联动5轴加工技术分析

hasakou

联动5轴加工的一个主要特征就是在切削过程中使用短刀具，从而显著降低刀具的受力弯曲，提高加工表面质量，防止返工并大量减少了电极的运用。5轴编程中人们往往十分关注对干涉和碰撞的检测及回避,但是对CAM系统而言，仅有这些是远远不够的，系统必须充分考虑到机床的运动学与几何学的限制条件，这对 CAM系统是一个强有力的挑战。
+ p4 I7 o# I% |; X5轴的应用及问题
4 J, k  d3 q. K5轴加工在航空以及船舶领域的应用已日趋成熟，但在模具加工领域的应用才刚开始。5轴加工通常分为固定5轴加工（也被称为3+2轴加工）和联动5轴加工。
固定５轴加工时机床主轴将会以一定倾斜角度，采用较短的刀具进行高速切削，这样既提升切削效率，又提高了加工精度。使用这种方法可以通过设定多个加工角度完成一系列的区域加工，只需一次装夹以避免重复定位的精度缺失，大量节省换装时间，同时可减少后续放电加工的电极使用数量。多角度的固定5轴加工存在两个重要的问题：一是不同角度的加工刀路必须重叠，加工时间就会延长，重叠区域也必定产生接刀痕，表面加工质量无法得到很好的保证。二是一系列的角度定义与编程非常繁琐复杂，编程人员需要花费大量时间并且出错的风险加大。
联动5轴加工解决了固定5轴加工的问题，即使用非常短的刀具，也不会造成加工角度的重复。但到目前为止联动5轴在模具加工的应用还存在一定局限性，主要体现在两方面：一是适合于模具加工的联动５轴加工策略比较少，这是因为联动5轴加工过去主要应用于航空航天器材等产品，零件的加工，而这些加工策略难以满足模具加工的要求；二是编制联动５轴的程序需要很高的技巧，只有在丰富的经验基础上才能做出准确的判断与干预。这与3轴编程差异很大，国内相应的技术人才也很匮乏。
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图1 同样的刀路在Auerbach IA 5机床上可以流畅的运行，但是换到DMC 75V上，当轨迹沿着垂直壁上升跨越顶面，然后向下运动时，机床就会发生报警
5轴加工的全新方案
5 轴机床和5轴CAM系统在模具制造领域的实际应用是最近几年发展起来的一项先进技术。作为全球知名的全自动CAM软件，WorkNC在模具制造领域首次提出了一个全新的实用性极强的5轴加工解决方案：WorkNC Auto5。这种解决方案能够简单地将种类丰富适合于模具加工的3轴和3+2轴刀路自动转化为联动5轴刀路，并自动检测碰撞和考虑机床的运动几何学的限制条件。
0 W  A- E) I( q* o3 DWorkNC拥有丰富的针对模具加工的3轴和固定5轴的加工策略，其卓越的编程效率和操作性能已在模具制造领域得到了反复的证明。那么能否将这些优势利用到联动５轴呢？经过多年的研发Sescoi公司在模具制造领域首次推出了全新的实用性极强的模具5轴加工方案，这就是WorkNC的 Auto5。使用WorkNC Auto5编程人员可简单地将任何WorkNC的3轴或固定5轴的刀路自动转化为一个没有碰撞，同时满足指定机床几何学及运动学约束的联动５轴刀路。此外，通过设置参数还可以对转化后的联动５轴刀路进行平滑处理，使之更符合实际的加工要求，从而保证加工品质。
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图2  5轴机床的一个特点，即一个摆动轴定义在B9.5 ，C0 与定义在B-9.5 ，C+180 或C-180 之间刀具相对于工件的切削状态是一样的
WorkNC Auto5功能模块
WorkNC Auto5包括两个功能模块：3to5axis模块和5tomachine模块。
3to5axis模块能够自动将3轴和固定5轴的刀路按选定的策略转化为联动5轴刀路。此模块检测和回避刀具及刀把的碰撞。这个转化过程是不依赖机床的几何及运动特征。
4 w5 }6 v( R( W3 n5tomachine模块是根据选定的机床对3to5axis输出的联动5轴刀路进行自动处理，检测和回避机床的碰撞，并使该刀路满足选定机床的几何学及运动学的约束条件。
9 ?( X5 Z) U( c6 m/ i+ x8 U7 ]WorkNC Auto5巧妙地解决了标准5轴加工策略应用的局限性，大大拓展了联动5轴加工在模具加工领域的实用性，而其传承了WorkNC的３轴编程的高效、自动和简单的编程理念，使现有的编程序人员迅速掌握联动5轴加工编程的先进技术变为可能。
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图3  WorkNC Auto5能沟通过定义一条外围驱动线，来控制刀具轴的摆动角度
9 G9 `+ n/ K, ^2 J" }# s8 M- ~WorkNC Auto5关键技术
7 ^' X8 P( [6 E# j采用联动5轴加工模具型腔或其相关零部件具有很多优点，但是在软件层面上编程人员历来面临着4个关键问题，而这些问题很大程度上限制了5轴加工在模具制造领域的普及应用。针对这些问题，WorkNC Auto5提出了相应的解决方案，使繁杂的5轴编程在模具制造领域如3轴编程一样简单轻松。
1.联动5轴加工的安全性
) k* e, C9 k2 O2 `0 B7 b: X8 J安全性问题主要指机床在加工运动过程中主轴和工件或机床台面的碰撞和干涉。由于联动5轴刀轨的空间运行轨迹难以直观地把握，这也使得大部分数控编程人员面对 5轴机床“望而却步”。建立在对5轴机床几何形状及机床各部件相互之间碰撞关系的严密定义的基础上。通过软件集成的碰撞干涉检测功能来指引编程人员做出应有的判断和操作，比如在标示碰撞的区域调整刀具轴的轴向方向，使之能够避让碰撞。如果遗漏了碰撞区域的修改，那么WorkNC Auto5将会自动删除相应的刀路，以保证整个加工过程对5轴机床、相关部件，及加工工件的绝对安全。

图4  WorkNC Auto5的用户界面
0 P( x) z6 L) e2.机床几何学及运动学限制条件
, O5 z9 ?7 F1 s4 n, c$ i联动5轴编程中仅仅考虑加工的安全性是不够的。实际上在联动5轴加工中，回转轴和摆动轴的超程问题远远多于碰撞。所以，联动5轴的刀路必须要符合机床几何学和运动学的限制条件。
2 {; E' p. U/ A0 C5 轴联动加工的超程多数源于机床结构上回转轴和摆动轴的角度限制，另外对于主轴摆动的机床，当主轴摆动了90 ，它在X、Y、Z轴上比标示的最大行程要小很多，这事也常发生X、Y、Z轴上超程。这些超程都需要在编程的时候即时检验，通过软件内部调整工件摆放位置，追加反向回转动作或通过改变加工工艺来避免不应有的停机。
WorkNC Auto5的5tomachine模块可以很好的解决这个问题：需要说明的是5轴机床的一个特点，即一个摆动轴定义在B9.5 ，C0 与定义在B-9.5 ，C+180 或C-180 之间刀具相对于工件的切削状态是一样的。
/ M! P0 b- P5 q" w1 E: P: d& }这样复杂的问题在后处理中有时是无法进行处理的，而WorkNC Auto5在5tomachine的计算过程中则可自动解决。WorkNC在机床建模过程中会定义各轴的行程限制参数，在计算时读取所选机床的形状及行程限制数据，自动快速地算出与机床参数对应的合理安全的刀路。
3.加工品质
在航空工业中，针对大型结构件联动5轴加工可以满足刀具大体沿着曲面法向加工。但是在模具加工中所追求的更多是模具的细节和加工的品质，在这种情况下采用联动５轴加工中最普遍的法向加工策略将会适得其反。
" A2 _6 \) V7 V0 y# C3 hWorkNC Auto5能沟通过定义一条外围驱动线，来控制刀具轴的摆动角度。刀具轴在加工过程中始终垂直于这根驱动线并环绕整个工件切削，大大减少了C轴在各内凹陷区域频繁的回摆运动所造成的切削效率降低，提高了工件表面加工品质。
* ~7 P1 z% p! `1 h  [+ i8 J4.丰富的刀轨策略
现在，模具加工中的联动5轴加工更多的还只是运用于加工轮廓，刻线以及简单的扫面加工等。没有丰富有效的刀轨策略，已成为妨碍联动5轴技术在模具加工中推广和应用的瓶颈。
; K. r3 A/ Y/ d$ Y! EWorkNC Auto5的出现打破了这个瓶颈。由于WorkNC原本就是很成熟的自动3轴编程软件，具备超过40种的面向模具加工的3轴刀轨策略，而Auto5的3轴刀轨自动转换联动5轴刀轨的技术适用于所有的3轴刀轨策略，并提供9种转换模式。这使得通过WorkNC Auto5转换成可用于模具加工的联动5轴刀轨模式多达360种以上。
) f. ]: p3 Q2 d5.软件的可操作性
+ W! E$ `! c8 b, x, E编程的效率在很大程度上取决于编程软件的可操作性。传统的联动5轴编程技术十分繁琐，编程人员需要考虑的因素过多。与之对照的是WorkNC Auto5提供了一个人性化的操作平台，并与创新的理念和独特的算法完美结合起来。编程人员只要操作过WorkNC的3轴编程界面，通过点击一些附加的按钮和选项就可以编制出符合模具工艺要求的5轴联动的刀路。
; p% v  S  j0 ^" {+ f( S3 K近年来，高速铣削被广泛应用于模具切削加工，大大缩短了模具的生产周期，降低了模具生产成本，也给模具加工品质带来了质的提升。那么模具切削加工的下一个技术热点是什么呢？毫无疑问将是5轴加工技术的应用。随着５轴机床性价比的不断提高，模具的５轴加工也将越来越普及。这将在模具加工领域再次发起一场技术变革，引领模具加工业应对全球化竞争的市场环境。WorkNC Auto5的全新模具5轴编程理念，也将在这场变革中引领CAM软件技术的发展。
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