UG五轴联动加工技术教材

五轴联动加工技术主讲人：彭芳瑜博士、副主任华中科技大学数控工程中心一节.五轴联动加工应用范围

与工艺要点

1.1五轴联动加工的应用范围及其特点1.2五轴联动加工的工艺要点应用范围及其特点(1)

三坐标曲面加工原理 应用范围及其特点(1)五坐标曲面加工原理应用范围及其特点(2)五坐标加工的特点应用范围及其特点(3)可有效防止刀具干预对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型对一般立体型面特别是较为平坦的大型外表，可用大直径端铣刀端面贴近外表进行加工可一次装卡对工件上的多个空间外表进行多面、多工序加工五轴加工时，刀具相对于工件外表可处于最有效的切削状态。零件外表上的误差分布均匀在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干预进行加工工艺要点－坐标系(1)

机床坐标系和坐标轴的命名：1.用来描述和确定机床运动以及工件在机床上位置2.理论上可随意定义3.ISO对数控机床坐标轴的名称及其运动方向作了统一的规定工艺要点－坐标系(2)工件坐标系：1.定义工件形状和刀具相对工件运动2.与工件固联3.右手笛卡尔坐标系4.原点任意，便于工件几何形状的描述。工艺要点－坐标系(3)局部坐标系：1.在多坐标三维曲面加工时用于确定刀具相对零件外表姿态的坐标系2.坐标原点为刀具与零件外表的接触点工件坐标系与局部坐标系工艺要点－机床类型及其工艺特点〔1〕刀具摆动型：1.两个转动轴都作用于刀具上2.定轴，动轴3.摆动机构结构较复杂，一般刚性较差，但运动灵活工艺要点－机床类型及其工艺特点〔2〕工作台回转/摆动型：1.两个转动轴都作用于工件上2.定、动轴结构，只是其动轴紧靠工件。3.其旋转/摆开工作台刚性容易保证、工艺范围较广，实现容易。工艺要点－机床类型及其工艺特点〔3〕1.刀具与工件各具有一个转动运动2.两个回转轴在空间的方向都是固定的3.特点介于上述两类机床之间。刀具与工作台回转/摆动型：工艺要点－刀具类型及其工艺特点(a)平底立铣刀(b)端铣刀(c)球头刀(d)环形刀(e)鼓形刀(f)锥形刀铣削加工常用刀具工艺要点－加工行距和步长的选择〔1〕行距的影响因素与优化措施:1.刀具形状与尺寸2.零件外表几何形状与安装方位3.走刀进给方向4.允许的外表剩余高度要求工艺要点－加工行距和步长的选择〔2〕刀具参数、安装方位、走刀进给方向对行距的影响

工艺要点－加工行距和步长的选择〔3〕对行距的影响规律：1.球头刀加工时，零件形状与安装方位及走刀进给方向的变化对走刀行距的影响较小。2.平底刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化非常敏感。3.环形刀加工时，其影响规律介于平底刀与球头刀之间。4.鼓形刀加工时，行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化也很敏感，但与平底刀和环形刀加工时的规律相反。工艺要点－加工行距和步长的选择〔4〕优化措施：

1.合理选择刀具2.合理选择工件安装方位3.合理选择进给方向工艺要点－走刀路线的选择原那么曲面加工走刀路线工艺要点－加工刀轴控制方式的选择原那么常用的刀轴控制方式：1.垂直于外表方式2.平行于外表方式3.相对于外表方式相对于外表的刀轴控制工艺要点－切削条件确定及其优化〔1〕切削深度：1.主要受机床、工件和刀具的刚度限制，在刚度允许的情况下，尽可能加大切削深度，以减少走刀次数，提高加工效率。2.对于精度和外表粗糙度有较高要求的零件，应留有足够的加工余量。工艺要点－切削条件确定及其优化〔2〕主轴转速：

根据允许的切削速度V和刀具直径D选择：

其中，切削速度V受刀具耐用度的限制。工艺要点－切削条件确定及其优化〔3〕进给速度： 要根据零件加工精度和外表粗糙度要求以及刀具与工件材料选取。工艺要点－切削条件确定及其优化〔4〕选择进给速度时需要注意的某些特殊情况：1.加工圆弧段时，切削点的实际进给速度并不等于编程数值。2.复杂形状零件的加工特别是多坐标加工时，如果进给速度是恒定的，材料切除率常常波动并且可能超过刀具容量的极限，机床各运动轴的速度和加速度也可能超出允许的范围。3.为了实现进给速度自动生成，必须根据工件与刀具的几何信息计算刀具沿轨迹移动时的瞬时材料切除率工艺要点－其它工艺问题〔1〕加工工序的划分：1.刀具集中分序法2.粗、精加工分序法3.按加工部位分序法工艺要点－其它工艺问题〔2〕工件装夹方式确实定：1.尽量采用组合夹具2.零件定位、夹紧的部位应考虑到不阻碍各部位的加工、更换刀具以及重要部位的测量。3.夹紧力应力求通过靠近主要支承点上或在支承点所组成的三角形内，应力求靠近切削部位，并作用在刚性较好的地方，以减小零件变形。4.零件的装夹、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。工艺要点－其它工艺问题〔3〕对刀点与换刀点确实定：1.选择对刀点的原那么是：便于确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置、容易找正、加工过程中便于检查、引起的加工误差小。2.对刀点可以设在工件上、夹具上或机床上，但必须与工件的定位基准(相当于与工件坐标系)有的准确关系。3.对刀时直接或间接地使对刀点与刀位点重合。4.“换刀点”应根据工序内容安排。工艺要点－其它工艺问题〔4〕编程误差及其控制：1.几何建模误差2.逼近误差3.舍入误差第二节.五轴联动加工刀具

轨迹生成技术

2.1刀位数据及其计算2.2走刀步长确实定2.3走刀行距确实定2.4干预检测与处理刀位数据及其计算〔1〕五轴加工刀位计算为切削点位矢、那么刀位点的位矢和刀轴单位矢量为：刀位数据及其计算〔2〕特殊情况下的刀位计算表达：1.垂直于外表端铣(==0)2.平行于外表侧铣(=90)走刀步长确实定－根本方法简介〔1〕等步长法：等参数离散逼近法等步长离散逼近走刀步长确实定－根本方法简介〔2〕步长筛选法：参数筛选法走刀步长确实定－根本方法简介〔3〕步长估计法：1.根据当前刀具接触点处曲面的微观几何形状与走刀方向来估计满足编程精度要求的离散走刀步长，再由此确定下一刀具接触点或刀位点的位置。2.步长估计的常见方法是对理论刀具轨迹和刀具接触点路径进行弧弦逼近，由弦弓高误差来近似确定加工误差和进给步长。走刀行距确实定－方法简介〔1〕1.参数线法：以被加工曲面的参数线作为刀具接触点路径来生成刀具轨迹算法简单，计算量小适合于曲面参数线分布较均匀的情况。参数线法生成刀具轨迹走刀行距确实定－方法简介〔2〕2.CC路径截面线法〔之一〕：在走刀过程中，将刀具与被加工曲面的接触点(CC点)始终约束在另外一组曲面内，即用一组约束曲面与被加工曲面的截交线作为刀具接触点路径来生成刀具轨迹。生成的刀具接触点轨迹分布均匀，适合于参数线分布不均匀的曲面加工、型腔加工及复杂组合曲面的加工。需要求交运算，算法复杂，计算量大。走刀行距确实定－方法简介〔3〕2.CC路径截面线法〔之二〕：CC路径截面线法生成刀具轨迹例如走刀行距确实定－方法简介〔4〕3.CL路径截面线法〔之一〕：用一组约束曲面与被加工曲面的刀具偏置面的截交线作为刀具轨迹实施算法有两种：直接构造零件曲面的刀具偏置面，由约束面与偏置面求交；通过迭代等措施直接在约束面上找到刀具与被加工曲面相切的一系列刀位点特别适合于具有边界约束的曲底型腔加工及复杂组合曲面的连续加工。走刀行距确实定－方法简介〔5〕3.CL路径截面线法〔之二〕：CL路径截面线法生成刀具轨迹例如走刀行距确实定－方法简介〔6〕4.导动面法〔之一〕：通过引入导动面来对走刀过程进行约束，使走刀过程中刀具始终保持与被加工外表(零件面)与导动面相切。代表是APT的刀具轨迹生成算法数值迭代计算量较大，并存在迭代是否收敛的稳定性问题。一般多用于对组合曲面的交线进行清根处理。走刀行距确实定－方法简介〔7〕4.导动面法〔之二〕：导动面法生成刀具轨迹干预检测与处理－干预产生的情况〔1〕端铣加工时的刀具干预：刀头部位干预

刀头部位干预刀杆干预

干预检测与处理－干预产生的情况〔2〕侧铣加工时的刀具干预：刀杆干预

刀头干预

干预检测与处理－干预的检测1.对三角片的三个顶点以及刀位点绕工件坐标系的两个坐标轴进行旋转变换，使旋转变换后的刀轴矢量平行于坐标轴2.后续的详细干预检测算法将与三坐标加工时完全一致。干预检测与处理－干预的防止方法〔1〕端铣加工刀具干预的防止：(a)轴向移动法(b)轴线摆动法 刀头干预防止

轴线摆动法防止刀杆干预

干预检测与处理－干预的防止方法〔2〕侧铣加工刀具干预的防止：轴线平移法防止刀杆干预轴向移动法防止刀头干预干预检测与处理－干预的防止方法〔3〕五坐标加工干预检测与处理流程第三节.五轴联动加工编程的典型软件、特色3.1NC刀具轨迹生成方法研究开展现状3.2UG五轴加工刀具轴线控制方法简介3.3Pro/E五轴加工刀具轴线控制方法简介NC刀具轨迹生成方法研究开展现状〔1〕基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法

基于特征的NC刀轨生成方法

NC刀具轨迹生成方法研究开展现状〔2〕现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析一体化的CAD/CAM系统〔如：UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等〕相对独立的CAM系统〔如：Mastercam、Surfcam等〕。UG五轴加工刀具轴线控制方式简介ToolAxis

刀轴矢量用于定义固定刀轴与可变刀轴的方向。固定刀轴与指定的矢量平行，而可变刀轴在刀具沿刀具路径移动时，可不断地改变方向。ToolAxisVector

刀轴矢量的定义及确定刀轴矢量被定义为从刀端指向刀柄的方向刀轴矢量确实定输入坐标值选择几何指定轴与零件外表的相对关系指定轴与驱动曲面的相对关系MaterialSideVector

如果使用驱动曲面方式创立刀轴路径，必须首先确定加工侧矢量方向，该方向应指向材料被去除的方向。图中驱动曲面边缘被投射后与零件几何外表边缘一致的局部、或在零件几何外表边缘就可创立接触点；而不一致的边缘局部就不能创立接触点，刀端位于零件几何外表边缘之外，刀具就不能位于零件几何边缘上，此时刀具会先退刀，再跨越，然后进刀，并从可与零件几何外表边缘接触处继续切削。＋ZM轴指定刀轴矢量沿MCS坐标系的＋ZM轴方向。I,J,K通过输入I，J，K的值来确定刀轴矢量的方向

LineEndPoints-ToolAxis由参考直线和直线的末端点来确定刀轴矢量方向2Points通过两点确定刀轴矢量方向ToolAxis-TangenttoCurve定义刀轴矢量为曲线的切线SphericalCoordinates通过球面坐标定义刀轴矢量的方向AwayfromPoint通过指定一聚焦点来定义可变刀轴矢量。它以指定的聚焦点为起点，并指向刀柄所形成的矢量，作为可变刀轴矢量。注意：聚焦点必须位于刀具与零件几何希望接触外表的另一侧。TowardLine用指定的一条直线来定义可变刀轴矢量。定义的可变刀轴矢量沿指定直线的全长，并垂直于直线，且从刀柄指向指定直线。注意：指定的直线必须位于刀具与零件几何希望接触外表的同一侧。RelativetoVector通过定义相对于矢量的引导角和倾斜角确定刀轴方向Lead：引导角定义刀具沿刀具运动方向朝前或朝后倾斜的角度。引导角为正时，刀具基于刀具路径的方向朝前倾斜；引导角度为负时，刀具基于刀具路径的方向朝后倾斜。

Tilt：倾斜角度定义刀具相对于刀具路径往外倾斜的角度。沿刀具路径看，倾斜角度为正，使刀具往刀具路径右边倾斜；倾斜角度为负，使刀具往刀具路径左边倾斜。与引导角度不同，倾斜角度总是固定在一个方向，并不依赖于刀具运动方向。

NormaltoPart可变刀轴矢量在每一个接触点处垂直于零件几何外表。RelativetoPart-ToolAxis通过指定引导角和倾斜角，来定义相对于零件几何外表法向矢量的可变刀轴矢量。右图所示为引导角＝20度倾斜角＝0度4-AxisNormaltoPart通过指定旋转轴〔即第四轴〕及其旋转角度来定义刀轴矢量。即刀轴先从零件几何外表法向投射到旋转轴的法向平面，然后基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜一个旋转角度。4-AxisRelativetoPart通过指定第四轴及其旋转角度、引导角度与倾斜角度来定义刀轴矢量。即先使刀轴从零件几何外表法向、基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜引导角度与倾斜角度，然后投射到正确的第四轴运动平面，最后旋转一个旋转角度。Dual4-AxisonPart-ToolAxis只能用于Zig-Zag切削方法，而且分别对Zig方向与Zag方向进行切削。通过指定第四轴及其旋转角度、引导角度与倾斜角度来定义刀轴矢量。即分别在Zig方向与Zag方向，先使刀轴从零件几何外表法向、基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜引导角度与倾斜角度，然后投射到正确的第四轴运动平面，最后旋转一个旋转角度。注意：假设在Zig方向与Zag方向指定不同的旋转轴进行切削，实际上就产生五轴切削操作。Interpolate-ToolAxis通过在指定点定义矢量来控制刀轴矢量。也可用来调整刀轴，以防止刀具悬空或避让障碍物。根据创立光顺刀轴运动的需要，可以从驱动曲面上的指定位置处，定义出任意数量的矢量，然后将按定义的矢量，在驱动几何上的任意点处插补刀轴。指定的矢量越多，对刀轴就有越多的控制。NormaltoDrive在每一个接触点处，创立垂直于驱动曲面的可变刀轴矢量。ToolAxis-SwarfDrive用驱动曲面的直纹线来定义刀轴矢量。可以使刀具的侧刃加工驱动曲面，而刀尖加工零件几何外表，此事驱动曲面引导刀具侧刃，零件几何外表引导刀具。如果驱动曲面是三角形时，可能引起刀具倾斜，因为在驱动曲面的顶角处，不能产生矩形网格状驱动点。

如果拐角或圆角半径小于刀具半径，会使刀具不能沿整个驱动曲面直纹线切削。图中在刀具侧刃沿驱动曲面A完成直纹切削运动前，刀尖已经与驱动曲面B接触，这就可能导致在刀具与驱动曲面B相切时〔即刀具侧刃加工曲面B〕，在刀轴方向有突然的切入，从而引起过切。RelativetoDrive-ToolAxis通过指定引导角与倾斜角，来定义相对于驱动曲面法向矢量的可变刀轴矢量。4-AxisNormaltoDrive通过指定旋转轴〔即第四轴〕及其旋转角度来定义刀轴矢量。即刀轴先从驱动曲面法向、旋转到旋转轴的法向平面，然后基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜一个旋转角度。4-AxisRelativetoDrive通过指定第四轴及其旋转角度、引导角度与倾斜角度来定义刀轴矢量。即先使刀轴从驱动曲面法向、基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜引导角度与倾斜角度，然后投射到正确的第四轴运动平面，最后旋转一个旋转角度。Dual4-AxisonDrive通过指定第四轴及其旋转角度、引导角度与倾斜角度来定义刀轴矢量。即分别在Zig方向与Zag方向，先使刀轴从驱动曲面法向、基于刀具运动方向朝前或朝后倾斜引导角度与倾斜角度，然后投射到正确的第四轴运动平面，最后旋转一个旋转角度。注意：假设在Zig方向与Zag方向指定不同的旋转轴进行切削时，实际上就产生五轴切削操作。Pro/E五轴加工刀具轴线控制方式简介PointsonSurface曲面上的点：选取在其上定义刀轴方向的点；在所选取的点之间的区域中，Pro/NC将逐步插入正确的刀轴方向。如果已为参数LEAD_ANGLE和TILT_ANGLE指定了值，那么插入缺省刀轴方向时将不考虑这些值，但在计算后它们将被增加到该值中，或从该值中减掉。对于切削线〔Cutline〕加工，也可沿切削线〔cutlines〕定义刀轴方向1：使用【Edge】和【AlongZDir】创立的轴定义。2：使用【Location】和【DatumAxis】创立的轴定义。PivotPoint中枢点：选取或创立要作为刀具旋转点的基准点。加工曲面时，刀具轴将始终通过此点。PivotAxis中枢轴：同下面要介绍的中枢曲线相似，加工曲面时，刀具轴将始终通过中枢轴上的某些点。一般只能用球头端铣刀。

PivotCurve

中枢曲线。选取要用于引导刀轴的边或曲线的开放或封闭环。加工曲面时，刀具轴将始终通过中枢曲线上的某些点。组成中枢曲线的所有图元互相之间必须相切。可使系统自动将刀具路径与中枢曲线同步或定义自己的同步。一般只能用球头端铣刀。第四节.五轴联动加工编程的

后置处理方法4.1后置处理任务与流程4.2多坐标机床的结构形式与理想状态下的运动求解算法4.3任意运动结构的机床运动学建模与求解4.4非线性运动误差校核与处理4.5进给速度的校核与修正4.6通用后置处理系统原理4.7UG后置处理过程简介后置处理任务与流程

1.机床运动求解2.非线性运动误差校核与处理3.进给速度的校核与修正4.数控加工程序生成后置处理流程框图多坐标机床的结构形式五坐标机床的结构类型：1.刀具摆动型

2.工作台回转/摆动型3.刀具与工作台回转/摆动型理想状态下的运动求解算法〔1〕工作台回转/摆动型数控机床运动求解工作台回转/摆动型(A’-C’)结构图工作台回转/摆动型结构的运动链工作台回转/摆动型结构的坐标系理想状态下的运动求解算法〔2〕刀具回转/摆动型五坐标机床运动求解刀具回转/摆动型(B-A)结构图刀具回转/摆动型结构的坐标系理想状态下的运动求解算法〔3〕刀具与工作台回转/摆动型机床运动求解A’-B配置的五坐标机床结构图刀具与工件回转/摆动型的坐标系

理想状态下的运动求解算法〔4〕运动求解的实现要满足以下条件：1.对于工作台回转/摆动型，必须在工件装夹好后通过测量确定两回转/摆动轴交点在工件坐标系中的位置矢量。2.对于刀具回转/摆动型，必须通过测量确定有效的刀具长度，即回转轴与刀具轴线的交点到刀位点的距离，它可以看成是刀位点总的摆动半径。3.对于刀具与工作台回转/摆动型机床，既要通过测量确定有效的刀具长度，又要在工件装夹好后通过测量确定工作台回转/摆动轴线上一点在工件坐标系中的位置矢量。任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动结构的建模〔1〕运动结构的通用模型：1.构成运动链的坐标轴数目不限。但其中联动轴数不超过五个(三平动加两转动)，其余轴那么称为辅助轴；2.各平动轴的运动方向和转动轴的轴线可以不与机床标准坐标系的坐标轴平行，各转动轴的轴线可相互不垂直；3.对于定、动轴结构，两回转轴线可不相交于一点；4.刀具轴线与作用在刀具上的转动轴轴线可不相交于一点。运动结构通用模型任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动结构的建模〔2〕运动结构模型的建立：1.运动链构成的定义2.运动轴方向的定义五轴五联动双转台机床任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动关系的建模〔1〕坐标体系的建立：1.与刀具固联的刀具坐标系，其原点在刀位点上。2.与工件固联的工件坐标系，它由零件几何建模时确定。3.与各运动副动构件固联的运动构件坐标系。任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动关系的建模〔2〕相邻坐标系间的变换矩阵：为由坐标系之间的初始位置关系决定的平移变换矩阵，为坐标系的原点在坐标系中的位矢，为坐标系随其运动副动构件沿或绕相对初始位置运动的变换矩阵坐标体系任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动关系的建模〔3〕刀具坐标系到工件坐标系间的变换矩阵：

确定刀具坐标系到工件坐标系的变换矩阵，实际上只需要知道各转动副坐标系之间、刀具坐标系和与其相邻的转动副坐标系之间以及工件坐标系和与其相邻的转动副坐标系之间的初始位置关系、、

、和共M+1个位置矢量。双转台机床初始位置关系任意运动结构的机床运动学建模与求解－运动关系的建模〔4〕通用运动学模型：任意运动结构的建模过程任意运动结构的机床运动学建模与求解－机床运动求解1.转动运动求解计算参与联动控制的转动轴的运动量。2.平动运动