效避免刀具干涉设置侧倾角能有效避免刀具干涉Useful to avoid Useful to avoid collisions when machining close to obstaclescollisions when machining close t

13、o obstacles刀轴通过点From a Point 使刀轴总是通过某一固定点从而避免刀尖切削使刀轴总是通过某一固定点从而避免刀尖切削The tool is aligned so that the axis passes The tool is aligned so that the axis passes through a specified point with the cutting through a specified point with the cutting end pointing away from the pointend pointing away from th

14、e point刀轴通过直线Towards a Line 刀轴总是通过直线上的点刀轴总是通过直线上的点对齐，从而避免刀尖切削对齐，从而避免刀尖切削 The tool is aligned so that The tool is aligned so that the axis passes through a the axis passes through a specified line with the specified line with the cutting end pointing cutting end pointing towards the linetowards the l

15、ine刀轴总是通过用户定义直线上刀轴总是通过用户定义直线上的点的点Tool axis will always pass Tool axis will always pass through the user-defined linethrough the user-defined line刀轴通过3D曲线Through a 3D curve 提供了比直线更灵活有效提供了比直线更灵活有效的刀轴控制策略的刀轴控制策略 Offers much more control and Offers much more control and flexibility than lineflexibility

16、than line 刀轴总是通过用户定义的刀轴总是通过用户定义的曲线曲线 Tool axis will always pass Tool axis will always pass through the user-defined through the user-defined curvecurvePowerMILL多轴路径策略PowerMILLPowerMILL丰富的三轴粗加工丰富的三轴粗加工和精加工刀路策略全部能用于和精加工刀路策略全部能用于五轴加工。五轴加工。有多种专用的有多种专用的5 5轴加工策略轴加工策略驱动曲面Drive Surface 投影方向和刀轴方向由驱投影方向和刀轴方向由

17、驱动曲面（银色面）决定动曲面（银色面）决定 Projection direction and tool Projection direction and tool orientation determined by orientation determined by drive surface (silver)drive surface (silver) 驱动曲面为单一曲面，而驱动曲面为单一曲面，而模型为多曲面模型模型为多曲面模型Single Single drive surface but multi-drive surface but multi-surface partsurface p

18、art狭槽的5轴加工 3 3轴加工球刀清角时会留轴加工球刀清角时会留下圆角，必须手动加刀路下圆角，必须手动加刀路清出直角清出直角 5 5轴加工则可用平底刀清轴加工则可用平底刀清出利角，无需在再后续电出利角，无需在再后续电极清角极清角 不用后续电极清角就意味不用后续电极清角就意味着节省时间提高加工质量着节省时间提高加工质量Swarf加工Swarf MachiningSwarfSwarf加工使用刀具侧刃切削加工使用刀具侧刃切削Swarf Machining cuts with Swarf Machining cuts with the side of the toolthe side of the

19、 tool由于切削刀具是直刃，所以只由于切削刀具是直刃，所以只能加工可展开的曲面（直纹面）能加工可展开的曲面（直纹面）It can only be used with It can only be used with developable surfaces as developable surfaces as cutter side is straightcutter side is straight切削的深度可由下切步距和曲切削的深度可由下切步距和曲面宽度控制面宽度控制Depth of cut can Depth of cut can be controlled by a fixed be

20、 controlled by a fixed stepover or fraction of stepover or fraction of surface widthsurface width用锥度刀做Swarf加工Swarf machining with tapered tools 允许使用更大的刀具允许使用更大的刀具Allows larger tools to Allows larger tools to be usedbe used 能够切除更多的余量能够切除更多的余量Removes more Removes more materialmaterial 使工件的装夹更灵活使工件的装夹更

21、灵活Increases flexibility Increases flexibility possible in fixturespossible in fixtures线框Swarf加工Swarf machining from wireframe在曲面不能真正展开在曲面不能真正展开( (非直非直纹面）的时候特别适用纹面）的时候特别适用Suitable where surfaces are Suitable where surfaces are not truly developablenot truly developable在曲面内部结构很差时特在曲面内部结构很差时特别适用别适用Suit

22、able where internal Suitable where internal surface structure is poorsurface structure is poor在曲面边缘加工不理想时在曲面边缘加工不理想时特别适用特别适用Suitable where edge Suitable where edge matching is not perfectmatching is not perfect5轴钻孔5-Axis Drilling PowerMILLPowerMILL能够自动识别其能够自动识别其他他CADCAD系统产生的孔特征，系统产生的孔特征，并自动产生五轴钻孔刀路并

23、自动产生五轴钻孔刀路 对于对于Heidenhain Heidenhain 等有等有working planeworking plane功能的五轴功能的五轴controllercontroller，DuctpostDuctpost以钻以钻孔循环输出；对于孔循环输出；对于AndronAndron等不支持等不支持working planeworking plane的的五轴五轴controllercontroller，DuctpostDuctpost以普通线性插补以普通线性插补G01G01输出。输出。PowerMILLPowerMILL针对发动机等的弯形管件有从粗加工到针对发动机等的弯形管件有从粗加工

24、到精加工的一套加工方案精加工的一套加工方案自动防护选项Auto-avoid option 自动调整刀路避免碰撞自动调整刀路避免碰撞Automatically adjusts Automatically adjusts toolpath to avoid collisiontoolpath to avoid collision 在公差范围内自动调整刀在公差范围内自动调整刀轴方向避免干涉轴方向避免干涉Changes Changes tool axis automatically to tool axis automatically to avoid obstruction by avoid obs

25、truction by tolerance specifiedtolerance specified五轴机床仿真1.1.五轴刀具路径完全自动防过切和自动刀头碰撞检查。该特性跟五轴刀具路径完全自动防过切和自动刀头碰撞检查。该特性跟三轴加工一样良好。三轴加工一样良好。 2.2.建立实际五轴机床模型，有效避免机台碰撞。五轴加工跟三轴建立实际五轴机床模型，有效避免机台碰撞。五轴加工跟三轴加工最大的不同，就是前者由于工作台或刀头的摆动和旋转，加加工最大的不同，就是前者由于工作台或刀头的摆动和旋转，加工过程中容易发生主轴或刀头刀具跟工件、夹具、工作台碰撞。工过程中容易发生主轴或刀头刀具跟工件、夹具、工作台

26、碰撞。区别于三轴加工只需注意到的刀头跟工件的碰撞，我们将其称为区别于三轴加工只需注意到的刀头跟工件的碰撞，我们将其称为机台碰撞。这样通过仿真无碰撞的程序，就可以放心的在五轴机机台碰撞。这样通过仿真无碰撞的程序，就可以放心的在五轴机床上运行。床上运行。DMU160POPS650Mikron UCP710仿真与验证 PowerMILLPowerMILL的仿真可选项的仿真可选项现扩展到包含了验证功能；现扩展到包含了验证功能； Simulation option in PowerMILL Simulation option in PowerMILL has now been extended to h

27、as now been extended to include verificationinclude verification 程序上机床之前，在计算程序上机床之前，在计算机上进行检查；机上进行检查； Allows programs to be checked Allows programs to be checked on the computer before being on the computer before being sent to the machinesent to the machine五轴数控仿真介绍五轴数控仿真介绍 （以（以VERICUT为例）为例）为什么需要软件模拟仿真？为什么需要软件模拟仿真？ NC程序有错 编程人员粗心大意 CAM软件系统有错 后置