五轴联动加工技术
五轴联动加工技术
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。
(式4-73)
Y
可能干涉初判断 式(4-75)、(4-76)
N
可能干涉
Y 坐标旋转变换
干涉详细判断 (与4.3.6中的算法相同)
N
干涉
Y
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
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
3.1 NC刀具轨迹生成方法研究发展现状 3.2 UG五轴加工刀具轴线控制方法简介 3.3 Pro/E五轴加工刀具轴线控制方法简介
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）
行距 (mm)
行距 (mm)
0.6 0.5 0.4
nz =0.81 nz =0.61 nz =0.41
0.6 0.5
nz =0.81
nz =0.61 nz =0.41
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。
五轴五联动加工中心项目需求及技术要求
五轴五联动加工中心项目需求及技术要求
一、项目简介
本项目又称五轴五联动加工中心,是指将点、面、孔、槽、走线等多
工序加工整合到一个加工中心,一次上料,可完成一次性加工的数控机床，采用五轴技术,实现多轴联动,是实现完全自动加工的高精度机床。
二、项目目的
本项目旨在开发一台具有高精度、智能化功能的四轴五联动加工中心,实现客户制模零件的高效率、高精度数控加工。
三、技术要求
1、强有力的系统稳定性:控制系统采用德国Siemens等知名品牌的控制器,电器采用名牌伺服驱动器,配合出色的系统稳定性。
2、高精度加工能力:多轴共轭加工,采用进口高精度伺服电机,驱动精度可达到0.02mm,建模精度可达到0.02mm。
3、智能控制功能:采用Siemens等专业控制系统,实现运动控制和夹
具切换等智能控制功能,可实现多工位联动加工,降低加工时间,提高加工
效率。
4、安全特性:添加双闭环保护功能,采用双作动器及双紧固功能,可防止机床自动运行时的事故,降低加工事故,保证机床的持久安全。
四、委托方需求
1、机床应具有良好的系统稳定性及可靠性、出色的加工精度、快速
方便的操作以及安全可靠的特性。
2、必须达到五轴五联动加工中心的各个加工工序的加工精度及质量需求。
五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法
五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法五轴联动数控加工是一种高精度、高效率的加工方式，可以实现对复杂曲面的加工。
在五轴联动数控加工中，刀具轨迹控制算法起着至关重要的作用，决定了加工精度和效率。
本文将介绍几种常见的刀具轨迹控制算法，并对其原理和应用进行详细阐述。
1. 五轴联动数控加工概述五轴联动数控加工是指在数控加工机床上，通过同时控制五个坐标轴的运动，实现对工件的加工。
相比于传统的三轴加工，五轴联动可以更加灵活地加工复杂曲面，提高加工质量和效率。
2. 刀具轨迹控制算法的作用刀具轨迹控制算法是五轴联动数控加工中的关键技术之一。
它可以根据工件的三维模型和加工要求，计算出刀具在加工过程中的运动轨迹，从而实现精确的加工。
刀具轨迹控制算法的好坏直接影响加工精度和效率。
3. 刀具轨迹控制算法的分类刀具轨迹控制算法可以分为两类：离散点算法和曲线插补算法。
离散点算法是指将工件曲面离散化为一系列离散点，然后通过逐点加工来实现曲面加工。
常见的离散点算法有直线连接法、圆心法和切点法等。
这些算法简单直观，适用于加工简单曲面。
曲线插补算法是指根据工件的曲线方程和刀具半径，通过插补计算出刀具的运动轨迹。
常见的曲线插补算法有圆弧插补法、曲线插补法和样条插补法等。
这些算法可以实现对复杂曲面的高精度加工。
4. 圆弧插补算法圆弧插补算法是五轴联动数控加工中最常用的一种刀具轨迹控制算法。
它通过计算刀具半径和工件曲线的切向方向，确定刀具的圆弧插补路径。
圆弧插补算法具有计算简单、加工效率高的优点，适用于多数加工场景。
5. 曲线插补算法曲线插补算法是一种更加精细的刀具轨迹控制算法，可以实现对复杂曲面的高精度加工。
曲线插补算法通过计算刀具在曲线上的切向方向和曲率，确定刀具的插补路径。
与圆弧插补算法相比，曲线插补算法需要更复杂的计算和控制，但可以实现更高的加工精度。
6. 样条插补算法样条插补算法是一种基于数学样条曲线的刀具轨迹控制算法。
它通过计算曲面上的样条曲线，将刀具的运动路径进行插补。
五轴联动是什么
五轴联动是什么五轴联动是一种数控加工机床加工方式，它通过对机床加工工具进行控制，使其在五个方向上自由移动，从而可以加工出各种各样的零件形状。
此外，五轴联动还可以通过减少操作步骤和加工时间来提高生产效率，并使产品的质量得到稳定的提高。
五轴联动的优点五轴联动相对于其他加工方式来说有很多优点，如下所述：可加工任意三维空间曲面五轴联动可以通过控制加工工具在五个方向上的运动轨迹，实现对任意三维空间曲面的加工。
相较于传统加工方式，这种方式可以大大降低产品的误差率，以及加工成本。
降低了操作步骤和加工时间相较于传统加工方式，五轴联动可以通过同时控制加工工具和工件的移动，实现多道工序的同时进行，从而可以大大减少操作步骤和加工时间。
这一优点在工业生产中尤其重要，能够有效提升生产效率。
提高了工作环境和安全性五轴联动的加工方式大大减少了因加工过程中产生的废气、粉尘等污染物质的排放，减少了机床对工作环境的影响，同时也提高了对操作人员的安全性。
可以适用于多种材料加工五轴联动可以根据不同的加工需要选择不同的加工工具，从而适用于多种材料的加工，如金属、高分子材料、陶瓷等。
产品质量得到提升五轴联动加工方式在工艺上更加高级，所以可以在精度、表面质量等方面得到更好的加工效果，从而大大提高了产品的质量。
五轴联动的应用场景五轴联动的应用范围非常广泛，如以下几个方面：航空航天领域航空航天领域对于零件的精度和表面质量要求非常高，而五轴联动可以准确地制造出复杂的零件形状，从而使得其在航空航天领域得到广泛的应用。
模具制造模具制造过程中通常会遇到复杂的立体曲面，传统加工方式无法解决这种问题，而五轴联动加工方式可以使得模具的制造变得简单和高效。
医疗设备制造五轴联动可以通过对精细加工的掌握，制造出各种各样的特殊医疗设备，从而为患者提供更加高效的治疗方案。
艺术品制造五轴联动加工方式可以制造出各种各样的艺术品形状，使得艺术品在设计时更加灵活，从而让艺术品制造领域变得更加具有创造性。
五轴五联动的编程技巧
五轴五联动的编程技巧五轴五联动编程是指利用五轴数控机床的五个轴，同时进行运动，完成复杂的加工任务。
五轴五联动编程具有以下特点：1.加工效率高：五轴五联动可以同时进行多轴运动，减少刀具空行程，提高加工效率。
2.加工精度高：五轴五联动可以实现刀具与工件在任意位置的相对运动，提高加工精度。
3.加工范围大：五轴五联动可以加工复杂形状的工件，扩大加工范围。
五轴五联动编程需要考虑以下因素：1.工件形状：工件形状复杂程度决定了五轴五联动编程的难度。
2.刀具选择：刀具的形状和尺寸决定了五轴五联动加工的效果。
3.编程方法：五轴五联动编程方法多种多样，需要根据具体情况选择合适的方法。
五轴五联动编程技巧主要包括以下几点：1.合理选择工艺路线：工艺路线的合理性直接影响五轴五联动加工的效率和精度。
在选择工艺路线时，需要考虑工件的形状、尺寸、材料等因素。
2.正确使用刀具：刀具的正确使用是五轴五联动加工成功的关键。
在使用刀具时，需要注意刀具的形状、尺寸、硬度等因素。
3.熟练使用编程软件：五轴五联动编程需要使用专用的编程软件。
在使用编程软件时，需要熟悉软件的操作方法和功能。
以下是一些五轴五联动编程的常用技巧：1.使用虚拟坐标系：虚拟坐标系可以简化五轴五联动编程的复杂性。
在使用虚拟坐标系时，需要注意虚拟坐标系与实际坐标系之间的转换关系。
2.使用插补功能：插补功能可以自动生成刀具轨迹。
在使用插补功能时，需要注意插补方法的选择。
3.使用参数化编程：参数化编程可以提高五轴五联动编程的灵活性。
在使用参数化编程时，需要注意参数的定义和使用。
五轴联动立式加工中心主要技术参数(AC轴)
mm mm kg sec kg/cm² KVA kgf ton
Ф80/Ф150 300 8 1.8 ≥6 30
200/100 8.8
A/C轴定位精度 A/C轴回重复定位精度
刀库容量
kgf.m
Nm Nm
mm mm Arc-sec Arc-sec 把
142（油压源） 190（油压源） 华中(HNC)848
37 11 油冷 BT40 0.010 0.008 30/15 8/4 24
刀具直径（满刀/邻刀） 最大刀长 最大刀重 换刀时间 气压要求 电源要求
五轴联动立式加工中心主要技术参数（AC轴）
机床型号 项目
工作台直径 主轴转速 X轴行程 Y轴行程
Z轴行程 A轴摆角 C轴回转 最小分割单位 主轴鼻端至工作台面距离(在转台前台水平时) 主轴中心与立柱导轨距离 工作台T型槽
单位
WN-5V320Z-AC 规格
mm
Hale Waihona Puke Ф320r/min
10000
mm
800
mm
600
mm
600
Deg（。）
Tool change of
mech-a1n5ica°l~di+sc 1typ1e5°
Deg（。）
360°
mm
0.001°
mm
50-650
765
kgf.m
14×90°
旋转轴夹持扭力 倾斜轴夹持扭力
控制系统 三轴轴伺服电机扭矩 A/C轴伺服电机扭矩
主轴冷却方式 主轴锥孔
X/Y/Z定位精度 X/Y/Z重复定位精度
五轴联动加工实例
第二节 球面刻字加工实例
一、球面刻字加工工艺分析 首先分析完成这个加工任务需要哪几个步骤。
图9-64 第一次粗加工后效果
第67页/共130页
第二节 球面刻字加工实例
图9-65 第二次粗加工后效果
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第二节 球面刻字加工实例
图9-66 球面精加工后效果
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第二节 球面刻字加工实例
图9-84 精加工参数
5.创建加工操作并产生加工刀具路径
第88页/共130页
第二节 球面刻字加工实例
(1)球面粗加工 选择“mill—contour”类型的子类型“CAVI T Y — M I L L ” ， 创 建 一 个 层 铣 操 作 ， 命 名 为 “ C AV I T Y — M I L L 1”。
第一节 多面体加工实例
图9-28 “进给和速度”对话框
第30页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-29 切削参数——策略
第31页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-30 切削参数——余量
第32页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-31 切削参数——连接
第33页/共130页
第一节 多面体加工实例
第一节 多面体加工实例
图9-24 “自动进刀/退刀”对话框
第26页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-25 “避让几何”对话框
第27页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-26 “安全平面”对话框
第28页/共130页
第一节 多面体加工实例
图9-27 “平面构造器”对话框
第29页/共130页
第一节 多面体加工实例
五轴联动加工与五轴定位加工
一、五轴联动加工与五轴定位加工的特点与差异五轴联动加工与五轴定位加工适用的行业对象不同，联动加工适合曲面加工，定位加工适合于平面加工，我厂为机械厂，故本文介绍后一种方法。
表1为两者的区别。
图1为我单位某工件，图中除红色面(圆角面)必须用五轴联动外，其余部位均可使用定位加工实现。
图一二、五轴定位加工手工编程与电脑编程的特点与差异一直以来，我厂五轴机床并未发挥其应有的性能，开始时作三轴使用，后来虽使用了五轴功能，但处于手工作业(简称“手工五轴编程”)的方式：加工前由程序员告知操作者机床刀轴的角度，操作者根据此角度在机床中手动设置B C 轴，然后在工件上对刀，使其与编程的坐标系一致，再调用程序加工，亦即手工作旋转轴定位动作，然后以三轴方式加工。
由于此方式涉及手工计算B C 轴旋转角度，故计算容易失误，增加多余劳动，加工工位多时，效率低下。
且对稍复杂零件如图1当中的蓝色圆柱面(及孔)，虽能计算出圆柱轴线的旋转轴定位角度但却无法在加工方向上对刀加工。
在实用化的五轴定位加工中，上述旋转轴BC的旋转角度、定位位置数值均由电脑通过指定局部坐标系并由后处理生成的(简称“自动五轴编程”)，编程员只需在编程时设置不同待加工部位的局部坐标系，在此坐标系下以普通三轴方式编程即可。
由此，编程员只需校核实体模型的正确和准确与否，至于机床如何旋转与定位，便变得与编程无关，亦与操作者无关。
表2所示为“手工五轴编程”与“自动五轴编程”的对比。
三、NX CAM在“支架”定位加工中的实现“支架”产品如图2所示：要求一次装夹加工完成除总长外全部特征。
加工坐标系G54原点位于工件上表面圆心处。
其中+X 指向凸耳方向，+Y 指向工件后方，+Z 向上。
操作者以此坐标系对刀。
1.工艺规划此工件已精车完成外形，铣加工部分可在一次装夹中全部完成，其中四个径向槽、Φ 1.5光孔(图中最小孔)及凸耳根部的清根(图中红色线处)需使用5轴定位功能，其余均可使用3轴功能完成。
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线接触式:五坐标联动数控加工当前和今后研究的重点 所谓线接触式加工是指加工过程中以线接触成型的加工方式，如圆柱周铣、圆锥周 铣、樟形窿削及砂带磨削等．这种加工方式的特点是：由于切削点处切削速度较高， 因而可获得较高的加工精度，同时，由于是线接触成型，因而具有较岗的加工效 率．目前已发展到对任意曲面线接触加工的研究．
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8.五轴加工的特点
(3)扩大工艺范围: 在航空制造部门中有些航空零件， 如航空发动机上的整体叶轮，由于 叶片本身扭曲和各曲面间相互位置 限制，加工时不得不转动刀具轴线， 否则很难甚至无法加工，另外在模 具加工中有时只能用五坐标数控才 能避免刀身与工件的干涉．
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8.五轴加工的特点
(4)有利于制造系统的集成化 出于发展的考虑，现代机械加工部向着加工 中心、FMS方向发展，加工中心能在同一工位 上完成多面加工，保证位置精度且提高加工效 率．国外数控镗铣床和加工中心为了适应多面 体和曲面零件的加工，均采用多轴加工技术， 其中包含有五轴联动功能，因此在加工中心上 扩展五轴联动功能可大大提高加工中心的加工 能力，便于系统的进一步集成化．
五轴联动加工技术
机械学院教学实验中心 徐学武 2009.03
1
1 .实验内容
学生在《数控技术》课程学习的基础上，学 习CAD/CAM软件（UG等）的使用方法和编 程技术，根据现有机床的加工尺寸，自行设 计零件（如圆柱凸轮、叶片等）并编程，先 在数控实验台上验证无误后，进而再在五轴 联动机床上加工成实物。通过本实验，可使 学生系统掌握复杂零件数字化制造的相关知 识，提高工程实践能力。
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8.五轴加工的应用范围
()
(f )
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9. “东芝事件”的影响及启示
上世纪80年代众所周知 的“东芝事件”，从一 个侧面反映了数控技术 对于国家军事工业制造 水平的巨大影响：前苏 联应用日本东芝公司生 产的五轴联动数控机床， 加工潜艇螺旋桨后，精 度大大提高，潜艇噪声 大大降低，从而导致西 方反潜设施失效，引起 西方国家极大的恐慌。
5
5.方案二
以压缩机、膨胀机、推进器等的核心部件叶轮为例，学生可参 观有关实验室，分析研究发动机叶片的形状及结构特点，现场 实际测绘一叶片，依此为参照，用CAD软件重新设计一叶片， 启发学生考虑加工方法及工装，此后引导学生认识五轴联动数 控机床并学习相关知识，学生可进一步学习CAM软件，选择 刀具路径，仿真加工，后处理生成G代码，传入五轴联动数控 机床，加工出成品，并进行分析检验，写出试验总结。
2
2 .实验难点
本实验难点是刀具选择、刀具路径仿真 （防止干涉）及程序后处理。 拟先用工程塑料及尼龙等材料进行初步 加工验证，最后用有色金属（铝合金） 加工实体。
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3.实验创新点
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 型柴油机曲轴等加工的唯一手段。五轴联动数 控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、 科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着 举足轻重的影响力。本实验可使学生学习五轴 联动数控机床的原理及加工方法，提高学生学 习兴趣，拓展学生数控加工技术的实践空间。
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6.方案三
锥型螺纹—密封性好,连接力量大.油田钻杆,液化汽瓶连接
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7.方案四
围棋盒---口小
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8.五轴加工的特点
(1)提高加工质量:端铣刀五坐标数控加工的断面残留高度小于 球头刀三坐标数控加工的断面残留高度．
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8.五轴加工的特点
(2)提高加工效率:在相同的表面质量要求下，即相同的h值 下，五坐标数控加工比三坐标数控加工可以采用大很多的 行距s，因而有更高的加工效率．
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10. 五坐标联动数控加工的三种方式
点接触式----应用最广的五轴加工型式
所谓点接触式加工是指加工过程中以点接触成型的加工方式，如球形铣刀加工、球 形砂轮磨削等．这种加工方式的主要特点是；球形表面法矢指向全空间，加工时对 曲面法矢有自适应能力，与线、面接触式加工相比较，其编程较简单、计算量较小， 并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半径就可避免干涉．因而它适合任意曲面的 加工．但由于是点接触成型，在切削点处切创速度趋近于零，因而切削条件差，加 工精度和效率低． 面接触式: 所谓面接触式加工是指以面接触成型的加工方式，如端面铣削(磨削)加工．这种加 工方式的主要特点是：由于切削点有较高的切削速度，周期进给量大，因而它具有 较高的加工效率和精度．但由于受成型方式和刀具形状的影响，它主要适合于中凸 曲率变化较平坦的曲面的加工．
4
4.方案一
以家用缝纫机机头中一圆柱凸轮为例，学生可重新观看缝纫机 的结构（在机械零件陈列室），理解圆柱凸轮的作用，并对其 进行测绘，分析其特点，再提出加工问题，学生要认识五轴联 动数控机床,学习有关多轴联动的有关知识, 根据机床有关参数， 设计一圆柱凸轮及工装，在计算机上仿真加工，后处理生成数 控机床代码，在数控实验台上进行验证，将验证后的程序传入 五轴联动机床加工出实物，分析检验并写出实验总结
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11. 五坐标联动数控
机床的分类
(1)五坐标联动双转台机床: (A)旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好． (B)由于受结构的限制，摆动坐标的刚性较低，成为整个机床刚 性的薄弱环节．而双转台机床，转台的刚性大大高于摆头的刚 性，从而提高了机床总体刚性. (C)便于发展成为加工中心．只需加装独立式刀库及换刀机械手 即可 但双转台机床转台坐标驱动功率较大，坐标转换关系较复杂；
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12. 五坐标联动数控机床的分类
(2)五坐标联动双摆头机床 双摆头机床摆动坐标驱动功率较小，工件装卸方便且坐标转换 关系简单．．
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13. 五坐标联动数控机床的分类
(3)五坐标联动一摆头一转台机床 一摆头一转台式机床性能则介于上述两者之间
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14. 五坐标联动数控机床的坐标轴
在五坐标联动数控机床中，常见的坐标是：(A)带动工件进 给的直角坐标X，Y，Z (B)带动工件旋转的回转坐标A、B、C (C)带动刀具进给的直角坐标X’、Y’、Z’；(D)带动刀具旋转 的 摆动坐标A’、B’、C’，