五轴联动数控技术的加工案例
介绍了利用转台+摆头式五轴联动数控机床加工一个汽车模型，加工的曲面复杂，精度高，程序量大。案例结合四开多轴数控系统在五轴联动机床方面的加工应用，突出体现五轴联动数控机床在实际加工中的优势(一次装卡，5个面全部加工完成)。
1 被加工工件
上世纪50年代小轿车的汽车模型，模型的数据来源于网络，经过我们技术人员的技术处理而形成三维数模(见图1)及标准加工代码。在2007年中国工博会上，四开公司展出的SKY一5L16075五轴联动加工中心现场以五轴联动方式加工该轿车模型，一次装卡完成全部加工(见图2)，在现场引起轰动。
图1 三维汽车模型
图2 五轴联动数控机床加工小轿车模型
2 加工工艺分析
2.1 零件图样的分析
该小轿车的尺寸为500 mmx295 mmx200 mm，且加工曲面是非常复杂的NURBS曲面。加工材料为代木(一种树脂合成材料)。
对图1所示的轿车模型进行分析可知，在程序编制和加工代码的生成过程中有5个难点：
(1)五轴联动数控机床加工中刀轴的控制；
(2)加工非连续复杂曲面精度的保证；
(3)驱动曲面的制作；
(4)固定五轴(3+2)和连续五轴(五轴联动)加工程序的生成；
(5)多轴后处理的建造。
2.2 装备选用
(1)加工机床的选用该加工中选用的是南京四开公司自主研发和生产的SKY一5L16075型转台+摆头式五联动高速加工中心。由于汽车模型的加工曲面非常复杂，甚至还有倒扣面的加工，充分体现出五轴联动加工的特点。三轴数控机床已远远不能够满足该汽车模型的加工，所以必须选用五联动数控机床。该机床采用了高精度的直线滚动导轨、传动丝杠和日本山洋数字交流伺服电动机，旋转工作台和摆动头采用了日研的转台，主轴最高转速为24 000 r／min。
(2)数控系统的选用数控系统采用南京四开公司研发的具有自主知识产权的高档网络数控系统一SKY2006N，专门用于多轴联动的机床控制。SKY2006N网络数控系统进一步改进了多轴联动加工的关键性控制技术，控制轴最多可扩展到64个；系统开发了3-D刀具空间补偿功能；改进了皮米插补功能和坐标系寻位补偿(C10)功能；摆轴长度补偿功能(在加工时设定摆轴长度)；实现5000程序段的预处理功能(前瞻控制)，满足高速加工的前瞻控制需要；通过Windows XP Embedded系统与数控系统的紧密结合，实现整个数控系统的专用性；对软件的界面部分进一步人性化设计，具有软件五轴加工模拟显示功能；基于标准以太网(TCP／IP)的网络功能，增强系统的可扩展性，满足高速加工时大程序量的快速、稳定的传输。控制系统足够满足加工的要求，有力地保证了机床在运动中的精度控制和操作的方便性。
(3)卡具的选用为了方便编程、降低操作人员的装卡难度，工件的装卡位置十分重要。在分析了工件的加工工艺和机床结构之后，为被加工的汽车模型特制了一个卡具，如图3所示。基准面就是卡具的顶面，每次测定摆轴长度和刀具长度就以此面做为基准面。nextpage
图3 汽车模型的特制卡具
(4)工件的装卡为了能使小轿车牢固地固定在专用卡具上，通过强力拉紧螺钉把二者固定起来，有力地保证了工件在加工过程中的稳定性和可靠性。
(5)加工刀具及刀柄的选用根据对汽车模型的尺寸、倒扣面的深度和加工精度的分析，刀具分别选用直径为16 mm、圆角半径为4 mm的圆角立铣刀，直径为10 mm、圆角半径为l mm的圆角立铣刀以及直径为6 mm的球刀。刀柄选用热膨胀结构系统，使刀具精准夹持，保证了刀具在高速旋转时的动平衡和回转精度，有效地提高切削加工的精度和工件表面质量，显著改善了刀具在切削过程中的受力状态。
2.3 CAM软件编写数控加工程序
(1)驱动曲面的制作
在Unigraphics软件的多轴编程中，多轴编程是通过驱动曲面或驱动曲线按照一定的策略产生驱动点，然后把这些驱动点按照一定的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照某种规则来生成刀具路径的。多轴加工中，刀轴的轴线方向可以改变，即随着加工表面法线方向的不同而作相应改变，从而完成复杂曲面的加工。驱动曲面的制作很有讲究，直接影响了被加工曲面的质量、精度、加工效率。驱动曲面制作时应从简避繁，尽量简单。
(2)数控加工程序的编制
①粗加工程序的编制：应用Unigraphics加工模块中的3+2轴(固定五轴)功能对小轿车进行编程，让刀具从工件的不同方向进行加工；保证了小轿车在粗加工完成之后大面积材料的去除。加工参数如下表所示。
加工工艺规划表
②半精加工程序的编制：选用mill_multi_axis(多轴加工一连续五轴)对小轿车进行半精加工，去除工件的残留量。加工参数如表1所示。
③精加工程序的编制：为保证加工精度、加工质量和加工效率，程序最后用6 mm球刀分别对小轿车的不同区域进行精加工；根据小轿车加工模型的要求，合理设置驱动曲面的驱动方向、驱动参数、切削方式、刀位点的运动轨迹、切削参数、非切削参数、机床控制(运动输出)等参数。其余参数按照SKY-5L16075型数控机床规定使用的功能指令、程序段格式及编程参数来编写加工程序。在五轴联动的编程中，手工编程一般不可实现，通常要借助一些带有五轴编程功能的CAD／CAM软件来实现自动编程。这里是选用了Unigraphics编程软件的CAM部分的多轴编程模块进行自动编程的。
④对于多轴程序的编制，刀轴的控制是难点，它直接影响到工件加工的精度、质量和效率。在此例中是通过驱动曲面来控制刀轴的连续变化的。
2.4 建造多轴后置处理
(1)后置处理的作用
CAM软件在对工件进行刀具路径计算时是假定工件不动，刀具根据工件上需加工的空间点围绕工件转动。后置处理时再将刀具路径按照机床结构和运动关系进行数据转换，转换成符合设定的机床结构的程序代码。
(2)后置处理的构造
在进行多轴程序的后置处理时，通常要构建一个与数控机床结构相同、符合数控系统指令格式和运行特点的后置处理。进入Unigraphics后置处理构造器，按照此数控机床的结构、数控系统的指令格式和运行特点构造一个后置处理，构造完成后将其保存(图4)。
图4 后置处理的构造nextpage
2.5 后置处理刀位程序
将自动编程编制好的刀位程序按照指定的后处理转换成本数控机床能读取的标准G代码。
2.6 程序校验
完成上面所有工序之后，对程序进行校验。在Unigraphics中自建一个与实际结构一致的转台+摆头式五轴联动数控机床，把汽车模型按照实际在机床上摆放的位置做在里面，在软件中进行模拟加工。
2.7 加工程序
模拟实验完成后开始后置处理所编制的程序。部分加工程序如下：
2.8 机床实际加工
将卡具安装在转台上，让卡具的回转中心和旋转台的旋转中心一致，再把小汽车固定在卡具上。根据编程时指定的加工原点进行对刀设定，在机床的操作中选用G55定位标准。
小轿车的粗加工、半精加工、精加工按照上表的工艺参数进行操作。在加工过程中，摆动轴在-120°～120°范围内连续摆动，回转轴在0°～360°范围内转动，加上三个直线轴的配合，刀具可以加工一些倒扣的曲面，而且刀具在加工过程中避免了刀尖点零线速度的切削，加工精度达到0.01 mm。
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