五轴数控镗铣加工中心在斜面加工中的应用

五轴数控镗铣加工中心在斜面加工中的应用本文就型号生产任务中所遇到的大型斜面类零件如何在五轴数控镗铳加工中心上完成精密加工进行研究，提出并解决了斜面类零件的加工编程问题。并更进一步论述了如何在斜面上实现精确铳削方程曲线，三维曲面、亥悖等的编程问题，抛开多轴加工时由于增加摆长而引起的一系列问题，突破了常规的编程思维模式，使数控机床和CAM软件完美的结合起来。1、引言高性能的五轴数控铳加工中心，数控系统都具有空间坐标系旋转以及斜面刀具补偿功能，从而为一些需斜面加工且加工精度比较高的零件加工提供了可能。在斜面上加工时，由于坐标系在空间发生变化，加工程序编制困难，需突破常规的编程思维模式进行编程，而且对程序进行特别处理，本篇结合型号产品的实际加工来讨论此问题。在型号产品的生产过程中经常会遇到此类零件，需在斜面上进行打孔、镗孔、铣削形状，或者在同一次装夹中需要在不同方向和不同斜度的若干斜面上加工，且每个斜面间有较高的形位公差要求。常规的加工此类零件的方法是扳动床头、转动工作台面或者使用组合夹具，若加工方向或者加工位置不同则需要二次装夹，重新找正，加工过程异常繁琐，由于装夹定位和机床本身的限制，无法保证零件的加工精度。如在TXX的台体加工中，斜面上的孔系较多，且异形面不好装夹，定位基准不好，多次装夹造成误差积累有时孔的边距误差超过了1mm。2、斜面加工工艺分析及解决方案为解决此种零件的加工问题，通过不断摸索和工艺方法的不断改进，并结合工厂现有机床，后选用五轴数控铣加工中心来解决此问题。所选机床为五轴五连动，除3个线性轴外，还带回转工作台（C轴：一360°〜360°）和摆头（B轴：0°〜110°）两个回转轴，采用控制系统为FANUC160i,具有空间坐标系旋转和斜面刀具补偿功能。机床运动简图如下：

从实现斜面加工的角度来看，在一次装夹中可完成不同方向、不同角度的多个斜面的打孔、镗孔、攻丝、铳削等多种加工的需要。减少了装夹次数，降低了劳动强度，缩短了产品的生产周期，更重要的是提高了零件的加工精度，保证了产品质量的一致性。以长三系列某基座类零件的窗口加工为例，零件如下图所示：要加工此窗口，可以看出，机床应该完成一个在XZ、YZ平面上2轴联动的插补和一个主轴的摆头动作。因为要使刀具和加工面垂直，必须使主轴完成一个摆头动作，有摆头，就牵扯到摆长等一系列的多轴加工问题。因此要使用多轴程序的编制手段来完成，编程和机床调试难度大，给程序编制者和机床操作者提出了更高的要求，在实际应用中，考虑到保证机床安全等方面的因素，需模拟加工过程，多次空切，确保程序无误，才能进行正式加工。此外，多轴的程序算法相当复杂，需考虑摆长等因素的影响，针对某一机床必须有特定的后处理，但后处理往往因为算法和控制位置的不同，以及计算稳定性方面的影响，经过软件后处理所得的程序在控制精度方面常常难以满足零件图纸精度的要求。分析可看出，造成编程难度增加的直接原因是斜面的出现，因此，如果可以使加工平面与斜面重合，那么此类问题就转化为一个两轴半加工的编程问题，编程难度大大降低。因此，可以想到，首先使用机床的坐标系转换功能（G68指令）来使加工平面与斜面重合，第二使用刀具长度补偿指令（G432），在斜面的垂直方向加上刀长，经过以上处理后，使斜面加工问题转化为平面加工来解决，从而编程难度大大降低。若同时需要加工多个斜面时，只需转动C轴到C0（工作台的零位，该零位方向与主轴摆动方向相同），再通过旋转坐标系和加刀长来实现加工。如果加工形状比较简单，通过手工便可以完成编程工作。从而使得在数控机床一次装夹中，实现在多个斜面、多个工位、多次换刀的加工变成可能。程序结构如下：%N010000008（程序名）N0102M6Tl；（换刀）N0104G0G90G56X400Y200Z260B0C0；（运动到参考点）N0106G432X200Z150H1B«；（在垂直于斜面的方向加刀长）N0108M3S3000；（主轴正转）N0110M8；（打开切削液）N0112G68X188Y0Z60I0J1K0R«；（坐标系转换，3为主轴从零转到与斜面垂直时所转动过得角度）••••••N0200G69；（坐标系旋转取消）N0202G492X200Z300；（斜面刀具补偿取消，运动到安全位置）N0204M9；（切削液关）N0206Ca；（C轴旋转，a为所要加工的第n个斜面的垂线与C0位置所夹的最小角度）N0208GOG90G56X400Y200Z260B0C0；（运动到参考点）N0210G432X200Z150HlB«n；（在垂直于斜面的方向加刀长）N0212G68X188Y0Z60I0J1K0R«n；（坐标系转换，®r为主轴从零转到与斜面垂直时所转动过得角度）N0200G69；（坐标系旋转取消）N0202G492X200Z300；（斜面刀具补偿取消，运动到安全位置）N0204M9；（切削液关）N0204M30；（程序结束，返回到程序头）3、复杂斜面加工的进一步讨论再讨论第二个问题，可以看到，虽然在上述讨论中实现了斜面加工，但是仅限于在斜面上打孔、镗孔、攻丝、铣削由直线和圆弧构成的简单形状，局限于手工编程。如果铣削形状比较复杂，如在斜面上铣削方程曲线，三维曲面、刻字，又该如何去编制程序？类似的这些形状即使在平面上加工时，手工编程也是无法做到的，只有通过CAM软件来完成。通过对机床和CAM软件的仔细研究，摸索出一套软件编程结合手工编程的办法来完成此类零件的加工编程的有效途径。分析可知，在普通的三轴铳编程中，刀轴方向始终与XOY平面垂直，但是当主轴偏离原来的竖直方向时，刀具平面发生倾斜时，如何才能使在XOY平面上生成的程序在斜面上正确运行。分析可知，尽管坐标系发生了旋转，但是如果使在XOY平面上所做图形（a）在原坐标系中的相对位置与斜面上要加工的形状（b）和新坐标系中的相对位置保持一致，那么在XOY平面上所生成的程序可直接应用到斜面加工中。根据机床摆头动作对图形位置的影响，分析可知，在XOY平面上作图时，应使图形以编程原点为旋转中心逆时针旋转90°（旋转角度应根据机床等具体情况来定），这样就使在CAM软件中的图形位置与实际加工的位置保持一致。通过添加和修改程序头和程序尾，即增加坐标系转换和斜面刀具补偿，就使得软件编程和手工编程结合起来，从而实现了在斜面上铣削方程曲线，三维曲面、刻字等任意复杂形状的加工。

通过在实际加工验证，证实该方法在机床功能及行程的许可范围内应用该种方法编程可实现任意斜面上任意复杂形状的加工编程。下图为在52。的斜面上加工三维曲面的加工实例：4、结论在本厂型号产品的生产过程中，多次应用该方法解决了多项加工难题，为斜面类零件的加工提供了一条全新的解决途径，不仅提高了斜面类零件的加工精度和加工效率，并且为工厂带来较大的经济效益。综上所述，此种编程方法的主要优势体现在一下几个方面：解决了斜面类零件的数控加工问题解决了斜面加工的精度问题简化了斜面加工的编程问题解决了在斜面上铳削任意复杂形状的加工问题提高了斜面加工程序控制精度问题编程思路的转变，不仅使编程者在编程思维模式上有更新的认识，而且在开发机床性能，提高数控机床的使用率方面也发挥出不小的作用。此加工思路提出，解决了多种型号产品相关零件的加工及加工精度问题，为进一步提升总体产品的性能提供保证，为型号产品的加工逐步走向数字化做出应有的贡献。撰稿人：徐刚本文对机械设备中常用的凸轮零件在Pro/E中的绘制过程进行了详细阐述，将传统零件和三维设计软件合理有效的结合起来，简化了设计过程，提高了设计效率，在软件应用方面作出突破。引言随着机械设备自动化能力的不断提高，作为自动化机构中的一种——凸轮机构，其在机械设备中用运越来越广泛，但由于其控制运动异常复杂且控制精度要求很高，因此给凸轮机构的设计和加工造成困难，运用传统凸轮机构的设计方式，其设计周期较长且难度相当大。现介绍一种运用Pro/E软件来完成凸轮机构设计及验证的有效方法，在自动机构设计方面不失为一种值得推广的设计新思路。造型分析凸轮按照其使用功能和形状可分为圆柱凸轮、盘形凸轮和移动凸轮。从凸轮的原理来分析，凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律，运动规律就是设计凸轮时的设计目标。因此必须寻找一种可以将从动件的运动规律与凸轮的轮廓形状很好的联系起来的设计方法。因此，可以用运Pro/E软件中的图形（GEAPH）命令作出从动件的位移线图，在应用Pro/E软件中提供的变截面扫描命令利用关系式将刚才所做的图形加载到截面的某个尺寸上，在扫描的过程中，截面会随着从动件的位移线图而不断改变，当扫描完成360°后，整个凸轮的形状就完成了。造型过程以下就一个盘形凸轮的造型过程详细说明此种凸轮的设计思路。零件如图1所示。图1 盘形凸轮零件图步骤1：基础特征造型使用拉伸命令作一圆柱形基础特征，草图和拉伸后的特征如图2所示。

图2草图及拉伸特征步骤2：创建方程曲线在“基准”工具栏中单击“插入基准曲线”按钮，在弹出的菜单管理器中选则“从方程”选项，单击“完成”，如图3中所示。弹出“曲线”对话框和次级菜单。根据系统提示选择系统默认坐标系PRT_CSYS_DEF。在下一级菜单中选择“笛卡尔”坐标系（如图5、6所示），随后弹出记事本中定义曲线方程，该方程就是从动件的位移曲线方程，根据设计的不同，可编写不同的曲线方程。图3曲线菜单1方程&■a-L

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取消信息预览图4 “曲线”对话框菜单管理器▼猖到坐标索选取菜单管理器▼猖到坐标索选取图5 曲线菜单2菜単菅理器▼磯置坐笛素尔球图6 曲线菜单3在记事本输入图5所示的方程，保存并退出记事本。Sf住1.■■中诃一12同E*BE®点张⑥卷式⑥■■砂辛齡OP丹根据i〔捋轨D吏賈⑴时X.?和空/*舸如;对在；c-y平而的一^圃｝申心在駅点/*罕冷二乞蠢敘方出將是；k4*togCt*3翎')/* F=4+sinCt*3003/* e=0j■■■■「■■■■・■■■ ■h=50a=pi/2M-gCr+gO?：!：y=0.S^^Q^cost4=*5?1*90/3))£=&图7 曲线方程图8生成的曲线（图中红色部分）选择菜单“文件/保存副本”，保存格式为IGES，给定输出名称“cuvel”，在随后弹出的“输出IGES”对话框中选则“基准曲线和点”复选框，单击确定，完成IGES文件输出。图9“输出IGES”对话框签名档：品质：精确产生价值、客观建立权威、真实是我的生命、客观是我的灵魂！了解政策掌握行情、开阔视野传递心声功能：把握经济脉搏、服务行业经济大众、力求清新自然、朝气蓬勃、端庄大方、市场行情信息，权威人士分析，注重内涵合底蕴、尽显中国知识女性的风采与魅力！追求：真实准确时效鲜活步骤3：创建图形特征选择菜单“插入/模型基准/图形”选项，根据系统提示在消息输入图形名称cuve2,确定后进入草绘模式。在草绘模式中，在绘图区绘制一个坐标系，同时绘制两条通过此坐标系的中心线。选择菜单“草绘/数据来自文件”选项，选择刚才输出的“cuvel.igs”文件，打开后，在“缩放旋转”对话框输入比例和角度，拖动曲线至适当位置，单击确定按钮推出。在草绘模式中对曲线进行编辑增加，最终结果如图10中所示。图10最终曲线步骤4：创建变剖面扫描特征选择菜单“插入/可变剖面扫描”命令，单击草绘按钮，进入草绘模式绘制如图11所示的剖面。图11剖面图11剖面选择菜单“工具/关系”选项，将需要驱动的尺寸附加到上步所建图形上，实现在扫描过程中尺寸的实时驱动。具体方法就是在弹出的“关系”对话框中输入图12中所示的关系式，单击确定按钮退出草绘模式。图12 图12 “关系”对话框单击控制板中的确定按钮，则最终完成凸轮轮廓的绘制，如图13所/示o图13凸轮模型步骤5：创建孔特征及修饰特征最终凸轮模型如图14中所示：图14 最终模型签名档：品质：精确产生价值、客观建立权威、真实是我的生命、客观是我的灵魂！了解政策掌握行情、开阔视野传递心声功能：把握经济脉搏、服务行业经济大众、力求清新自然、朝气蓬勃、端庄大方、市场行情信息，权威人士分析，注重内涵合底蕴、尽显中国知识女性的风采与魅力！追求：真实准确时效鲜活

发其它类型凸轮绘制举例如下图中所示的槽形凸轮和移动凸轮，其做法与盘形凸轮的造型过程基本类似，只是需要驱动的尺寸不同。图17中的凸轮为作者在工作中实际遇到的一个实例，具体要求如下：在外径为40，内孔为32的空心圆柱端面构建一渐变曲面，以截面圆环的一条类半径为所要建立曲面的母线，沿内孔圆周旋转360，在0°〜180°范围内，要求每转9°,母线与圆柱端面的夹角增加10',在180°〜360°范围内，要求每转9°，母线与圆柱端面的夹角减少10',其造型过程与上类似。图15 槽形凸轮图16移动凸轮签名档：品质：精确产生价值、客观建立权威、真实是我的生命、客观是我的灵魂!了解政策掌握行情、开阔视野传递心声功能：把握经济脉搏、服务行业经济大众、力求清新自然、朝气蓬勃、端庄大方、市场行情信息，权威人士分析，注重内涵合底蕴、尽显中国知识女性的风采与魅力！追求：真实准确时效鲜活奖励财富值|收藏到网摘|复制本链接|相逢是缘（浪职位:版主“查看财富值卜子） 级别：进士畑作者帖子作匡给我留言|注册：2004-11-19者博客帮帮采纳数：23发表：2007-06-3021:38回回复：【技术文摘】五轴数控镗铳加工中心在斜面加工…学习。签名档：☆公司名称：重庆利特高新技术有限公司（专业生产、销售各种材质的机加工用陶瓷刀具、陶瓷耐磨件、各种家用陶瓷水果刀）电话传真电子邮箱:cqyyli@163.com☆QQ：50781201公司网站：/☆诚信通网址：/?keywords=%D6%D8%C7%EC%C0%FB%CC%D8&categoryld=0* * * * * * * * * * * * * * * * * * * *一奖励财富值|收藏到网摘| 复制本链接|积尘够级别：进士育查看财富值上［丄给我留盲j注册： 作者帖子作2005-01-06 者博客帮帮采纳数：2版主奖励：20点|发表：2007-07-0114:23雇•回复：【技术文摘】五轴数控镗铳加工中心在斜面加工…几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴

数控铳床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。符合数控机床发展的新方向近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铳床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工,数控机床既能车削又能进行五轴铳削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时间和花费。发展和推广的难点及阻力何在显然，人们早已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，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术为何久久未能得以广泛普及？五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范围内普遍存在以下问题。奖励财富值|收藏到网摘奖励财富值|收藏到网摘|复制本链接|因回复：【技术文摘】五轴数控镗铳加工中心在斜面加工…五轴数控编程抽象、操作困难这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。刀具半径补偿困难在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铳刀进行接触成形铳削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系统文件。购置机床需大量投资以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%〜50%。除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。签名档：莫嫌弃机械的单调往复，如同甚热爱世界的丰富多彩。因为有了简单重复，于是便有了复杂运动。发表：2007-07-0114:25回回复：【技术文摘】五轴数控镗铳加工中心在斜面加工…国内五轴数控技术发展状况与