7.五轴联动加工技术!

计算机辅助制造第七章五轴联动加工技术一.五轴联动加工的应用范围及其特点五坐标数控加工是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段。五坐标机床不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控，而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控，由此使五坐标加工具有以下特点:(1)可避免刀具干涉，加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件，加工适应性广。(2)对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型，加工质量好、效率高。(3)对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工，走刀次数少、残余高度小，可大大提高加工效率与表面质量。(4)对工件上的多个空间表面可一次装卡进行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度。(5)五轴加工时，刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削，利于提高加工效率。同时，由于切削状态可保持不变，刀具受力情况一致，变形一致，可使整个零件表面上的误差分布比较均匀，这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。(6)在某些加工场合，如空间受到限制的通道加工和组合曲面的过渡区域加工，可采用较大尺寸的刀具避开干涉，刀具刚性好，有利于提高加工效率与精度。二.五轴联动加工的工艺要点1.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，ISO作了统一的规定(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。(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表面姿态的坐标系②坐标原点为刀具与零件表面的接触点工件2.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(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/摆动工作台刚性容易保证、工艺范围较广，实现容易。(3)刀具与工作台回转/摆动型：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。3.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4.加工行距和步长的选择五坐标曲面加工通过逐行加工走刀来完成(称为行切)，通过刀具沿各切削行的运动，近似包络出被加工曲面。两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点路经之间的距离称为走刀行距，行距的大小是影响曲面加工质量和效率的重要因素。行距过小将使加工时间成倍增加，同时还导致零件程序的膨胀；行距过大则表面残余高度增大，后续处理工作量加大，整体效率降低。因此，为了既满足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有较高的生产效率，应确定合适的加工方案以使在满足残余高度要求的前提下使走刀行距尽可能大。(1)行距的影响因素与优化措施:①刀具形状与尺寸：刀具形状与尺寸对加工带的形状有着直接的影响。②零件表面几何形状与安装方位：刀轴矢量u在局部坐标轴n上的分量un对加工带形状有着重要的影响，un大小不仅取决于零件表面本身的几何形状，还取决于零件在加工状态下的安装方位。③走刀进给方向：刀轴矢量u在局部坐标轴a和v上的分量ua和uv对加工带形状有着重要的影响。④允许的表面残余高度要求：允许的表面残余高度越大，则行距越大。(2)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。此外，加工凸曲面时，减小沿v方向的曲面曲率，将增大走刀行距。加工凹曲面时，为了能在有效避免刀具干涉的情况下提高走刀行距，选择曲面曲率较小的方向作为行进给方向也较有利。(3)优化措施：为尽可能加大走刀行距以提高加工效率，可采取以下优化措施:①合理选择刀具为避免干涉而必须采用球头刃加工外，应优先考虑使用非球面刀进行加工以获得较高的加工效率和较好的表面质量。此外，还应选择较大直径的刀具加工以提高刀具刚度和增大行距。②合理选择工件安装方位平底刀或环形刀加工时，应使工件表面各处法矢与Z轴的夹角尽可能小以增大行距，因此应合理地安装工件。在加工凹曲面时选择的工件安装方位应不存在刀具于涉。③合理选择进给方向平底刀或环形刀加工时，选择的进给方向应使进给方向角尽可能小，而鼓形刀加工时则相反。此外，应选择曲面曲率较小的方向作为行进给方向。5.常用的刀轴控制方式：刀轴控制方式是指走刀过程中刀具轴线方向按什么规律进行控制，它是影响五坐标加工效果的一个重要因素。刀具轴线的取向原则是获得高的切削效率和质量，同时避免加工中可能存在的刀具干涉问题，因此，理想的刀轴控制是随曲面形状变化而对刀轴方向进行自适应调整。由于零件结构形状的千变万化，导致五坐标加工刀轴控制方式也多种多样，要找到一种能适合各种各样约束条件的刀轴控制方式相当困难，这也即是实现五坐标数控加工编程通用化的困难所在。(1)垂直于表面方式所谓垂直于表面方式是使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢，由刀具底面紧贴加工表面来对切削行间残余高度作最大限度的抑制，以减少走刀次数和获得高的生产效率。该方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面端铣加工。(2)平行于表面方式平行于表面方式是指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，对应的加工方式一般为侧铣。这种方式的重要应用是直纹面的加工，由圆柱或圆锥形刀具侧刃与直纹面母线接触可以一刀加工成型，效率高且表面质量好。(3)相对于表面方式6.UG五轴加工刀具轴线控制方法简介(1)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。(2)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(3)MaterialSideVector如果使用驱动曲面方式创建刀轴路径，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。(4)+ZM轴指定刀轴矢量沿MCS坐标系的＋ZM轴方向。(5)I,J,K通过输入I，J，K的值来确定刀轴矢量的方向(6)LineEndPoints-ToolAxis由参考直线和直线的末端点来确定刀轴矢量方向(7)2Point通过两点确定刀轴矢量方向(8)ToolAxis-TangenttoCurve定义刀轴矢量为曲线的切线(9)SphericalCoordinates通过球面坐标定义刀轴矢量的方向(10)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。(11)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。(12)RelativetoVector通过定义相对于矢量的引导角和倾斜角确定刀轴方向的矢量，作为可变刀轴矢量。(13)NormaltoPart可变刀轴矢量在每一个接触点处垂直于零件几何表面。(14)RelativetoPart-ToolAxis通过指定引导角和倾斜角，来定义相对于零件几何表面法向矢量的可变刀轴矢量。(15)NormaltoDrive在每一个接触点处，创建垂直于驱动曲面的可变刀轴矢量。(16)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表面，此时驱动曲面引导刀具侧刃，零件几何表面引导刀具。6.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。三.五轴联动加工刀具轨迹生成技术1.基本概念(1)曲面加工刀具的统一描述曲面加工常用的刀具有球头刀、平底刀、环形刀和鼓形刀，为使算法具有较好的通用性并避免分类叙述的繁琐，用刀具模型来统一定义上述几种刀具，当刀具参数R1=R2时为球头刀，R1R2时为鼓形刀，R1R2时为环形刀，R1=0时为平底刀。(2)刀位点与刀具接触点刀位点即CL点(CutterLocation)，是刀具加工中在空间的位置点，刀具轨迹即是刀位点轨迹。原则上可定义刀具上的任一点作为刀位点，实际中为计算的一致性并便于对刀调整，采用刀具轴线的顶端作为标准刀位点。刀具接触点即CC点(CutterContact)，是指刀具表面与曲面相切接触的点。在生成刀具轨迹时，很多情况下是先确定CC点，再由此计算相应的刀位点。2.刀位数据及其计算由于五坐标加工的刀具位置和刀具轴线方向都是变化的，因此，五坐标加工的刀具轨迹是由工件坐标系中的刀位点位置矢量rp和刀具轴线方向矢量im组成。对基于前倾角和倾斜角的一般刀轴控制方式和一般刀具模型，设r为切削点位矢，则刀位点P的位矢rp和刀轴单位矢量im为3.走刀步长的确定由于数控系统上一般只配备直线、圆弧等少数插补功能，因此给定曲线的理论轨迹数控系统不一定能直接处理，此时则需对给定的理论轨迹按允许的逼近误差进行离散逼近，生成以一系列直线段、圆弧段或其组合所描述的刀具运动轨迹。关于逼近线段类型的选择，用直线逼近时计算简单，但不足之处是所得的逼近线段较短，因而程序量大；而采用圆弧段逼近则相反，在相同的逼近精度条件下程序段一般较少，但其计算较复杂。由于数控系统一般只具有坐标平面内的圆弧插补功能，因此圆弧逼近也只用于平面曲线，而直线逼近可用于任意空间曲线。因此应用中，为简化计算一般都采用简单的直线逼近法。(1)等参数法等参数逼近是对曲线参数：进行等距分割(亦即等参数步长)，然后将每一个节点的参数值代入曲线表达式中计算出该点坐标，将各相邻离散点用直线段顺序相连即构成逼近原曲线的刀具轨迹。(2)等步长法等步长逼近是使各相邻离散点间的距离相等。从原理上可按如下方法求得:以ri为中心作半径为Δl的球，该球与曲线的交点之一即为ri+1。等步长逼近比等参数逼近的计算要复杂得多，且由于曲线在各处的曲率不等，各逼近段内的逼近误差也各不相等，因而其步长也只能按最不利的情况来选取，也难得到高质量的零件程序。(3)参数筛选法参数筛选法的思想是先以小参数步长对原曲线进行密集离散，然后再校核各离散段内的实际逼近误差，并将不必要的离散点删除，从而使所剩下的各离散段内的逼近误差近似相等。(4)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。4.刀具轨迹的生成方法实际加工时刀具不可能遍历整个偏置曲面，而只可能沿它上面的一些有限的曲线轨迹运动。因此，刀具轨迹的生成方法实际上也就是在刀具偏置面上确定刀具的运动路线或者是在零件曲面上确定刀具接触点的切削路线的方法。(1)参数线法：①以被加工曲面的参数线作刀具接触点路径来生成刀具轨迹②算法简单，计算量小③适合于曲面参数线分布较均匀的情况。(2)CC路径截面线法：①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。②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。③需要求交运算，算法复杂，计算量大。(3)CL路径截面线法：①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②实施算法有两种：直接构造零件曲面的刀具偏