五轴机床轨迹控制

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1、五轴联动数控机床加工过程中轨迹控制问题：五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。　　五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。例如，立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一

2、种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较

3、小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可

4、提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。大型雕塑零件的加工，如大型水轮机叶片、螺旋桨叶片等由多张雕塑曲面组成的封闭曲面体零件，其加工面积从几平方米到数十平方米，采用五轴联动数控加工是目前最有效的加工方法。对于大型雕塑曲面五轴联动数控加工的刀位轨迹生成五轴联动数控加工的刀位轨迹计算是大型雕塑曲面零件加工中一个很重要的问题，为了获得好的表面质量和高的加工效率，要求在零件上不同区域的曲面形状需要采取与之相适应的加工方式。

5、高质量的刀具轨迹生成方法除应保证编程精度和无干涉外，同时应满足通用性好、加工效率高、代码量小等等条件。对于雕塑曲面的多轴联动端铣加工，均采用行切加工方式，各种行切加工方式均可归结为曲面上曲线的加工问题，这样就提出了如何根据加工的曲面生成正确的刀位轨迹的问题。由曲面模型生成无干涉刀位数据主要有以下几种方法：1曲面模型→无干涉CC数据→CL数据；2曲面模型→多面体模型→CL数据；3曲面模型→偏置面模型→CL数据；4曲面模型→CC数据→无干涉CL数据。经分析，在大型雕塑曲面的五轴联动加工中一般采用第4种方法生成刀位数据。对于五轴联动加工的刀位轨迹规划针对雕塑曲面零件的各张曲面的特点，进行合理的刀位

6、轨迹规划和计算，是在保证加工质量要求的前提下高效率加工出大型零件关键的技术之一。如大型叶片数控加工的刀位轨迹规划中，首先应考虑叶片的流体动力特性，确定和优化走刀路径。第二步应根据叶片曲面几何设计要求，控制和合理分配误差，采用适合各曲面的刀具几何形状和参数，合理确定走刀步长和走刀行距计算出刀具切触（CC）点的数据。大型曲面加工可采用等残余高度规划法搜索计算相邻的CC轨迹，完成走刀行距计算。在大型雕塑曲面的刀位轨迹规划中既要严格控制加工误差，又要尽可能提高加工效率。目前的CNC系统在五轴联动控制时一般只有线性插补功能，而五轴联动加工的各轴的联动规律是复杂的非线性关系，在CAM系统中，由弦弓高误差

7、来近似确定加工误差和进给步长，而没有考虑回转轴的摆动长度对加工误差的影响。另外在大型叶片加工中，回转轴的摆动长度一般都相对较大，这些非线性误差对大型雕塑曲面加工加工尤为重要，可采用考虑三维非线性误差来计算走刀步长。第三步，应根据各曲面的曲率分布情况，确定合理的刀轴控制方式等，计算刀轴矢量，实现五轴联动刀位轨迹计算。对于五轴联动数控加工的刀轴矢量计算在五轴联动数控加工曲面的过程中，刀轴矢量是由定义在刀位轨迹上的