五轴联动加工技术(经典)

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电话：[e-mail]第一节.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1R2Rxyzmrrmn应用范围及其特点(1)przrmin)90(1R2Rpxya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(a)(b)(c)(d)(e)(f)应用范围及其特点(3)可有效避免刀具干涉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表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工可一次装卡对工件上的多个空间表面进行多面、多工序加工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。零件表面上的误差分布均匀在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工工艺要点－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工件坐标系局部坐标系nwYwZvawX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/摆动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2R1RR1R2RRRR(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2.零件表面几何形状与安装方位3.走刀进给方向4.允许的表面残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5,512RR8,512RR0,512RR2,512RR0.022.545.067.590.00.00.10.20.40.50.30.6行距(mm)zn=0.81zn=0.61zn=0.41zn=0.210.60.50.40.30.20.0行距(mm)45.067.590.022.5zn=0.81zn=0.61zn=0.41zn=0.210.60.50.40.30.20.0行距(mm)45.067.590.022.5zn=0.21zn=0.61zn=0.410.60.50.40.30.20.0行距(mm)22.545.067.590.0zn=0.81,0.61,0.41,0.21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－走刀路线的选择原则曲面加工走刀路线xxxyyyzzz)(a)(b)(cxxxyyyzzz)(a)(b)(cxxxyyyzzz)(a)(b)(c工艺要点－加工刀轴控制方式的选择原则常用的刀轴控制方式：1.垂直于表面方式2.平行于表面方式3.相对于表面方式navi相对于表面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.对于精度和表面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。DVN/1000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表面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）工件装夹方式的确定：1.尽量采用组合夹具2.零件定位、夹紧的部位应考虑到不妨碍各部位的加工、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）对刀点与换刀点的确定：1.选择对刀点的原则是：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)有已知的准确关系。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走刀步长的确定2.3走刀行距的确定2.4干涉检测与处理刀位数据及其计算（1）przrmin)90(1R2Rpxya五轴加工刀位计算mmpmRRRininnrrvnaicos/)cos()(+=)sin(sincossin1212/122为切削点位矢、则刀位点的位矢和刀轴单位矢量为：rprpim刀位数据及其计算（2）特殊情况下的刀位计算表达：1.垂直于表面端铣(==0)2.平行于表面侧铣(=90)anrrni)(=121RRRpm+=)sin1(sin22/12nrrvaiRpm走刀步长的确定－基本方法简介（1）等步长法：)(trit1it1it)(1itr)(1itr)(itr1iitlll等参数离散逼近法等步长离散逼近走刀步长的确定－基本方法简介（2）步长筛选法：2kr0rkr1krmr1mrnr参数筛选法走刀步长的确定－基本方法简介（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。走刀行距的确定－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。vu1v0v2v3vCC路径4v参数线法生成刀具轨迹走刀行距的确定－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。走刀行距的确定－方法简介（3）2.CC路径截面线法（之二）：约束面CC路径零件面投影方向零件面(a)(b)CC路径曲面边界在XOY上的投影CC路径截面线法生成刀具轨迹示例走刀行距的确定－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。走刀行距的确定－方法简介（5）3.CL路径截面线法（之二）：约束面刀位点轨迹偏置面零件面刀位点轨迹偏置面零件面刀位规划刀位点轨迹零件面投影方向(a)(b)(c)CL路径截面线法生成刀具轨迹示例走刀行距的确定－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表面(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。走刀行距的确定－方法简介（7）4.导动面法（之二）：导动面零件面AAA-A旋转导动面零件面导动面法生成刀具轨迹干涉检测与处理－干涉产生的情况（1）端铣加工时的刀具干涉：干涉干涉干涉1曲面2曲面干涉刀头部位干涉刀头部位干涉刀杆干涉干涉检测与处理－干涉产生的情况（2）侧铣加工时的刀具干涉：112200220011干涉干涉刀杆干涉刀头干涉干涉检测与处理－干涉的检测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.后续的详细干涉检测算法将与三坐标加工时完全一致。干涉检测与处理－干涉的避免方法（1）端铣加工刀具干涉的避免：(a)轴向移动法(b)轴线摆动法刀头干涉避免轴线摆动法避免刀杆干涉干涉检测与处理－干涉的避免方法（2）侧铣加工刀具干涉的避免：112200001122轴线平移法避免刀杆干涉轴向移动法避免刀头干涉干涉检测与处理－干涉的避免方法（3）开始取三角平面片全部处理完属于可能干涉区域(式4-73)可能干涉初判断式(4-75)、(4-76)可能干涉坐标旋转变换干涉详细判断(与4.3.6中的算法相同)干涉调整刀位数据，使刀具与当前三角片的顶点、边或面相切接触多面体曲面模型结束YYYYNNNN五坐标加工干涉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发展现状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发展现状（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发展现状（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的确定输入坐标值选择几何指定轴与零件表面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建刀轴路径，必须首先确