五轴数控机床范文精选

摘 要 首先对五轴数控机床的构造以及特点进行剖析，在对五轴数控机床进行充分了解的情况下，从五轴数控机床特点、加工后处理等多个方面分析五轴数控机床在生产中的应用，通过分析应用现状探讨五轴数控机床今后在现代化生产中应用的发展前景。

关键词 五轴；数控机床；加工后处理

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0109-02

1 五轴数控机床的构造及特点

1.1 五轴数控机床的两种加工中心特点

五轴数控机床在生产业中广泛应用与航空航天业、军事领域、科研领域、精密器械领域以及高精医疗设备等。常见的五轴数控机床包括立式五轴加工中心和卧式五轴加工中心。

1.1.1 立式五轴加工中心

立式五轴加工中心的回转轴包括两种形式：1）工作台回转轴，工作台可以环绕X轴回转，这种工作台一般设置在床身上，可定义为直线轴，直线轴工作范围一般为正三十度至负一百二十度；2）工作台的中间另设有另外一个回转台，环绕另一个轴回转，可将其定义为旋转轴，旋转轴都是三百六十度回转。这样通过直线轴与旋转轴的组合，除了工作台底面部分的工件以外，其余的五个面均可以利用这这种机床进行加工。直线轴和旋转轴最小分度值一般为0.001度，因此，又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

【摘 要】 介绍了五轴联动数控机床产生的背景，指出五维多轴联动的基本定义，阐述了几种常用的五轴联动机床编程的CAD/CAM系统，以手柄模型为例进行五轴联动加工。

【关键词】 五轴 联动 加工中心

1 五轴联动机床产生的背景

五轴加工中心也叫五轴联动加工中心，是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的加工中心，这种加工中心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。目前，五轴联动数控加工中心系统是解决叶轮、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。

2 五维多轴联动的基本定义

通常的数控机床都是三维的，从数学意义上分类，维数是指机床在运动过程中所涉及的坐标系；轴数是指有几根主轴（不包括次要的轴）；联动是指可以同时运动并参与插补维数的主轴数。例如，有5根主轴，可以同时运动，没有互锁，但仅能在三维内实现同时运动并完成插补，这个数控机床是三维联动五主轴同动数控机床。只是具有xyz三个纸箱坐标运动的五根轴的三维数控机床，即三轴联动数控机床。在通常的定义中，许多人把主轴的个数与机床运动的维数搞混，把联动和同动搞混，把几个轴作为衡量数控机床水平是不严密的。本文的“五轴联动”是简称，严格的讲应该是五维多轴联动数控机床。

五轴数控机床一般是指五个数字控制系统在五个坐标轴系内同时完成运动和插补的机床。通常必须具有xyz三个直线运动坐标外，另外还有两个回转运动轴坐标。数控机床的联动是指三个直线运动坐标x、y、z和A、B、C三个转动中任意两个坐标的组合。通常我们定义：绕x、y、z轴的旋转坐标系分别为A、B、C轴，具置关系见图1。一般它们都采用线性插补运动实现联动。

摘要：文章简要叙述了五轴数控机床关键技术的发展及现状，并阐述了我国五轴数控机床的研究进展以及技术水平，最后对未来我国五轴数控机床的发展方向进行了简要的描述。

关键词：五轴；数控系统；数控机床

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）26-0112-02

机床作为当前机械加工产业的主要设备，在某种意义能够代表了一个国家的机械制造业水平的高与低，机床设备不但同家的航空工业、船舶制造、军工产业、科研技术、精密器械等设备制造行业有着非常大的关系，而且还与人们的日常生活等方方面面密不可分。从某种意义上来讲，如果一个国家没有制造业的支撑，这个国家就很难真正的实现现代化的建设。而五轴联动数控机床是目前世界上最先进的机床设备，如果国家拥有五轴数控机床则象征着国家目前的机床制造业的处在世界上最先进的水准，在数控机床的制造技术上处于领先的地位，所以对于五轴数控机床的研制一直以来都是世界各制造大国不遗余力的研发重点展对象。

1 重点发展的关键技术

1.1 高速、精密加工技术

1.2 高智能化技术

五轴机床的智能化技术将使未来发展最主要的方向之一当前的智能数控机床的智能化技术已经有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。未来的发展将结合电子信息技术及先进控制理论，更大程度的提升五轴机床的职能化程度。

摘要：采用非正交五轴联动机床和“3+2”工艺方法，对整体叶轮进行编程工艺研究。粗铣采用车铣复合与三轴联动方法，以提高机床的刚性和加工效率。精铣叶片和轮毂采用五轴联动加工，并对B轴和C轴的转动范围进行控制，避免在机床负载最大的位姿进行加工。编程采用UG软件进行刀轨生成，利用专用后处理器进行后置并生成G代码。采用VeriCut进行加工仿真，并对G代码进行验证。对石蜡模型进行了现场试切，实验表明，加工的试件能够满足工艺要求。

关键词：五轴加工；叶轮；仿真实验

中图分类号：TG659文献标识码：B文章编号：1001－0874(2015)06－0045－03

0引言

非正交五轴联动数控机床由X、Y、Z三个方向的移动与非正交的B轴摆头及C轴转台组合而成。C轴转台既可作为工件转台，也可作为机床主轴。B轴转动180°后，可实现加工中心的立卧转换。因此，该机床具备车铣复合的功能，我国实施“高档数控机床重大专项”中，重点攻关此类机床，成功研制出CX110100、CX1075等型号的车铣复合加工中心，并进行了相关的现场切削实验和工艺研究。五轴机床的现场切削考核常采用整体叶轮作为切削对象。在叶片的精加工环节，需要五个坐标轴联动，并且B轴的摆动角度范围较大。叶轮毛坯的加工过程，需要车削毛坯外圆，同样可以考验机床的车削能力。因此，整体叶轮是车铣复合加工机床现场试切较为理想的加工对象［1］。采用非正交结构机床数控加工整体叶轮，编程较为复杂，易产生碰撞及断刀等加工意外。本文以CX110100车铣复合加工中心为平台，以UGNX+VeriCUT为编程校验环境，展开整体叶轮的切削实验研究，从而验证机床的整体性能及设计指标。

1加工工艺分析

CX110100机床结构如1图所示，其中B轴摆动的范围在－30°到180°，C轴作为转台时转动范围0°～360°，转换为主轴时最大转速500r/min，数控系统采用Siemens840D。拟加工叶轮，最大外径140mm，叶片数量8个，叶轮外边缘近似为圆弧。因此，先在B轴摆头上装夹外圆车刀，以C轴转台为主轴加工出叶轮外轮缘。整体叶轮铣削采用粗精分开的加工艺。可在将B轴和C轴锁死一定角度条件下，利用三轴方式粗铣出叶轮的大致轮廓。在精铣加工重点是尺寸精度和表面质量，这时机床的两个转轴均参与联动，称为“3+2”加工方式。在具体加工时，根据叶片间距，采用10mm硬质合金球头刀进行铣削加工，主轴转速3000r/min。［2］

2加工编程

0引言

近年来，五轴数控机床加工自由曲面受到了广泛的关注，因为五轴机床能够提供三轴机床不具备的优化刀具位姿和复杂加工模式，同时能够实现更高的精度和更小的误差，大大减少了前处理和后处理的时间。然而，当前的五轴加工刀具路径由直线段逼近，并且刀具的方向在每个线段不变，导致不能加工出很好的平滑表面。但是每一条线段刀具方向的变化又会增加驻留时间，为了获得更好的表面质量，线段的数量指数增长，因此，实际加工过程中需要尽可能减少线段的数量，显而易见，五轴数控机床的有效轨迹生成方法亟需研究。目前的CAD系统与传统CNC系统在定义几何的方式上存在技术差异，CAD系统提供给设计者的工具是平面或者空间参数曲线，但是CNC系统仅支持直线和圆弧路径运动，因此需要研究参数曲线的插补方法。相关的研究也有很多，例如：文献[1]提出了多轴机床命令生成的一般理论，文献[2]研究了三轴机床的实时曲线插补，文献[3]研究了一个参数插补器，文献[4]研究了五轴机床的实时控制器，文献[5]研究了六轴机器人的实时NURBS曲线插补器。实时参数插补减少了记忆存储，保证了刀具位置的一阶和二阶连续，但是生成和控制五轴数控轨迹的主要问题是刀具方向的连续和平滑描述，因此需要研究一种控制算法来修正刀具起始方向的连续性。本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，将刀具位姿、起始方向和运动参数在规定的采样时间内计算，通过一个逆运动学程序在规定采样时间内执行每个轴生成的命令，相比于传统的离线控制策略，可实现实时轨迹控制。

1刀具路径优化生成流程

当一个五轴铣床加工曲面时，刀具残留高度可以在已加工表面上观察，将刀具路径和刀具路径间隔划分的表面定义为相邻刀具轨迹的距离。如图1所示的残留高度h和步长p。若加工的步长过大，则加工表面较为粗糙；步长过小，则降低了加工的效率。（1）式中：κ为曲面的曲率。在允许的残留高度下可以计算最大加工步长，为了简化刀具路径规划过程，曲面边界曲线可以作为起始路径，然后决定连续的路径。实时轨迹规划为了获得平滑曲面，需要在几何数据和加工情况的基础上生成刀具位置、方向和运动参数的数据，曲面的几何数据可以用三次面型形式输入到数控机床中：将刀具的一阶和二阶位置变量作为刀具常规的线性速度和加速度，本文提出的五轴数控机床的轨迹生成方法的流程如图2所示。

2刀具路径优化生成仿真

球头铣刀的外形可以制造成各种形状，因此适宜加工自由曲面模具或者模型。采用球头铣刀加工自由曲面的刀具轨迹生成策略描述如下：由式（2）与加工情况决定了式（1）的刀具路径步长和待加工表现信息。在常数进给率下，可以由式（7）得到每个采样周期内的独立参数u，然后根据u和式（4）获得刀具的位置和起始方向数据。刀尖轨迹生成一条基准线，曲面法向量的趋近向量为网格曲面划分的规则。网格轨迹建模类似单位球面的曲线，在弗格森曲线模型的基础上，重新表示基准线和网格规则，进一步获得基准线的一阶、二阶和三阶运动参数以及网格规则，由CAD系统获得加工情况和曲面的几何参数，采用实时控制技术计算刀具的位置和角运动属性。如图3所示，本文进行了一组自由曲面加工轨迹仿真，仿真工件的尺寸为400mm×400mm，仿真刀具采用球头铣刀，进给率设置为10mm/s，采样周期设置为10ms，整个仿真工件的位置总数为8005，计算时间为50.66s。

3结论

本文提出一种新的五轴数控机床轨迹生成方法，在网格曲面曲率理论的基础上，沿着生成的轨迹计算刀具的运动属性。不同于常规的插补技术，本文方法用到了高阶运动属性，不仅仅适用于五轴数控机床，更适用于自由曲面的精密加工，对于多自由度三维加工机床同样适用。、

摘 要： 提出一种五轴数控机床实时轨迹生成和控制方法，由网格曲面描述五轴机床刀具的空间轨迹，在规定的采样周期内计算和控制刀具的位置、方向及不同的运动参数，通过计算数据建立曲线模型，由逆运动学模型在规定采样时间内执行生成的命令。通过一组加工路径仿真实例，说明了提出方法的优越性和普遍性。

关键词： 五轴机床； 轨迹生成； 刀具轨迹； 实时轨迹

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0158?02

Research on tool path generation method of five?axis CNC machine tool

FAN Jun

（School of Electronic Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 610000， China）

Abstract： A real?time tool path generation and control method of five?axis CNC machine tool is proposed. The space path of five?axis CNC machine tool is described by gridding surface. The position， direction and different movement parameters of the tool are calculated and controlled within the sampling period， and the curve model was established by the calculated data. The generated order was executed by the inverse kinematics model within the specified sampling time. The superiority and universality of the proposed method were verified by simulation instance to a set of tool path.

Keywords： five?axis machine tool； path generation； tool path； real?time path

摘要　针对大、重型机匣类零件在多轴加工中数控程序的编制受到零件大小,重量,有无数控夹具,每次加工夹具高度是否相同等诸多因素的限制,而使得编程过程繁琐复杂的现象,研究了一套实施性很强的编程加工方法,该方法为多轴编程领域开拓了新的天地,对于各种大、重型零件的多轴加工都具有重要指导意义。

关键词　五轴机床;大机匣;编程;稳定质量

中图分类号TH18　文献标识码A　文章编号1674-6708(2010)28-0160-01

引言

近几年随着数控设备的高速发展。五轴数控机床在很多企业都得到普及。如今利用五轴机床数控加工已成为了各企业合并工序、缩短流程、稳定质量,提高效率的有效方法及发展方向。

1　五轴数控机床加工大、重型零件的难点分析

在五轴加工中心上加工零件时,通常是将零件工作坐标系的原点定在B或c转台的中心,以便于零件的找正和多方位加工。在被加工零件的6个面中,除支靠面以外,另外5个面的加工内容都可以通过旋转机床B、c转台的角度,使机床主轴指向被加工面把零件加工出来。

而部分大、重型的机匣类零件在五轴数控机床上加工时,由于自身太重,只能用吊车吊上机床,零件在机床上摆在什么位置就在什么位置固定夹紧,无法将零件中心敲到与机床转台同心,那么在机床转动转台加工周边的多个面上的内容时,转台每转动一个角度,零件中心相对于机床转台中心都发生了变化,以至机床转台每转动一个角度都要根据零件转动后的实际位置编制一个数控程序,程编员工作量非常大,零件的加工效率很低,产品质量极不稳定。加工大、重型零件存在以下几个问题:

[摘要]双转台五轴数控机床是进行精密、复杂工件加工的主要设备。由于其内部结构较为复杂，导致误差补偿设计难度较大。文章以双转台五轴数控机床为基础，相应建立移动轴、旋转轴运动数学模型，将工件坐标系当作基础坐标系，通过齐次坐标系变换理论，对其轴运动在基础坐标系中的误差表达式进行推导。针对五轴机床设备两种轴的运动耦合情况，相应提出一种分步实施补偿方法，即优先完成姿态误差补偿再进行误差补偿，尽量调整工件姿态与理想姿态一致。仿真实践证明该方法有助于提高加工精度，可有效避免因补偿导致的运动干涉问题，具有较高的有效性和可行性。

[关键词]五轴数控机床；误差；实时动态补偿；运动模型研究

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.08.204

双转台五轴数控机床是目前进行精密、复杂工件加工的主要设备，其内部同时存在移动轴和旋转轴，一次装夹即可完成形状较为复杂的自由曲面加工作业，缩短加工周期的同时，有效避免了多次加工可能造成的误差问题，从根本上提高了工件加工质量。在多种因素的共同影响下，五轴数控机床实际工作中不可避免地存在机床误差，并且由于五轴数控机床多出两根旋转轴、内部结构更加复杂，导致其误差元素众多且更加复杂。处于工件加工质量和经济性考虑，对五轴数控机床进行误差补偿具有重要的现实意义。本文针对五轴数控机床内部轴的运动进行了细致分析，相应提出了一种误差补偿方法，具体内容如下。

1五轴数控机床结构特点分析

双转台五轴数控机床是五轴机床的一种常见形式，内部拥有两个旋转轴和三个移动轴，旋转轴均存在于工件运动链一侧，具有总体刚性高、工艺性能优良、坐标行程范围广等特点。

2五轴数控机床轴的运动分析

出于数控编程便捷性考虑，将工件坐标系作为运动分析过程中的基础坐标系，其中各运动轴和刀具的运动均表示成工件坐标系中的变量。本组方法中，五轴数控机床的误差补偿，主要通过针对运动轴输入相应的补偿值，调整工件姿态和刀具位置实现。具体坐标变化关系如图1所示。

【摘要】通用的CAD/CAM软件都有其自带的CAM模块，通过计算可以得到刀具轨迹的全部信息。但为了适应五轴联动专用数控机床的要求，还要进行专门的后置处理，即将CAM系统通用后置处理所得的刀具轨迹文件转换成特定机床适用的加工代码。五轴联动机床的后置处理涉及刀位文件的转角计算和坐标变换计算，且坐标变换关系比较复杂。本文研究A-B型工作台双转的五轴联动数控机床之后置处理，通过推导机床坐标系与工件坐标系坐标变换公式以及利用Visual C++开发工具，开发出相应的后置处理程序，并通过VERICUT软件进行了加工仿真来对该程序加以验证。

【关键词】数控技术；后置处理；CAM；五轴联动；加工仿真

NC Machining Simulation of Five-axis Linkage Machine Tools

(for A-B Turntable)

Li　Xiang

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

Abstract：General CAD/CAM software has its own CAM module that calculates the complete information of the tool path.In order to meet the requirements of five-axis linkage machine tools，post-processing is needed to acquire NC code applicable to the given machine tools.The post processing of five-axis linkage machine tools concerns the calculation of rotary angle and the complicated coordinate conversion.The specific post-processing of A-B turntable five-axis linkage machine tools is proposed in the paper.The processing program is developed by Visual C++ via the coordinate conversion of machine tools and workpiece.It is simulated and verified by VERICUT software.

Key words：numerical control；post-processing；Computer Aided Manufacturing (CAM)；five-axis linkage；machining simulation

中图分类号：G624文献标识码：A 文章编号：41-1413（2012）03-0000-01

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。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。在使用和编程过程中，主要解决刀具轨迹、后处理程序开发以及五轴联动机床模拟。

一、五轴数控铣削刀具轨迹

在利用CAM软件进行五轴数控铣削刀具轨迹编制时，主要内容包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，导致五坐标联动加工编程的难度和复杂性较大。一般CAM软件都提供五轴铣削数控编程功能，其主要包括（1）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备绕X、Y轴的旋转台的的四轴加工；如对外圆上的槽或型腔进行加工；（2）五轴底刃铣削：用于铣刀的底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴矢量进行合理的控制；（3）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率；（4）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（5）曲线五轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（6）五轴钻孔：对空间的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置不再三个基准平面上比较特殊的场合，如圆锥面上的孔或产品上孔位的轴线方向变化的场合。

四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有固定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导动、刀具轨迹投影、点位与任意矢量连续插补等方式。

UnigraphicsNX软件在刀具轴矢量控制方面表现得更加灵活，尤其是其提供的插补刀具轴矢量控制和顺序铣削编程功能能够使得用户很轻松得完成所期望的五坐标联动铣削刀具轨迹目标。

CAXA制造工程师2011版具备五轴铣削编程功能，设置较为简单，学生入手较快，有利于初学者理解五轴铣削编程功能的认识和理解。一般使用CAXA制造工程师打基础，使得UnigraphicsNX软件更容易理解。

二、后处理程序开发模式