五轴数控机床加工后处理研究

摘 要 首先对五轴数控机床的构造以及特点进行剖析，在对五轴数控机床进行充分了解的情况下，从五轴数控机床特点、加工后处理等多个方面分析五轴数控机床在生产中的应用，通过分析应用现状探讨五轴数控机床今后在现代化生产中应用的发展前景。

关键词 五轴；数控机床；加工后处理

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0109-02

1 五轴数控机床的构造及特点

1.1 五轴数控机床的两种加工中心特点

五轴数控机床在生产业中广泛应用与航空航天业、军事领域、科研领域、精密器械领域以及高精医疗设备等。常见的五轴数控机床包括立式五轴加工中心和卧式五轴加工中心。

1.1.1 立式五轴加工中心

立式五轴加工中心的回转轴包括两种形式：1）工作台回转轴，工作台可以环绕X轴回转，这种工作台一般设置在床身上，可定义为直线轴，直线轴工作范围一般为正三十度至负一百二十度；2）工作台的中间另设有另外一个回转台，环绕另一个轴回转，可将其定义为旋转轴，旋转轴都是三百六十度回转。这样通过直线轴与旋转轴的组合，除了工作台底面部分的工件以外，其余的五个面均可以利用这这种机床进行加工。直线轴和旋转轴最小分度值一般为0.001度，因此，又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。

这类加工中心的优点在于，主轴的结构简单加工非常灵活、刚性好、保证有一定的线速度、加工质量高，制造成本较低，但是也有其局限性，工作台不能够设计较大的空间，承重程度较小且机身国语庞大。主轴前端是一个回转头，能自行环绕直线轴三百六十度，成为旋转轴，回转头上还带可环绕另一直线轴旋转的旋转轴，一般可达正负九十度以上，实现上述类型机床同样的功能。

1.1.2 卧式五轴加工中心

卧式五轴加工中心，此类加工中心的回转轴也有两种形式，一是将卧式的主轴摆动固定成为一个回转轴，与工作台上的一个回转轴相互配合，由主轴立、卧转换配合工作台分度，可以进行五面的立体加工。二是传统的工作台回转轴，设置在床身上的工作台直线轴一般工作范围正二十度至负一百度。工作台的中间也设有一个回转台旋转轴，这个旋转轴可双向三百六十度回转。

1.2 五轴数控机床特点

1.2.1 编程程序复杂

编程复杂、难度大。在三种不同的结构型式和三种不同的运动配置方式的自由组合下，可以得到九种可能的不同结构类型的五轴机床。五轴数控不同于三轴数控，其编程的难度也程函数趋势上涨，除了需要对三个直线轴进行运动的编程外，还要加入两个旋转轴的编程程序，这种两个旋转轴同时加入的运转模式，使得其合成的运动轨迹相当复杂，为达到所需的自由曲线，不仅需要进行严密而复杂的集合运算，并且还需要考虑各个轴承的协调性，以免造成不和谐的冲撞。

1.2.2 能进行自由曲线及多面体复杂构建的加工

五轴数控机床机构复杂，编程难度大给其赋予了独一无二的应用上的优点。三轴数控机床一般来说是三个直线轴构成的，因此不能够一次性加工完成连续并且平滑的自由曲面。例如：航空发动机和汽轮机的叶片，以及孔位的壳体和模具等，这种精细部件就不能够通过三轴数控机床进行加工。由于普通的三轴数控机床其刀具相对于工件的位姿角不能够在加工过程中进行转变，加工一些自由曲面等复杂的工件时，就有可能产生干涉或者加工不到位的情况。而利用五轴数控机床进行这类工件的加工，则可以有效避免这种情况，在加工时可以随时调整位姿角的角度，使其与工件进行调整，一次性装夹完成完美的自由曲面的加工。

2 五轴数控机床在机床后置处理系统中的应用

由于某些历史事件的限制，中国在五轴联动数控机床上的技术进口受到了一定的阻碍，数控系统技术还停留在一般水平上。随着近我国在数控方面的深入发展，各地涌现出大批生产制造五轴联动机床厂家，通过相关学者研究人员的深入研究和攻关，我国五轴数控机床技术不断提高。本文主要从建立数学模型角度对五轴数控机床在机床后置处理系统中的应用进行简要分析探讨。

2.1 建立五轴数控机床坐标系的数学模型

五轴机床运动示意图如图1所示。将其旋转运动A、B、C相应的表示为轴X、Y、Z的旋转运动，其运动方向以向右旋转标注。其中Z+表示向上，X+表示向右，Y+表示向里。C角为XY机床坐标绕Z轴旋转所得，A角为其绕X轴旋转所得，其计算较为复杂。下图2，根据双专台五轴机床运动而转换的平面矢量运转图。

2.1.1 角C的计算

C=90°-arctan（ay/zx） （当ax>0时）

C=270°-arctan（ay/zx） （当ax>0时）

C=0° （当ax=0，或ay≥0时）

C=180° （当ax=0，或ay>0时）

2.1.2 角A的计算

A=arctan（） （当az>0时）

A=0° （当az=0时）

A=arctan（） （当aZ

2.1.3 X、Y、Z的数学模型

X=xccosC+ycsinC

Y=-xcsinCcosA+yccosCcosA+zcsinA

Z=xcsinCsinA-yccosCsinA+zccosA

图1 双转台五轴机床运动示意图

图2 双转台五坐标加工刀轴矢量运转图

2.2 五轴机床的数控编程

本文所用程序为UG/Post Builder专用后置处理软件。在其程序中和刀轨创口中做好定义、修改及用户化的程序设置。其中后处理程序主要包含：A程序开头，B操作头，C刀轨，D操作尾，E程序结尾五个。其中G代码创口出，定义好快速运动、顺逆园运动及直线运动等程序；在M代码创口处，定义好后置处理中会用到的程序结束、主轴的顺逆转、主轴关停以及更换道具等程序；对字地址定义创口设置好关键字的格式；在字符顺序的创口设置好字符优先程序；在用户自定义创口添加自定义等相关命令程序。其编程语言用TCL语言模式，同时实现后置处理算法的旋转轴的角度计算、变轨角度计算、坐标变换矩阵的计算、坐标轴位移值的计算等等。此外在程序和刀轨参数创口的程序命令中，需将旋转轴角度计算以及平动轴位移计算等程序导入到命令列表中来。