五轴数控机床的刀具半径补偿与测头防碰撞的适配性

加工(5 Axis Machining)，顾名思义，数控机床加工的一种模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动，五轴加工所采用的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。可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、复杂曲面的唯一手段。一旦人们在设计和制造复杂曲面时遇到无法解决的问题，就会求助于五轴加工技术。但是...

五轴数控是数控技术中难度最大、应用最广泛的技术。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、航天和军工行业的重要影响，以及其技术的复杂性，西方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，从技术和编程的角度来看，采用五轴数控加工复杂曲面具有以下优点:

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。

从Fidia的RTCP字面意思来看，假设手动定点执行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，刀具中心点就是NC代码的目标轨迹点。

为了达到在执行RTCP函数时，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直线坐标的偏差， 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同时，改变刀架与刀具与工件表面实际接触点处法线的夹角，以发挥球头立铣刀的最佳切削效率，有效避免干涉。 所以RTCP似乎更多的是在刀具的中心(也就是NC代码的目标轨迹点)来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。对于同一个零件，如果换机床或者换刀具，都要重新编程和后置处理，所以只能叫假五轴。

目前，五轴数控机床的形式

在五轴加工中心的机械设计中，机床制造商一直致力于开发新的运动模式以满足各种要求。总结目前市场上的各种五轴机床，虽然机械结构多种多样，但主要有以下几种形式:

两个旋转坐标直接控制刀具轴的方向(双摆头形式)

两个坐标轴在工具的顶部，

但是旋转轴不垂直于线性轴(摆式)

两个旋转坐标直接控制空间的旋转(双转盘形式)

两个坐标轴在工作台上，

但是旋转轴不垂直于直线轴(摆动工作台)

两个旋转坐标，一个作用在刀具上，一个作用在工件上(一摆一转形式)。

看过这几台五轴机床，相信大家应该明白五轴机床在动什么，怎么动的。

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，仍然存在尚未解决的问题。

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获得相同的加工效果，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，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度和行程检查、非线性误差检查、刀具旋转运动计算等。，它处理大量的信息，非常抽象。

五轴数控加工的操作与编程技巧密切相关。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。

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的合成。旋转坐标的加入，不仅增加了插补运算的负担，而且由于旋转坐标的微小误差，使加工精度大大降低。因此，要求控制器具有更高的运算精度。

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检查尤为重要。

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，数控程序的验证也变得非常重要，因为五轴数控机床通常加工的工件非常昂贵，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；刀具在加工范围内与机床、夹具等设备发生碰撞；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，因此标定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，刀具路径可以立即处理。但是，如果在加工过程中发现NC程序错误，则不能像在三轴NC中那样直接修改刀具路径。在三轴机床上，机床操作者可以直接修改刀具半径等参数。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无法完成刀具半径补偿，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。导致整个加工过程的效率非常低。

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，传输CAM系统文件，而不是ISO代码。这一问题的最终解决有赖于新一代CNC控制系统的推出，它能识别工件模型文件(如STEP等。)或通用格式的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变化到机床坐标系，中间有几次坐标变换。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。

三轴联动时，刀具轨迹中不需要考虑工件在机床工作台上的原点位置，后处理器可以自动处理工件坐标系和机床坐标系的关系。对于五轴联动，例如在X、Y、Z、B、C五轴联动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，将这些数据输入后处理器，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。非线性误差属于编程误差，可以通过减小步长来控制。在预计算阶段，程序员无法知道非线性误差的大小，非线性误差只能在后处理器生成机床程序后才能计算出来。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时线性化刀具轨迹，但通常是在后处理器中线性化。

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，奇点附近的小振荡会导致转轴转动180°，这是相当危险的。

对CAD/ CAM系统的要求

对于五面体加工的操作，用户必须使用成熟的CAD/CAM系统，并有经验丰富的程序员来操作CAD/CAM系统。

大量投资购买机床。以前五轴机床和三轴机床价格差距很大。现在一个带转轴的三轴机床基本就是普通三轴机床的价格，可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格只比三轴机床高30% ~ 50%。

除了机床本身的投资，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，以满足五轴加工的要求。校准程序必须升级以模拟整个机床。

五轴加工机床的未来智能化趋势

智能设备的控制方式和人机界面将发生巨大变化。随着WiFi宽带、蓝牙短距离通信等网络性能的提升，平板电脑、手机、可穿戴设备等基于网络的移动控制方式将会越来越普及。触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐渐取代按钮、开关、鼠标和键盘。人们尤其是年轻人已经习惯了智能电子消费产品的操作方式，可以快速反应，切换屏幕和上传或下载数据，大大丰富了人机交互的内容，明显降低了误操作率。

值得一提的是，苏州汉测测量设备有限公司自主研产的数控自动化高精度在机测量测头除了具备自动化高精度测量功能外，还具有工件防碰撞报警功能，在测量时由于误操作或错误编程容易导致碰撞导致机床，工件或测量设备损坏，在测头与刀柄之间汉测增加了防碰撞模块，当测头发生碰撞时，系统会自动停止当前测量动作，并出现报警提示，在重新校准后可以继续正常使用。主轴长时间加工后会产生热伸长，这时普通测量工序就会出现测量误差，汉测测头单元具有隔热功能，可以有效减少主轴热伸长，同时将误差累积在测量过程中，减少撞机几率。同时，测头在移动过程中触碰到障碍物也会产生报警，保护探针碰撞。

防碰撞技巧：开始运行阶段把快速倍率设置的慢些；经常性检查车床限位，确认档块是否在正确位置，是否松动；程序输入完成后，需仔细检查是否存在错误，避免坐标数字输入错误；程序编好后应该先进行单股调试；正确对刀并设置好刀补，试切对刀时注意对刀使用的Z向零点与编程一致；调试过程中随时注意当前绝对坐标值及下一程序段的终点坐标位置，确定刀具移动的距离及工件位置之间的距离进行判断是否会导致碰撞。