多轴数控加工及工艺（第二版）

多轴数控加工及工艺“十三五”职业教育国家规划教材经全国职业教育教材审定委员会审定华中科技大学出版社精品课件系列Contents项目5陀螺的五轴加工项目4蜗杆的四轴加工项目3D80盘铣刀五轴定向加工项目2多面体五轴定向加工项目1凸轮槽轴车铣复合数控加工项目6涡轮的五轴联动数控加工知识目标：1．了解车铣复合加工技术；2．理解车铣复合机床结构与工艺特点；3．理解涂层刀具材料；4．掌握涂层刀具切削用选择与计算。能力目标：1．能合理分析车铣复合工艺过程；2．能合理选用高性能刀具切削用量；3．能正确编制车铣复合加工工艺。思政目标：1．感受祖国技术实力的快速发展，培养学生爱国情怀。2．复合加工技术引申至复合型人才，激发学生学习动力。车削加工中心是一种以车削加工为主，通过添加铣削动力刀座、动力刀盘或机械手，可实现铣削、钻削等加工的车铣合一的切削加工机床类型。在回转动力刀盘上安装带动力电机的铣削动力头，装夹工件的回转主轴转换为进给C轴，便可对回转零件的圆周表面及端面等进行铣削、钻削等加工。车削中心除具有一般二轴联动数控车床的各种车削功能外，车削中心的转塔式刀盘上有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成形要求连续（不等速回转）运动和进行连续精确分度的C轴功能，并能与X轴或Z轴联动。控制轴除X、Z、C轴之外，还可具有Y轴。可进行端面和圆周上任意部位的钻削、铣削和攻螺纹等加工，在具有插补功能的条件下，还可以实现各种曲面铣削加工，主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工，具有高精度、高效率、高柔性化等综合特点，适合中小批量形状复杂零件的多品种、多规格生产。车铣复合加工Z向铣削指令具有X、Y、Z、C方向运动的车削中心在Z向铣削过程中，运动形态与三轴铣削机床一致，在此我们不在讨论。具有X、Z、C方向运动的车削中心在Z向铣削过程中，需要X、C运动方向配合模拟Y方向，我们称之为虚拟Ｙ轴。在此我们重点讨论虚拟Y轴指令编程。SIEMENS840D-TRANSMITT1D1DIAMOF(半径编程)G54G94S1=500M1=3M108G00X50Z10C4=0TRANIMIT(Y虚拟轴转换)G00Z-8G42G01X30Y0F100X15Y25.981X-15FANUC18i-G12.1/G13.1T0101M52（选择刀架为主轴）G54G94G00X50Z10S500M303C0G12.1(Y虚拟轴转换)G00Z-8G42G01X30C0D01F100X15C25.981X-15SIEMENS840D-TRANSMITX-30Y0X-15Y-25.981X-15X30Y0G40X50G00Z20TRAFOOFM30FANUC0i-G12.1/G13.1X-30C0X-15C-25.981X-15X30C0G40G01X50G00Z20G13.1M30车铣复合加工X向铣削指令具有X、Y、Z、C方向运动的车削中心在X向铣削过程中，运动形态与四轴铣削机床一致，在此我们不在讨论。具有X、Z、C方向运动的车削中心在X向铣削过程中，刀轴中心始终与主轴工件中心相交垂直。在此我们重点讨论此种运动形态指令编程。X向加工指令通常将槽展开，将C向角度转换成虚拟Y坐标进行编程。SIEMENS840D-TRACYLT1D1DIAMOF（半径编程）G54G19G94S1=500M1=3G00X50Z-44.29C4=0TRACYL(50)（设定槽底直径转换虚拟Y轴）G00Z-44.29Y-39.25G01X25F100Z-15.71Y39.25G00X50TRAFOOFM30FANUC0i-G7.1T0101G54G94G00X50C0S500M303G19G01G91Z0C0(X向加工固定格式)G90G7.1C50(设定槽底直径转换虚拟Y轴)G01Z-44.29C-90F100X25Z-30C0Z-15.71C90G00X50G07.1C0M30知识目标：1．了解多轴数控加工设备；2．理解多轴数控加工工艺特点；3．理解定位加工与联动加工。能力目标：1．能合理分析五轴定向加工工艺。思政目标：1．介绍国内多轴数控加工设备，提升学生爱国情怀。华中科技大学出版社精品课件系列多轴定向加工是指在多轴机床（比如X、Y、Z、A、C五根运动轴）上进行X、Y、Z三轴联合运动，另外两根旋转轴（如A、C轴）分度固定在某个角度的加工。多轴定向加工是五轴定位加工的方式之一，也是五轴加工中最常用的一种加工方式，通过使用这种方式能完成大部分零件侧面结构的加工。华中科技大学出版社精品课件系列多轴定向加工方式能实现以下功能：1、能够加工出三轴数控机床上无法加工到的零件区域；2、能够避免球头铣刀的静点切削状况，改善刀具切削条件以及零件表面加工质量；3、使用更短的刀具加工出深长型腔；4、为模具零件加工带来更快的加工效率。3+2轴加工方式也有其局限性，例如涡轮叶片的精加工就不适合使用这种方式，而必须使用五轴联动加工方式。华中科技大学出版社精品课件系列华中科技大学出版社精品课件系列SIEMENS840DHEIDENHAIN530FANUC31iTRAORI(五轴转换生效)ORIWKSAROTX

Y

Z

（空间旋转角度）PLANESPATIALSPA

SPB

SPC

（五轴转换生效，空间旋转角度）G68.2I

J

K

，

（五轴转换生效，空间旋转角度）TRAFOOF（五轴转换取消）PLANERESET（五轴转换取消）G69（五轴转换取消）华中科技大学出版社精品课件系列SIEMENS840DHEIDENHAIN530FANUC31iN100G40G17G710G94N101G90G60G601N102T1M6N104TRAORIN106G54N108ORIWKSN110G0A0.0C0.0N112G0X-55.Y-40.N114Z70.S2546D1M3N116Z53.0BEGINPGM1TOOLCALL1ZS25462CYCLDEF247Q339=13LA+0.0C+0.0FMAX4M3M85M1267LX-55.Y-40.FMAX9LZ70.FMAXM310LZ53.FMAXN100G40G17G90G49G21N102T1M06N104G97G90G54N106A0.0C0.0N108G43H01S2546M03M08N110G94G90X-55.Y-40.Z70.N112Z53.华中科技大学出版社精品课件系列SIEMENS840DHEIDENHAIN530FANUC31iN118G1Z50.F509.N120CUT3DCN122G41X-40.N124Y20.N126G2X-20.Y40.I20.J0.0N128G1X15.N130X40.Y15.N132Y-40.N134X-40.N136G40N138Y-55.N140Z53.N142G0Z70.N144TRAFOOF11LZ50.F509.12LX-40.RL13LY20.14CCX-20.Y20.15CX-20.Y40.DR-16LX15.17LX40.Y15.18LY-40.19LX-40.20LY-55.R021LZ53.22LZ70.FMAX23M524LM140MBMAXN114G01Z50.F509.N116G41X-40.D01N118Y20.N120G02X-20.Y40.I20.J0.0N122G01X15.N124X40.Y15.N126Y-40.N128X-40.N130G40N132Y-55.N134Z53.N136G00Z70.华中科技大学出版社精品课件系列SIEMENS840DHEIDENHAIN530FANUC31iN148TRAORIN150G54N152ORIWKSN156AROTX90.N158AROTZ180.N160G0X55.Y40.N162Z70.S2546D1M3N164Z53.N166G1Z50.F509.N168CUT3DCN170G41X40.N172Y-20.N174G2X20.Y-40.I-20.J0.0N176G1X-15.N178X-40.Y-15.N180Y40.N182X40.N184G40N186Y55.N188Z53.N190G0Z70.N192TRAFOOFN194M3025PLANESPATIALSPA-90.SPB+0.0SPC+180.TURNFMAXSEQ-30LX55.Y40.Z70.FMAX34LZ53.F509.35LZ50.36LX40.RL37LY-20.38CCX20.Y-20.39CX20.Y-40.DR-40LX-15.41LX-40.Y-15.42LY40.43LX40.44LY55.R045LZ53.46LZ70.FMAX47LM140MBMAX50LA+0.0C+0.0FMAX51M952PLANERESETSTAY53M30N140G90G54N142G68.2X0.0Y0.0Z0.0I0.0J90.K0.0N144G00G43H01S2546M03N146G90X-55.Y-40.Z70.N148Z53.N150G01Z50.F509.N152G41X-40.D01N154Y20.N156G02X-20.Y40.I20.J0.0N158G01X15.N160X40.Y15.N162Y-40.N164X-40.N166G40N168Y-55.N170Z53.N172G00Z70.N176G69N178M30华中科技大学出版社精品课件系列知识目标：1．了解插铣加工；2．掌握多工序顺序安排；3．掌握球头立铣刀铣削用量。能力目标：1．能正确合理运用插铣加工；2．能合理选择球头立铣刀铣削用量；3．能合理分析较复杂五轴定向加工零件。思政目标：1．插铣是改变原有加工方向，提高铣削效率，通过这一新工艺促进学生创新意识。华中科技大学出版社精品课件系列五轴数控机床坐标体系1、多轴机床应用知识多轴机床的分类：1、按照旋转轴的类型，五轴机床可以分为三类：双转台五轴、双摆头五轴、单转台单摆头五轴。旋转轴分为两种：使主轴方向旋转的旋转轴称为摆头，使装夹工件的工作台旋转的旋转轴称为转台。2、按照旋转轴的旋转平面分类，多轴机床可分为正交多轴和非正交多轴。两个旋转轴的旋转平面均为正交面（XY、YZ或XZ平面）的机床为正交多轴；两个旋转轴的旋转平面有一个或两个不是正交面的机床为非正交多轴。3、车铣复合加工中心4、按照主轴的轴向我们把多轴机床分为立式和卧式。五轴机床结构简介:双转台

1、结构：两个旋转轴均属转台类，B轴旋转平面为YZ平面，C轴旋转平面为XY平面。一般两个旋转轴结合为一个整体构成双转台结构，放置在工作台面上。(3+2轴)2、特点：加工过程中工作台旋转并摆动，可加工工件的尺寸受转台尺寸的限制，适合加工体积小、重量轻的工件；主轴始终为竖直方向，刚性比较好，可以进行切削量较大的加工。（电极、鞋模）五轴机床结构简介:双摆头1、结构：双摆头五轴两个旋转轴均属摆头类，B轴旋转平面为ZX平面，C轴旋转平面为XY平面。两个旋转轴结合为一个整体构成双摆头结构。2、特点：加工过程中工作台不旋转或摆动，工件固定在工作台上，加工过程中静止不动。适合加工体积大、重量重的工件；但因主轴在加工过程中摆动，所以刚性较差，加工切削量较小。由于自身结构特点,加工范围小。五轴机床结构简介:单转台单摆头1、结构：单转台单摆头五轴旋转轴B为摆头，旋转平面为ZX平面；旋转轴C为转台，旋转平面为XY平面。2、特点：加工过程中工作台只旋转不摆动，主轴只在一个旋转平面内摆动，加工特点介于双转台和双摆头之间。2.五轴机床加工特点1延长了刀具的长度。2避免了刀具（刀头）零线速度的加工。3解决了三轴机床加工工件必须多次装卡才能完成的加工。4五面体复杂曲面的连续加工。3.五轴编程原则1、为了提高加工效率，所编制程序应尽量减小机床的运动量；2、为了提高加工质量，所编制程序应使刀轴矢量变化均匀，不要有突变点；如无法避免刀轴矢量突变，则尽量减少突变点数量；3、存在多个刀路时，各刀路间衔接处，刀轴矢量应平滑过渡；4、在编程中使用的各种方法应该能在数学角度有解。华中科技大学出版社精品课件系列知识目标：1．了解常见四轴联加工技术；2．了解数控转台。能力目标：1．能合理分析蜗杆四轴联动加工工艺。思政目标：1．通过在三轴机床上增加一个转台，变成四轴联动机床，增加结构引起功能上的提升，拓宽思路，激发创新意识。1.多轴加工中工件定位与机床的关系

1、了解机床各部件之间的位置关系2、确定工件坐标系原点与旋转轴的位置关系3、了解刀尖点或刀心点与旋转轴的位置关系2.坐标关系测量要点绝对关系测量（DMG自动测头）必要条件：机床出厂标准长度基准棒、红外自动探头。步骤1：运用基准棒标准长度测量出红外探头绝对长度值；步骤2：运用球杆原理，将探头运行3Dquick程序，测量基准球，自动得到各个关系点机床坐标，自动录入机床参数中。相对关系测量（手动3D测头）必要条件：机床配套固定1把手动3D测头。步骤1：测头相对长度为零；步骤2：打表测量各个关系点机床坐标。步骤3：手动计算各个关系点机床坐标值，手动录入机床参数中。3.关系坐标具体测量方法绝对关系测量相对关系测量（手动3D测头）4.测量数据录入绝对关系测量数控系统自动计算录入相对关系测量（手动3D测头）ΔX=Xc-XaΔY=Yc-YaΔZ=Zc-Za1.旋转轴的属性五轴加工中心中，A、C轴是机床控制运动的旋转轴，A、C轴的旋转轴属性和旋转角度控制是五轴联动加工编程中的一个至关重要的问题。目前在全球机床行业内部，旋转轴属性和角度控制形成了两种控制方式。绝对旋转方向控制旋转时的方向，角度从0-360度变化，如图所示：360Absolute—参考绝对角度位置（ISO标准）在绝对制输入尺寸模式中（G90），符号（+/-）被使用来控制线性轴旋转到给定的绝对位置。在增量制输入尺寸模式中（G91）旋转角度将从当前计算，并且符号（+/-）控制旋转方向，如图所示。Linear—在线性轴上的参考角度围绕旋转部件华中科技大学出版社精品课件系列知识目标：1、球头铣刀真实铣削速度；2、加工质量与刀具寿命。能力目标：1、能熟练选择曲面铣削刀具，并合理选择切削用量；2、能正确分析陀螺类五轴联动加工零件工艺，并正确编写工艺文件；。思政目标：1、培养精益求精的价值观。五轴数控系统RTCP按照数控系统手册介绍,RTCP是五轴机床刀具旋转中心编程(RotationAroundToolCenterPoint)的简称。该数控系统可以在非RTCP模式和RTCP模式下进行编程。在非RTCP模式下编程，要求机床的转轴中心长度正好等干书写程序时所考虑的数值，任何修改都要求重新书写程序。而如果启用RTCP功能后，控制系统会自动计算并保持刀具中心始终在编程的XYZ位置上，转动坐标的每一个运动都会被XYZ坐标的一个直线位移所补偿。相对传统的数控系统而言，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移，而对带有RTCP功能的数控系统而言，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不用考虑枢轴的中心距，这个枢轴中心距是独立于编程的，是在执行程序前由显示终端输入的，与程序无关。非RTCP模式下操作步骤（HAAS）零件装夹在机床上，测量G54与两旋转中心位置。在UG软件中，将零件放置在模拟机床上，G54位置与真实位置一致。编制程序程序导入机床加工优点：机床加工坐标显示与程序中坐标值一致，易学易用。缺点：零件在机床上G54改变，则程序需要重新编制。RTCP模式下操作步骤（DMG）在UG软件上，编制零件加工程序测量机床两旋转中心坐标值，并输入机床零件安装在机床上，测量G54，并设定程序导入机床加工优点：零件在机床上安装位置可以任意改变，而不影响程序。使用三维刀具补偿功能。缺点：机床加工坐标与程序中坐标值不对应。多轴联动加工转换指令

由于五轴数控机床加工时，程序控制的旋转轴运动通常是绕其旋转轴心旋转的，若进行直线插补的同时伴有旋转轴运动，其刀心轨迹就会偏离预定的插补直线。对如图所示双摆头五轴机床而言，要铣削一条不含旋转轴角度变化的直线，整个枢轴保持主轴刀具与Z轴方向一致做平行于轨迹直线的运动即可，若同时含有旋转轴角度的改变，在控制枢轴仍做平行于轨迹直线运动的状态下，由于刀轴有绕旋转轴心的偏摆，刀尖会随之出现高低起落的弧形运动，则刀尖轨迹将不再是一直线而是一条曲线。为了确保刀尖轨迹为一条直线，就必须对该曲线进行补偿。需根据刀尖点到旋转轴心的刀具摆长关系，对所有插补点进行旋转轴角度和旋转轴心点三轴坐标位置的计算，得出枢轴控制点（旋转轴心）的插补轨迹（曲线），然后按此计算结果调整控制枢轴的运动，方可保证刀尖轨迹为指定的直线，这就是通常意义上的RTCP控制功能（五轴联动）。多轴联动加工转换指令SIEMENS840DHEIDENHAIN530HNC-08TRAORI（五轴联动生效）M128（五轴联动生效）M126（旋转轴短路径运动）G43.4（五轴联动生效）TRAFOOF（五轴联动取消）M129（五轴联动取消）G49（五轴联动取消）华中科技大学出版社精品课件系列华中科技大学出版社精品课件系列华中科技大学出版社精品课件系列可变轮廓铣基本概念1．零件几何体：用于加工的几何图形；2．驱动几何体：用来产生驱动轨迹路径的几何体；3．驱动点：从驱动几何体上产生的，将按照某种投影方法投影到零件几何体上的轨迹点；4．驱动方法：驱动点产生的方法。有些驱动方法在曲线上产生一系列驱动点，有些驱动方法则在一定面积内产生有一定规则排列的驱动点；华中科技大学出版社精品课件系列可变轮廓铣基本概念5．投影矢量：指引驱动点按照一定规则投影到零件表面，同时决定刀具将接触零件表面的位置。选择的驱动方法不同，可以采用的投影矢量方式也不同。即：驱动方法决定投影矢量的可用性；6．刀轴：即我们前面一直提到的刀轴矢量，用于控制刀轴的变化规律。所选择的驱动方法不同，可以采用的刀轴控制方式也不同。即：驱动方法决定了刀轴控制方法的可用性。

华中科技大学出版社精品课件系列华中科技大学出版社精品课件系列基础矢量的定义方法有五种I，J，K：通过输入相对于工作坐标系原点的矢量值指定一个固定的矢量。直线端点：通过定义两个点或选择一条存在的直线，或定义一个点和矢量指定一个固定投影矢量。2点：可以用点构造功能定义两个点指定一个固定投影矢量。第一个点代表矢量的尾部，第二个点代表矢量的箭头部分。与曲线相切：可以定义一个固定的投射矢量相切于所选择的曲线。指定曲线上的一个点，再选择一条存在的曲线并选择所显示两个相切矢量中的一个。球CSYS：输入分别用Phi和Theta标明的角度值，Phi是在平面ZC-XC中从正Z轴转向正X轴的角度，Theta是在平面XC-YC中从正X转向正Y的角度。华中科技大学出版社精品课件系列前置角和侧倾角的含义前置角：用于定义刀具沿刀具运动方向朝前或朝后倾斜的角度。引导角度为正时，刀具基于刀具路径的方向朝前倾斜；引导方向为负时刀具基于刀具路径的方向朝后倾斜。由于引导角度是基于刀具运动的方向，所以对于Zig-Zag（“之”字形往复）切削方法，刀具在Zig路径往一个方向倾斜，而Zag方向则往相反方向倾斜。侧倾：用于定义刀具相对于刀具路径往外倾斜的角度。沿刀具路径看，倾斜角度为正，使刀具往刀具路径右边倾斜；倾斜角度为负，使刀具往刀具路径左边倾斜。侧倾角度与引导角度不同，它总是固定在一个方向，并不依赖于刀具运动方向。

华中科技大学出版社精品课件系列可变轮廓铣-驱动方法驱动方法，用于定义刀具路径的驱动点的产生方法。驱动点的排列顺序是按照驱动曲面网格的构造顺序来生成的。NX在多轴加工中提供了多种类型的驱动方法，选择何种驱动方法与被加工零件表面的形状及其复杂程度有关。确定了驱动方法之后可选择的驱动几何类型、刀轴的控制方法也随之确定；可变轴曲面轮廓铣的加工共有八种驱动方法，本节将重点介绍曲线/点驱动和曲面驱动两种方法。华中科技大学出版社精品课件系列可变轮廓铣-驱动方法-曲线/点驱动通过指定曲线或点来定义驱动几何，选择点作为驱动几何时，就在所选点间用直线创建驱动路径；选择曲线作为驱动几何时，驱动点沿指定曲线生成。在两种情况下，驱动几何都投影到零件几何表面上，刀具路径创建在零件几何表面上，曲线可以是封闭或开放、连续或非连续的，也可以是平面曲线或空间曲线。当用点定义驱动几何时，刀具按选择点的顺序，沿着刀具路径从一个点向下一个点移动；当用曲线定义驱动几何时，刀具按选择曲线的顺序，沿着刀具路径从一条曲线向下一条曲线移动。选择曲线或点作为驱动几何后，会在图形窗口显示一个矢量方向，表示默认的切削方向。对开口曲线，靠近选择曲线的端点是刀具路径的开始点。对封闭曲线，开始点和切削方向由选择段的次序决定。在曲线与点方法中，有时可以使用负的余量值，以