張洲碩

（遼寧豐田金杯技師學(xué)院，遼寧 沈陽 110015）

1 RTCP功能及其特點(diǎn)

1.1 五軸機(jī)床的RTCP功能

通常五軸機(jī)床可以進(jìn)行3+2 定位加工和五軸聯(lián)動加工，具備定位和聯(lián)動加工能力的五軸機(jī)床一般被稱為真五軸，而只具備3+2 定位加工能力的五軸機(jī)床則稱為假五軸。在所謂的真五軸機(jī)床中還存在帶RTCP 功能和非RTCP 功能2 類。這里提出的RTCP 即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說的刀尖點(diǎn)跟隨功能[1]。準(zhǔn)確來說RTCP是對雙擺頭結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床刀尖跟隨功能的稱呼，而針對雙轉(zhuǎn)臺的刀尖跟隨功能則稱為RPCP。當(dāng)然其他結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床刀尖點(diǎn)跟隨功能的名稱也不相同，但由于所實(shí)現(xiàn)的功能一樣所以統(tǒng)稱為RTCP功能。

五軸加工是在三軸加工的基礎(chǔ)上增加了2 個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動，所以在加工過程中刀具的姿態(tài)是不斷發(fā)生變化的，不會像三軸加工時(shí)那樣始終與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)的Z 方向保持一致。這2 個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)我們稱為第四軸和第五軸，在第四和第五軸上有參與運(yùn)動計(jì)算的2 個(gè)控制點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)這2 個(gè)控制點(diǎn)相對于編程坐標(biāo)系統(tǒng)會產(chǎn)生空間變化。如果這個(gè)空間變化數(shù)據(jù)不計(jì)算到數(shù)控程序中的話，就意味著程序要運(yùn)行到的目標(biāo)點(diǎn)會發(fā)生偏移。當(dāng)五軸機(jī)床具備RPCP 功能時(shí)這個(gè)空間變化數(shù)據(jù)會通過數(shù)控系統(tǒng)自動時(shí)時(shí)的計(jì)算在數(shù)控程序中，使刀具在變換姿態(tài)的過程中刀尖保持跟隨目標(biāo)點(diǎn)。如圖1 所示，在A 軸-45°，C 軸270°時(shí)，左側(cè)為RTCP 開啟時(shí)刀具在坐標(biāo)點(diǎn)X0Y0Z0的位置狀態(tài)，右側(cè)為非RTCP 時(shí)刀具在坐標(biāo)點(diǎn)X0Y0Z0的位置狀態(tài)?？梢悦黠@的看出非RTCP 狀態(tài)下刀具沒有對點(diǎn)X0Y0Z0進(jìn)行準(zhǔn)確的跟隨定位。

1.2 RTCP功能的特點(diǎn)

通過圖1 可以看出RTCP 功能可以自動補(bǔ)償因多軸旋轉(zhuǎn)所造成的位置偏移。如果機(jī)床不具備RTCP 功能這個(gè)偏移量就需要我們在編程和機(jī)床操作中進(jìn)行人工補(bǔ)償，因此工件的安裝位置不可以隨意裝夾，最好使毛坯中心和轉(zhuǎn)臺的軸心線相重合。這樣便增加了輔助時(shí)間，同時(shí)加工精度也有一定的損失。經(jīng)過對比不難看出一旦擁有RTCP 功能，數(shù)控程序的編制和加工時(shí)的工藝處理就變得和三軸機(jī)床一樣簡單，可以說RTCP 功能是一項(xiàng)能為客戶帶來效益和創(chuàng)造價(jià)值的技術(shù)，這是RTCP 最大的優(yōu)勢。但是這一功能的機(jī)床成本過高，通常使得五軸加工中心價(jià)格差1 倍，這就給很多企業(yè)在生產(chǎn)選擇上造成了很大的困難。

圖1 RTCP 與非RTCP 狀態(tài)下的刀具空間位置

了解到了RTCP 功能的特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)并非在所有的加工生產(chǎn)中都要用到這個(gè)昂貴的功能。除去少部分形狀結(jié)構(gòu)和精度要求極高的特殊零件外，大部分的零件加工非RTCP 功能機(jī)床都可以勝任。例如在單件生產(chǎn)時(shí)，雖然非RTCP 功能的機(jī)床所需要的輔助時(shí)間較長，但該種單件效率的損失并不會給最終的效益產(chǎn)生太大的影響。而在批量生產(chǎn)中過長的輔助時(shí)間問題完全可以通過專用的限位夾具來解決。那么接下來我們就來詳細(xì)的研究一下非RTCP 功能的五軸機(jī)床加工時(shí)要處理的一些問題。

2 非RTCP功能五軸機(jī)床的加工處理流程

編程加工前首先測量出機(jī)床第四軸回轉(zhuǎn)中心相對機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心相對第四軸回轉(zhuǎn)中心在X、Y、Z 方向的坐標(biāo)偏移量。將測量的各個(gè)坐標(biāo)偏移量添加到CAM 系統(tǒng)的后處理中完成后置文件的制作。然后將工件在機(jī)床上進(jìn)行裝夾，并測量出工件對刀點(diǎn)與第五軸回轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)偏移量。記錄該偏移量，在CAM 系統(tǒng)編程時(shí)將編程坐標(biāo)系按該偏移量進(jìn)行偏移，用偏移出的新坐標(biāo)系做為編程坐標(biāo)系來計(jì)算加工刀路。最后用開始時(shí)制作的后置文件處理刀路生成NC 程序傳入機(jī)床運(yùn)行加工。

3 非RTCP功能五軸機(jī)床的編程處理方法

3.1 非RTCP五軸機(jī)床的機(jī)床零點(diǎn)及四、五軸旋轉(zhuǎn)中心

前面提到四、五軸的旋轉(zhuǎn)造成了刀具空間位置的偏移，如果我們可以測量出這個(gè)偏移量的大小，然后在程序后處理中把這個(gè)偏移量添加進(jìn)去就可以實(shí)現(xiàn)類似于RTCP 的補(bǔ)償功能。因此就必須了解機(jī)床的零點(diǎn)及第四、五軸的旋轉(zhuǎn)中心。

以雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床為例，在五軸機(jī)床中自身回轉(zhuǎn)運(yùn)動關(guān)聯(lián)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)軸稱為第四軸，自身回轉(zhuǎn)運(yùn)動不關(guān)聯(lián)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的稱為第五軸[2]。如果第四軸與第五軸相交，則交點(diǎn)就是第四軸的回轉(zhuǎn)中心，如果不相交，第四軸軸線的中點(diǎn)就是其回轉(zhuǎn)中心。第五軸回轉(zhuǎn)中心在回轉(zhuǎn)工作臺表面與第五軸軸線的交點(diǎn)上。機(jī)床零點(diǎn)一般設(shè)置在第五軸回轉(zhuǎn)中心、第四軸回轉(zhuǎn)中心或者機(jī)床的行程終點(diǎn)上。

3.2 非RTCP五軸機(jī)床中心距的測量

如圖2 所示，確定了機(jī)床零點(diǎn)和第四、五軸等機(jī)床結(jié)構(gòu)信息，我們就可以測量出第四軸軸線相對于機(jī)床0 點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在Z 方向的偏置距離H，以及第四軸軸線相對于機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在Y 方向的偏置距離L，由于圖2 中的機(jī)床第四軸和第五軸的回轉(zhuǎn)中心都在Y 方向上，所以第四軸軸線相對于機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在X 方向的偏置距離為0。

測量五軸機(jī)床中心距時(shí)，將基準(zhǔn)棒安裝在機(jī)床主軸上，用跳動表找正，仔細(xì)調(diào)整基準(zhǔn)棒使跳動保證在0.01 以內(nèi)，通常越小越好。如圖2 所示，先將第四軸搖籃擺到+90°位置，用基準(zhǔn)棒慢慢靠近第五軸工作臺并用塞尺做好測量。當(dāng)基準(zhǔn)棒剛好接觸到第五軸工作臺時(shí)，記錄機(jī)床顯示屏上當(dāng)前位置下基準(zhǔn)棒在Y 方向上的坐標(biāo)值Y1。再將第四軸搖籃擺到-90°位置，用同樣的方法記錄基準(zhǔn)棒在Y 方向上的坐標(biāo)值Y2。這樣利用（Y1+Y2）/2 就可以得到第四軸回轉(zhuǎn)中心的Y 方向坐標(biāo)值Y3。再用Y3減去Y1后加上基準(zhǔn)棒的半徑和塞尺厚度就得到了第四軸軸線相對于機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在Z 方向的偏置距離H[3]。

測量第四軸軸線相對于機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在Y方向的偏置距離L 時(shí)，將跳動表安裝在主軸上去找正第五軸工作臺的中心孔，然后用基準(zhǔn)棒慢慢靠近，記錄第五軸回轉(zhuǎn)中心的在Y 方向上的坐標(biāo)值Y4。利用Y3減去Y4就可以得到第四軸軸線相對于機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心在Y 方向的偏置距離L。

以西門子NX 的CAM 系統(tǒng)為例，將Z 方向偏置距離H 和Y 方向偏置距離L 及X 方向偏置距離零，分別輸入到圖3 所示的CAM 系統(tǒng)的后處理構(gòu)造器中完成后置文件的制作[4]。其他CAM 系統(tǒng)也都類似的將偏置數(shù)據(jù)填入其后處理器中即可。

圖2 五軸機(jī)床中心距的測量

圖3 CAM 系統(tǒng)的后處理構(gòu)造器偏置距離的修改

圖4 雙擺頭五軸機(jī)床的擺長和刀長

這樣處理后工件在機(jī)床上的安裝位置就無須像以前那樣必須放在回轉(zhuǎn)工作臺的中心，可以在工作臺上任意位置安裝，如圖1 所示。但是需要注意的是該種處理非RTCP 功能五軸機(jī)床的方法，在機(jī)床結(jié)構(gòu)是雙轉(zhuǎn)臺或一轉(zhuǎn)臺一擺頭時(shí)，編程前要先裝夾工件，并測量出工件對刀點(diǎn)與第五軸回轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)偏移量，以備編程時(shí)確定編程坐標(biāo)系的位置[5]。程序一旦生成工件不加工結(jié)束絕對不可以從工作臺上拆下。但在批量生產(chǎn)中這種情況可以使用專用夾具來解決安裝找正的問題，無論從效率還是經(jīng)濟(jì)性角度都是很好的解決方案。

對于雙擺頭結(jié)構(gòu)的非RTCP 功能五軸機(jī)床在編程處理上比雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的機(jī)床要簡單很多，只需要測量出擺頭的擺長和刀具的裝夾長度即可，無須測量機(jī)床第四軸回轉(zhuǎn)中心相對機(jī)床零點(diǎn)和第五軸回轉(zhuǎn)中心相對第四軸回轉(zhuǎn)中心在X、Y、Z方向的坐標(biāo)偏移量，這里的擺長通常是指雙擺頭五軸機(jī)床的樞軸長度，圖4 為第五軸0 點(diǎn)到主軸端面的長度。刀長為主軸端面到刀尖的長度。測量出擺長和刀長信息后，將擺長信息輸入圖5中的CAM系統(tǒng)后處理構(gòu)造器的樞軸距離中完成雙擺頭機(jī)床的后置文件設(shè)置。

圖5 CAM 系統(tǒng)的后處理構(gòu)造器樞軸距離的修改

刀長則如圖6 所示，在編程時(shí)填入CAM 編程軟件的刀具Z方向偏置中即可。此時(shí)零件在工作臺可任意位置安裝且無須像雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床那樣必須先安裝工件后編制程序。對刀操作方法與三軸機(jī)床對刀方式完全相同，工件無須編程前先裝夾在工作臺上，也無需測量出工件對刀點(diǎn)與機(jī)床零點(diǎn)的坐標(biāo)偏移量。程序一旦生成工件即使沒有加工結(jié)束也可以從工作臺上拆下，相對于雙轉(zhuǎn)臺和一轉(zhuǎn)臺一擺頭類型的非RTCP 功能五軸機(jī)床來說處理程序更加靈活。

圖6 CAM 編程軟件刀具Z 方向偏置的修改

4 結(jié)語

通過對非RTCP 功能五軸機(jī)床編程處理的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)對于很多企業(yè)來說無須盲目追新去升級昂貴的五軸機(jī)床設(shè)備，同樣可以滿足自身的生產(chǎn)需求。利用非RTCP功能五軸機(jī)床編程處理的方法，可以極大地節(jié)省生產(chǎn)成本，并且有效地避免資源的浪費(fèi)。