發(fā)展五軸數(shù)控機床的難點及阻力

大家早已認(rèn)識到五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。

下面新力數(shù)控小編收集了一些難點和阻力，看是否跟您的情況對應(yīng)？

五軸數(shù)控編程抽象、操作困難

這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。三軸數(shù)控機床只有直線坐標(biāo)軸, 而五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC 代碼可以在不同的三軸數(shù)控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸數(shù)控機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸數(shù)控機床。數(shù)控編程除了直線運動之外, 還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運動計算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。

五軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。只有反復(fù)實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經(jīng)驗豐富的編程、操作人員的缺乏，是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大阻力。

國內(nèi)許多廠家從國外購買了五軸數(shù)控機床，由于技術(shù)培訓(xùn)和服務(wù)不到位，五軸數(shù)控機床固有功能很難實現(xiàn)，機床利用率很低，很多場合還不如采用三軸數(shù)控機床。

對NC插補控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格

五軸數(shù)控機床的運動是五個坐標(biāo)軸運動的合成。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入，不但加重了插補運算的負(fù)擔(dān)，而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此，要求控制器有更高的運算精度。

五軸數(shù)控機床的運動特性要求伺服驅(qū)動系統(tǒng)有很好的動態(tài)特性和較大的調(diào)速范圍。

五軸數(shù)控的NC程序校驗尤為重要

要提高機械加工效率，迫切要求淘汰傳統(tǒng)的“試切法”校驗方式 。在五軸數(shù)控加工當(dāng)中，NC 程序的校驗工作也變得十分重要， 因為通常采用五軸數(shù)控機床加工的工件價格十分昂貴，而且碰撞是五軸數(shù)控加工中的常見問題：刀具切入工件；刀具以極高的速度碰撞到工件；刀具和機床、夾具及其他加工范圍內(nèi)的設(shè)備相碰撞；機床上的移動件和固定件或工件相碰撞。五軸數(shù)控中，碰撞很難預(yù)測，校驗程序必須對機床運動學(xué)及控制系統(tǒng)進行綜合分析。

如果CAM 系統(tǒng)檢測到錯誤，可以立即對刀具軌跡進行處理；但如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)NC 程序錯誤，不能像在三軸數(shù)控中那樣直接對刀具軌跡進行修改。在三軸數(shù)控機床上，機床操作者可以直接對刀具半徑等參數(shù)進行修改。而在五軸加工中，情況就不那么簡單了，因為刀具尺寸和位置的變化對后續(xù)旋轉(zhuǎn)運動軌跡有直接影響。

刀具半徑補償

在五軸聯(lián)動NC 程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統(tǒng)均無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM 系統(tǒng)重新進行計算。從而導(dǎo)致整個加工過程效率十分低下。

針對這個問題, 挪威研究人員正在開發(fā)一種臨時解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優(yōu)生產(chǎn)策略)。刀具軌跡修正所需數(shù)據(jù)由CNC 應(yīng)用程序輸送到CAM 系統(tǒng)，并將計算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件，能夠直接連接到CNC 機床，其間傳送的是CAM 系統(tǒng)文件而不是ISO 代碼。對這個問題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統(tǒng)文件。

后置處理器

五軸數(shù)控機床和三軸數(shù)控機床不同之處在于它還有兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，刀具位置從工件坐標(biāo)系向機床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，中間要經(jīng)過幾次坐標(biāo)變換。利用市場上流行的后置處理器生成器，只需輸入機床的基本參數(shù)，就能夠產(chǎn)生三軸數(shù)控機床的后置處理器。而針對五軸數(shù)控機床，目前只有一些經(jīng)過改良的后置處理器。五軸數(shù)控機床的后置處理器還有待進一步開發(fā)。

三軸聯(lián)動時，刀具的軌跡中不必考慮工件原點在機床工作臺的位置，后置處理器能夠自動處理工件坐標(biāo)系和機床坐標(biāo)系的關(guān)系。對于五軸聯(lián)動，例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯(lián)動的臥式銑床上加工時, 工件在C 轉(zhuǎn)臺上位置尺寸以及B 、C 轉(zhuǎn)臺相互之間的位置尺寸，產(chǎn)生刀具軌跡時都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時要耗費大量時間來處理這些位置關(guān)系。如果后置處理器能處理這些數(shù)據(jù)，工件的安裝和刀具軌跡的處理都會大大簡化；只需將工件裝夾在工作臺上，測量工件坐標(biāo)系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入到后置處理器，對刀具軌跡進行后置處理即可得到適當(dāng)?shù)腘C 程序。

非線性誤差和奇異性問題

由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的引入，五軸數(shù)控機床的運動學(xué)比三軸數(shù)控機床要復(fù)雜得多。和旋轉(zhuǎn)有關(guān)的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差應(yīng)歸屬于編程誤差，可以通過縮小步距加以控制。在前置計算階段，編程者無法得知非線性誤差的大小，只有通過后置處理器生成機床程序后，非線性誤差才有可能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問題。有些控制系統(tǒng)能夠在加工的同時對刀具軌跡進行線性化處理，但通常是在后置處理器中進行線性化處理。

旋轉(zhuǎn)軸引起的另一個問題是奇異性。如果奇異點處在旋轉(zhuǎn)軸的極限位置處，則在奇異點附近若有很小振蕩都會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況相當(dāng)危險。

對CAD/ CAM系統(tǒng)的要求

對五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統(tǒng)，并且必須要有經(jīng)驗豐富的編程人員來對CAD/CAM 系統(tǒng)進行操作。

購置機床的大量投資

以前五軸數(shù)控機床和三軸數(shù)控機床之間的價格懸殊很大。現(xiàn)在，三軸數(shù)控機床附加一個旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸數(shù)控機床的價格，這種機床可以實現(xiàn)多軸數(shù)控機床的功能。同時，五軸數(shù)控機床的價格也僅僅比三軸數(shù)控機床的價格高出30%～ 50%。

除了機床本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進行升級，使之適應(yīng)五軸加工的要求；必須對校驗程序進行升級，使之能夠?qū)φ麄€機床進行仿真處理。

五軸加工機床未來智能化趨勢

智能裝備的控制模式和人機界面將會有很大的變化，WiFi寬帶、藍(lán)牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動控制方式會越來越普及。與時俱進的觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤。人們，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機交互的內(nèi)容，同時明顯降低誤操作率。例如，對數(shù)控機床的操作可以通過筆記本、平板電腦和智能手機在WiFi環(huán)境下進行，如圖所示。

從圖中可見，不僅人機的交互方式從控制面板延伸到移動終端，設(shè)備和工具之間也可以進行物與物的通信。機床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài)，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預(yù)調(diào)儀上進行調(diào)整時的數(shù)據(jù)，還可以記錄刀具在機床進行了多長的切削時間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個零件等都可以讓操作者和有關(guān)部門了如指掌，減少停機和更換刀具的時間。智能刀具及其管理的概念如上圖所示。

在不同的加工情況下，往往需要設(shè)備具有不同的性能，可以根據(jù)設(shè)備工況的統(tǒng)計分析，可從設(shè)備供應(yīng)商或第三方APP應(yīng)用軟件商店購買和下載不同的軟件，以提高設(shè)備精度、加工速度或節(jié)能等，如圖所示。

智能工廠的數(shù)控機床和機器人等智能裝備的未來發(fā)展重點已經(jīng)不在硬件，感知外部環(huán)境和工況變化需要更加強大的計算能力、通信帶寬和速度，才能進行實時控制，形成真正的信息物理融合系統(tǒng)。它的特點是將設(shè)備的控制分為計算和過程兩部分，把運動控制保留在本地，而將計算移到云端，在云端“克隆”相應(yīng)的虛擬設(shè)備，在云端進行虛擬制造，如圖所示。

從圖中可見，需要計算能力的數(shù)控核心、可編程控制、圖形人機界面和通信等模塊構(gòu)成設(shè)備群的云端控制系統(tǒng)，通過中間件控制虛擬機床1、虛擬機床2、虛擬機床n，同時通過以太網(wǎng)接口下傳至車間的路由器，連接不同機床的控制器，控制相應(yīng)機床的運動，從而將虛擬機床與實體機床構(gòu)成一對一的仿真和監(jiān)控系統(tǒng)。