现代数控技术课件专题六--五轴联动数控系统的理论和技术

1、2022/7/191专题六 五轴联动数控系统的理论和技术一、五轴联动数控加工介绍二、五轴联动机床的分类三、五轴联动数控加工流程和坐标变换四、五轴联动的非线性化误差和线性插补五、五轴联动的几种插补方法2022/7/192一、五轴联动数控加工介绍通过X,Y,Z三个平动正交轴，可以确定刀具在空间中的任意位置。通过两个旋转轴的调整，可以确定刀轴的倾角。五个自由度实现定位和定姿。2022/7/193一、五轴联动数控加工介绍五轴数控机床的特点:改变刀具方向转台摆头结构双摆头结构双转台结构三个平动，两个转动2022/7/194一、五轴联动数控加工介绍改变刀具方向带来的优势复杂工件刀具长度加工效率工艺性能通过

2、改变刀具方向可以提高刀具可达性，实现叶轮、叶片和螺旋桨等复杂曲面工件的数控加工整体叶轮汽轮机叶片复杂螺旋桨2022/7/195一、五轴联动数控加工介绍改变刀具方向带来的优势加工效率工艺性能复杂工件刀具长度通过选择合理刀具方向可以在避开干涉的同时使用更短的刀具，提高铣削系统整体的刚度，改善加工过程中的动态特性三轴五轴用小半径刀具加工时VS.2022/7/196一、五轴联动数控加工介绍改变刀具方向带来的优势工艺性能复杂工件通过规划刀具方向可以高效的刀具加工复杂曲面零件，减少装夹次数，提高加工效率一次装夹点铣加工侧铣加工VS.刀具长度加工效率2022/7/197一、五轴联动数控加工介绍改变刀具方向带

3、来的优势复杂工件刀具长度通过调整刀具方向可以使球头铣刀用合理的区域参与切削，降低切削力和刀具磨损，提高加工表面质量刀具方向影响切削力的大小控制切削区域加工效率工艺性能2022/7/198一、五轴联动数控加工介绍长征系列火箭发动机叶轮汽车（汽油机）涡轮增压器叶轮船舶（柴油机）涡轮增压器叶轮直11用Honeywell公司的航空涡轴发动机2022/7/199一、五轴联动数控加工介绍模具激光水切割2022/7/1910缩短加工时间提高加工质量降低加工成本加工复杂零件一、五轴联动数控加工介绍2022/7/1911 缩短加工时间减少工件装卡次数提高材料的去除率 一、五轴联动数控加工介绍2022/7/191

4、2 提高加工质量稳定加工精度提高表面平滑缩短刀具长度 五轴三轴一、五轴联动数控加工介绍2022/7/1913 降低成本延长刀具寿命减少加工设备提高效率减少工装和刀具 一、五轴联动数控加工介绍2022/7/1914 优势加工场合空间曲面（线）连续加工空间孔系高精度定位加工 一、五轴联动数控加工介绍2022/7/1915空间孔系高精度定位加工一、五轴联动数控加工介绍2022/7/1916专题六 五轴联动数控系统理论和技术一、五轴联动数控加工介绍二、五轴联动机床的分类三、五轴联动数控加工流程和坐标变换四、五轴联动的非线性化误差和线性插补五、五轴联动的几种插补方法2022/7/1917二、五轴联动数控

5、机床的分类 五轴联动数控加工中心双摆头结构双转台结构摆头转台结构 刀具双摆动 刀具摆动，转台转动 工作台双转动2022/7/1918二、五轴联动数控机床的分类 五轴联动数控加工中心双摆头结构进给坐标轴: 直线轴：X,Y,Z；旋转轴：A、C或者B、C。特点： 工件可以完全不动的放置在工作台上，适合加工零件体积和重量较大的工件，如大型的模具，不足之处：主轴采用双摆头结构，刚性较低，只适合进行精加工。 例如，FIDIA公司的KR211/214系统。2022/7/1919二、五轴联动数控机床的分类 五轴联动数控加工中心双摆头结构直线进给轴： X、Y、Z旋转轴：A(+95-110)、C(+200-200

6、)最大进给速度：直线轴:24m/min；旋转轴A/C:2000degrees/min定位精度：直线轴:0.012mm；旋转轴: 2最大主轴转速：24000rpmf刀库容量：422022/7/1920二、五轴联动数控机床的分类双摆头结构2022/7/1921二、五轴联动数控机床的分类双摆头结构2022/7/1922二、五轴联动数控机床的分类 五轴联动数控加工中心双转台结构 双转台机床的旋转坐标行程范围大，工艺性能好，双转台机床转台的刚性大大高于摆头的刚性，从而机床的总体刚性也较高。例如：DECKEL MAHO DMU 70V机床。 2022/7/1923二、五轴联动数控机床的分类 五轴联动数控加

7、工中心摆头转台结构摆头转台结构的性能介于上述两种结构之间。下图所示。例如：Felex 510 五轴卧式加工中心（A摆头、B转台）NUM 760系统。 2022/7/1924 五轴联动数控加工中心摆头转台结构(A、C轴）2022/7/1925二、五轴联动数控机床的分类五轴特种加工机床激光切割电火花加工离子束加工快速原型加工系统2022/7/1926专题六 五轴联动数控系统理论和技术一、五轴联动数控加工介绍二、五轴联动机床的分类三、五轴联动数控加工流程和坐标变换四、五轴联动的非线性化误差和线性插补五、五轴联动的几种插补方法2022/7/1927三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工的流程分

8、析CADCAM后处理CNC控制器 五轴联动加工的一般处理流程：2022/7/1928刀具路径的生成 刀轴控制方法的指定 工件的CAD模型 三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工的流程分析2022/7/1929加工参数的选择刀具路径规划数控加工的仿真后置处理五轴联动加工的流程分析。三、五轴联动数控加工流程和坐标变换2022/7/1930简要介绍通用商业CAM功能：可以指定加工方法：粗加工，半精加工，精加工可以指定走刀路径策略：如行切，等高线切削等可以指定波峰残余误差（scallop），内外公差，从而自动计算行距。可以指定避让几何，从而避免刀具与工件的碰撞可以进行刀具路径切削仿真，检查是否

9、存在过切与碰撞可以选择种类繁多的刀具，可以通过指定参数，生成用户自定义刀具。可以同时考虑刀具及工件的装夹，更全面的避免刀具碰撞。可以指定生成运动的类型，直线、圆弧、NURBS样条。三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工的流程分析 生成的刀位点数据采用六个参数表示：x，y，z，i，j，k；其中x，y，z表示刀具参考点的位置，i，j，k表示刀轴方向矢量。刀具参考点是刀具上的一点，相对位置固定， 2022/7/1931四、五轴联动数控的关键技术五轴联动加工的流程分析2022/7/1932工件的刀具路径表示 ： 坐标系OXYZ为工件坐标系。S为工件的一个表面，L为其中的一条刀具路径，P为刀具路

10、径上的一点，D为对应的刀轴方向。对于五轴加工，刀具路径是由刀具上一个固定的参考点所经过的轨迹和刀具轴的方向确定的。这个固定的刀具参考点为刀具末端的中心，例如，对于球头刀，固定点为刀具轴线与刀具球面的交点，对于平底刀，固定点则为刀具底部的中心。 三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工的流程分析2022/7/1933后处理： 对给定的刀位数据源文件进行处理，生成针对指定机床的NC代码。对刀位数据源文件中描述的刀轨，按照指定的线性化误差，生成相应的G代码。由刀位数据点x，y，z，i，j，k，到机床各轴相应的运动X，Y，Z，B，C的变换，由于两个旋转轴的关系，不再是简单的线性变换或坐标偏置，而

11、是存在复杂函数关系。 根据机床的结构形式，算法各不相同。 三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工的流程分析2022/7/1934后处理的目标是： 给定刀具参考点坐标x，y，z及刀轴方向i，j，k，求取相应机床三个平动轴的坐标X，Y，Z及两个旋转轴的坐标B，C。 XfX（x，y，z，i，j，k）；YfY（x，y，z，i，j，k）；ZfZ（x，y，z，i，j，k）；BfB（x，y，z，i，j，k）；CfC（x，y，z，i，j，k）； x，y，z，i，j，k五轴联动加工坐标变换三、五轴联动数控加工流程和坐标变换2022/7/1935 两个旋转轴的坐标比较容易理解，也就是使得刀具平行于给定的刀

12、轴方向i，j，k，两个旋转轴相应的坐标。三个平动轴的坐标，由于两个旋转轴的存在，变得比较复杂。假设机床的三个平动轴X、Y、Z分别产生平移运动X、Y、Z ，而两个旋转轴没有运动，那么刀具参考点也会产生同样的位移X、Y、Z ，但是，如果两个旋转轴分别转过角度B、C，那么，刀具参考点所产生的运动就不再是X、Y、Z ，而是要综合考虑三个平动轴的平移运动和两个旋转轴的旋转运动B、C 。 上面所说的坐标变换则这里分析的过程正好相反，这里分析的是从机床三个平动轴和两个旋转轴的运动到刀具参考点的运动，而坐标变换则是从刀具参考点坐标和刀轴方向反求机床三个平动轴和两个旋转轴的坐标。 坐标变换表达式的求解，与机床具

13、体的结构相关。三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工坐标变换2022/7/1936三、五轴联动数控加工流程和坐标变换几个重要概念： 第四轴：是一个旋转轴，而且它的运动独立于另外一根旋转轴，例如下图中的C轴。 第五轴：另外的一根旋转轴，它的运动受第四轴运动的影响。例如下面彩图中的B轴，它的方向会随C轴的运动改变。 摆动中心P：如果第四轴与第五轴相交，则为两旋转轴的交点，若不相交，则是过第五轴且垂直于第四轴的平面T与第四轴的交点。 摆动中心是不受两个旋转轴运动影响的，它的运动只与三个平动轴的运动有关。因此，我们把摆动中心的坐标作为三个平动轴的坐标。于是，对于双摆头结构，坐标变换就是，在已知

14、刀具参考点坐标及刀轴方向的条件下，求出两个旋转轴的坐标及摆动中心的坐标。从工件坐标系向机床坐标系的变换。 五轴联动加工坐标变换2022/7/1937三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工坐标变换双摆头结构2022/7/1938三、五轴联动数控加工流程和坐标变换工件刀具五轴联动加工坐标变换双摆头结构2022/7/1939三、五轴联动数控加工流程和坐标变换假定B、C轴是相交的，刀具初始位置所示，与Z轴平行。图中：为刀具旋转点，为刀具点，初始状态时，动轴B与Y轴平行，刀具轴线平行于Z轴，工件坐标系和机床坐标系方向一致，刀具坐标系原点在工件坐标系中的位置矢量为为工件上与刀具的接触点。设回转轴交

15、点到刀具坐标系原点的距离为L，在刀具坐标系中位置矢量为为要求的机床五个坐标轴相应的运动。刀轴方向矢量和刀位点矢量在工件坐标系中的表达式分别为，和 设这两个矢量可由刀具坐标系相对与机床坐标系的旋转和机床坐标系相当于工件坐标系的平移得到：五轴联动加工坐标变换双摆头结构2022/7/1940三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工坐标变换双摆头结构2022/7/1941由以上表达式计算得到：三、五轴联动数控加工流程和坐标变换由此可以得到：五轴联动加工坐标变换双摆头结构2022/7/1942三、五轴联动数控加工流程和坐标变换五轴联动加工坐标变换双转台结构2022/7/1943=三、五轴联动数控加

16、工流程和坐标变换五轴联动加工坐标变换双转台结构2022/7/1944三、五轴联动数控加工流程和坐标变换 五轴联动加工坐标变换双转台结构2022/7/1945专题六 五轴联动数控系统理论和技术一、五轴联动数控加工介绍二、五轴联动机床的分类三、五轴联动数控加工流程和坐标变换四、五轴联动的非线性化误差和线性插补五、五轴联动的几种插补方法2022/7/1946四、五轴联动的非线性化误差和线性插补1、五轴联动加工路径的非线性化误差曲面加工的刀具运动轨迹在理论上是由刀具与曲面的啮合关系所确定的一个连续函数,而在实际多轴数控加工中,刀具的运动方式为线性插补运动,连续光滑轨迹只能用一系列的小直线段进行离散逼近

17、,通过线性插补来近似包络成型。这样,刀具运动的包络面与加工表面之间就存在一定的逼近误差,这种由离散线性运动代替理想刀具轨迹所引起的加工误差是非线性误差。2022/7/1947四、五轴联动的非线性化误差和线性插补1、五轴联动加工路径的非线性化误差 后处理采用线性化的方法，即根据指定的线性化误差，把机床三个平移轴的运动采用小直线段来逼近。可以根据给定的机床运动变量参数（两个旋转轴的相对位置，刀具安装点的相对位置，刀具长度，工件坐标系的偏置等）和线性化误差，生成NC代码。如下图所示，直线AB为刀位数据文件中定义的一段直线刀轨，那么它对应的机床三个平移轴的运动则为一段曲线，AC与CB则为线性化后的两个

18、直线段，它们将是输出到NC的加工线段。 2022/7/1948四、五轴联动的非线性化误差和线性插补如果采用后处理来对刀位数据文件进行线性化，生成的数控代码就是若干段需要线性插补的小直线段。如图所示： 为转动中心的位置，为刀轴方向，在机床坐标系的坐标为。对于给定起点 ，终点；假设为其中的第j个插补点，则有：(1)2、五轴联动加工路径的线性插补2022/7/1949四、五轴联动的非线性化误差和线性插补 三个平动轴的合成速率为，加速度为 两旋转轴的角速度分别为， ，角加速度分别为， 。由(1)式可知：， 从而有：，（3）定义： ；（2）2022/7/1950四、五轴联动的非线性化误差和线性插补 可见

19、，对于五坐标的线性插补，三平动坐标的合成速率与两旋转轴的角速度并不是互相独立的，对于加速度亦是如此。因此，五坐标线性插补的进给速度可以由三平动坐标的合成速率 来指定，则两旋转轴的角速度亦随之确定。那么，五坐标线性插补的方法如下： 对于直线段 ，首先根据指定的三平动坐标的合成速率 和加减速控制算法，计算出第j个插补周期的三平动坐标的合成速率 和加减速控制算法，计算出第j个插补周期的三平动坐标的合成速率，则三平动坐标在该插补周期内的合成进给量为 （T为插补周期），三平动坐标各自的进给量分别为：，这与三坐标的直线插补是相同的。而两旋转轴的相应的进给量分别为：， 2022/7/1951专题六 五轴联动

20、数控系统理论和技术一、五轴联动数控加工介绍二、五轴联动机床的分类三、五轴联动数控加工流程和坐标变换四、五轴联动的非线性化误差和线性插补五、五轴联动的几种插补方法2022/7/19521、五轴联动加工数据流程五、五轴联动的几种插补方法2022/7/1953五、五轴联动的几种插补方法2、五轴联动几种插补方式 2022/7/1954工件坐标系与机床坐标系转换在CAM/CNC过程中的顺序问题。x，y，z，i，j，k工艺参数与通常三轴控制不同 切削深度是变量 进给量是变量 NC程序中的F代表了什么？五、五轴联动的几种插补方法2、五轴联动几种插补方式 2022/7/1955五、五轴联动的几种插补方法202

21、2/7/1956在五轴联动插补的数控系统中，变成有以下四种高速插补方式，这是由五轴联动中的非线性误差造成的。 机床坐标系下的线性插补。CAM后置处理经过坐标转换后输出NC代码。小线段用前看速度平滑。该种方法有非线性误差。 工件坐标系下离散刀位点直接插补。将CAM输出的刀位点直接插补，插补后进行坐标转换。该种方法基本上无非线性误差。 机床坐标系下的样条曲线插补。CAM后置处理经过坐标转换后输出NC代码，再CNC中由样条拟合后插补。该种方法有非线性误差。 工件坐标系下的双样条曲线插补。CAM直接输出样条曲线，CNC进行样条插补后进行坐标转换。该种方法基本上无非线性误差。五、五轴联动的几种插补方法2

22、、五轴联动几种插补方式 2022/7/1957五、五轴联动的几种插补方法 2、五轴联动几种插补方式 x，y，z，i，j，k（1）机床坐标系下的线性插补这是五轴加工中最为传统、得到CAM软件普遍支持，也是应用最为广泛的一种方式，所有的五轴数控系统都支持这种方式，因此对这种方式进行研究仍有一定意义。2022/7/1958五、五轴联动的几种插补方法 2、五轴联动几种插补方式 （1）机床坐标系下的线性插补由于这种方式的加工代码由大量微小程序段组成，而且程序段间一阶不连续，采用传统的在单个程序段进行加减速的速度规划方式，会使得进给速度波动严重，甚至根本达不到编程进给速度，影响加工质量和速度。“前瞻”速度平滑方法是解决这个问题的关键。但这种方式不能对工件坐标系下刀具参考点（刀尖点）的进给速度进行有效的控制。2022/7/1959五、五轴联动的几种插补方法 2、五轴联动几种插补方式 （2）工件坐标系下离散刀位点直接插补这种方式可以对工件坐标系下刀尖点的进给速度进行有效控制，一些高档数控系统提供这种功能，如Siemens840D的TRAORI功能。但离散刀位点间的距离十分短且一阶不连续，配合这种插补方式的前瞻控制是实现进给速度平滑的关键。由于，五轴机床运动学模型的非线性，尽管刀尖点的速度