五轴加工技术的发展与定位误差刀具半径补偿原理

加工(5轴加工)，顾名思义，是数控机床加工的一种模式。具有X、Y、Z、A、B、C任意五个坐标的直线插补运动，用于五轴加工的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。但是你真的了解五轴加工吗？

五轴技术的发展

几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、光滑、复杂曲面的必由之路。一旦人们在设计制造复杂曲面时遇到无法解决的问题，就会转向五轴加工技术。但是...

五轴数控是难度最大、应用最广泛的数控技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，适用于复杂曲面的高效、精密和自动化加工。在国际上，五轴数控技术被视为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对航空、航天和军事工业的重要影响，以及其技术的复杂性，西方工业发达国家一直将五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度。

与三轴数控加工相比，从工艺和编程角度来看，复杂曲面的五轴数控加工具有以下优势:

1)提高加工质量和效率。

2)扩大流程范围。

3)符合复合型发展的新方向。

但由于加工空间中的干涉和刀位控制，五轴数控加工的数控编程、数控系统和机床结构都比三轴机床复杂得多。所以，五轴说起来容易，实现起来真的很难！除此之外，操作和使用好它的难度更大！

说到五板斧，我得说真假五板斧？真假轴的区别主要在于是否有RTCP函数。为此，边肖特意查了这个词！

RTCP解释说，Fidia的RTCP是“旋转工具中心点”的缩写，字面意思是“旋转工具中心”。在业内往往略逃为“绕着刀具中心转”，也有人直译为“回转式刀具中心编程”。事实上，这只是RTCP的结果。PA的RTCP是“实时刀具中心点旋转”前几个字的缩写。Heidenhain把类似的所谓升级技术称为TCPM，“工具中心点管理”的缩写，工具中心点管理。其他制造商称类似的技术为TCPC，“刀具中心点控制”的缩写，刀具中心点控制。

从Fidia的RTCP的字面意思来看，假设手动执行RTCP函数，刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点将保持不变。此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点的法线上，刀柄会绕刀具中心点旋转。对于球头铣刀，刀具中心点是NC代码的目标轨迹点。

为了达到在执行RTCP功能时，刀架可以简单地绕目标轨迹点(即刀具中心点)旋转的目的，需要实时补偿刀架旋转引起的刀具中心点各直线坐标的偏移， 从而在保持刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点不变的情况下，改变刀柄与刀具与工件表面的实际接触点处的法线之间的角度，发挥球头铣刀的最佳切削效率，并有效避免干涉。 所以RTCP似乎更多的站在刀具的中心点(也就是NC代码的目标轨迹点)上，处理旋转坐标的变化。

没有RTCP的五轴机床和数控系统必须依靠CAM编程和后置处理，刀具轨迹必须事先规划好。如果换了同一个零件，必须重新进行CAM编程和后置处理，所以只能叫假五轴。国内很多五轴数控机床和系统都属于这种假五轴。当然，人们坚持自称五轴联动也无可厚非，但这个(假)五轴并不是另一个(真)五轴！

因此，边肖也咨询了业内专家。简而言之，真五轴是五轴五联动，假五轴可能是五轴三联动，另外两轴只起定位作用！

这是通俗说法，不是标准说法。一般来说，五轴机床有两种:一种是五轴联动，即所有五轴可以同时联动，另一种是五轴定位加工，实际上是五轴三联动:即两个旋转轴旋转定位，同时只能联动三个轴。这种俗称的3+2模式五轴机床也可以理解为伪五轴。

目前，五轴数控机床的形式

在五轴加工中心的机械设计中，机床制造商一直在不懈地努力开发新的运动模式以满足各种要求。

发展五轴数控技术的困难和阻力

大家早就认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，仍然存在未解决的问题。

五轴数控编程比较抽象，难以操作。

这是每个传统数控程序员都很头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，五轴数控机床有多种结构形式；相同的NC代码在不同的三轴数控机床上可以达到相同的加工效果，但某一台五轴机床的NC代码并不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动外，还需要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度和行程的检查、非线性误差检查、刀具旋转运动的计算等。处理的信息量非常大，所以数控编程极其抽象。

五轴数控加工的操作和编程技巧密切相关。如果用户给机床增加特殊功能，编程和操作会更加复杂。程序员和操作人员只有通过反复实践，才能掌握必要的知识和技能。编程经验丰富，操作人员缺乏是五轴数控技术普及的一大障碍。

国内很多厂家都从国外购买了五轴数控机床。由于技术培训和服务不足，五轴数控机床的固有功能难以实现，机床利用率很低。在很多场合，最好采用三轴机床。

对数控插补控制器和伺服驱动系统的要求非常严格。

五轴机床的运动是五个坐标轴运动的合成。旋转坐标的加入不仅增加了插补的负担，而且由于旋转坐标的微小误差，还会大大降低加工精度。因此，要求控制器具有更高的精度。

五轴机床的运动特性要求伺服驱动系统具有良好的动态特性和较大的速度范围。

五轴数控的数控程序验证尤为重要。

为了提高加工效率，迫切需要淘汰传统的“试切法”验证方法。在五轴数控加工中，数控程序的验证变得非常重要，因为五轴数控机床通常加工的工件非常昂贵，而碰撞是五轴数控加工中常见的问题:刀具切入工件；刀具以非常高的速度与工件碰撞；刀具在加工范围内碰撞机床、夹具等设备；机床上的运动部件与固定部件或工件发生碰撞。在五轴数控中，碰撞是很难预测的，所以验证程序必须综合分析机床的运动学和控制系统。

如果CAM系统检测到错误，它可以立即处理刀具路径；但是，如果在加工过程中发现NC程序错误，则不能像三轴NC那样直接修改刀具轨迹。在三轴机床上，机床操作员可以直接修改刀具半径等参数。但是在五轴加工中，情况就没那么简单了，因为刀具尺寸和位置的变化对后续的旋转轨迹有直接的影响。

刀具半径补偿

在五轴数控程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，但刀具半径补偿无效。使用圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要针对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的数控系统不能完成刀具半径补偿，因为ISO文件没有提供足够的数据来重新计算刀具位置。在数控加工过程中，用户需要经常更换刀具或调整刀具的精确尺寸。按照正常的加工程序，刀具轨迹要送回CAM系统重新计算。因此整个处理过程的效率非常低。

为了解决这个问题，挪威研究人员正在开发一种叫做LCOPS(低成本优化生产策略)的临时解决方案。刀具轨迹修正所需的数据由CNC应用程序发送给CAM系统，计算出的刀具轨迹直接发送给控制器。LCOPS需要第三方提供CAM软件，可以直接连接数控机床，期间传输的是CAM系统文件，而不是ISO代码。这个问题的最终解决有赖于新一代数控系统的推出，它能识别常见格式的工件模型文件(如STEP等。)或CAD系统文件。

后置处理程序

五轴机床和三轴机床的区别在于，它也有两个旋转坐标。刀具位置从工件坐标系转换到机床坐标系，中间需要进行几次坐标转换。利用市场上流行的后置处理器生成器，只需输入机床的基本参数，即可生成三轴数控机床的后置处理器。对于五轴数控机床，只有一些改进的后置处理器。五轴数控机床的后置处理器需要进一步开发。

在三轴联动中，刀具轨迹中不需要考虑工件原点在机床工作台上的位置，后处理器可以自动处理工件坐标系和机床坐标系之间的关系。对于五轴联动，例如在X、Y、Z、B、C五轴的卧式铣床上加工时，生成刀具轨迹时必须考虑工件在C转盘上的位置尺寸和B、C转盘之间的位置尺寸。工人在夹紧工件时，通常要花很多时间来处理这些位置关系。如果后处理器能够处理这些数据，工件的安装和刀具轨迹的加工将大大简化；只需将工件夹在工作台上，测量工件坐标系的位置和方向，将这些数据输入到后处理器中，对刀具轨迹进行后处理，得到合适的数控程序。

非线性误差和奇异性问题

由于旋转坐标的引入，五轴数控机床的运动学比三轴机床复杂得多。与旋转相关的第一个问题是非线性误差。非线性误差应该属于编程误差，可以通过减小步距来控制。在预计算阶段，程序员无法知道非线性误差的大小。后处理器生成机床程序后，才能计算非线性误差。刀具轨迹线性化可以解决这个问题。一些控制系统可以在加工的同时线性化刀具轨迹，但它通常在后处理器中线性化。

旋转轴引起的另一个问题是奇点。如果奇点在转轴的极限位置，奇点附近的一个小的摆动就会导致转轴翻转180°，这是相当危险的。

CAD/ CAM系统的要求

对于五面体加工的操作，用户必须依赖于成熟的CAD/CAM系统，必须有经验丰富的程序员来操作CAD/CAM系统。