五軸機(jī)床中刀軸界限功能的參數(shù)分析

陸齊煒

江蘇省常州技師學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 常州 213017

PowerMILL是英國(guó)Delcam Plc公司出品的功能強(qiáng)大，加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件系統(tǒng)。采用全新的中文WINDOWS用戶界面，提供完善的加工策略。幫助用戶產(chǎn)生最佳的加工方案，從而提高加工效率，減少手工修整，快速產(chǎn)生粗、精加工路徑，并且任何方案的修改和重新計(jì)算幾乎在瞬間完成，縮短85%的刀具路徑計(jì)算時(shí)間，對(duì)2-5軸的數(shù)控加工包括刀柄、刀夾進(jìn)行完整的干涉檢查與排除。具有集成的加工實(shí)體仿真，方便用戶在加工前了解整個(gè)加工過(guò)程及加工結(jié)果，節(jié)省加工時(shí)間。在強(qiáng)大的POWERMILL軟件中，對(duì)于五軸機(jī)床的加工策略非常豐富，由10種刀軸控制以及粗精加工，鉆孔30多種策略配合應(yīng)用。

1 五軸刀軸和刀軸控制介紹

五軸刀軸：五軸機(jī)床中的五根軸是由3根線形軸（linear axis）和2根旋轉(zhuǎn)軸（rotary axis）組成的。線形軸分別由X、Y、Z組成，而旋轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的是A、B、C表示軸名。五軸刀軸控制：五軸刀軸控制是CAM系統(tǒng)五軸技術(shù)的核心。五軸CAM系統(tǒng)給出每個(gè)切削點(diǎn)刀具的刀位點(diǎn)（X,Y,Z）和刀軸矢量（I,J,K），五軸后處理器將刀軸矢量（I,J,K）轉(zhuǎn)化為不同機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度（A,B,C）中的兩個(gè)，然后計(jì)算出考慮了刀軸旋轉(zhuǎn)之后線性軸需要移動(dòng)的各軸位移（X,Y,Z）。

2 刀軸界限功能

刀軸限界功能是允許用戶在產(chǎn)生多軸刀具路徑過(guò)程中控制刀具的角度限界，是刀具路徑能配合當(dāng)前用戶實(shí)際所用的五軸機(jī)床角度界限和加工中的一些刀具夾持避讓要求。而指定的限界具有不同的格式，具體格式和回轉(zhuǎn)軸配置類型相關(guān)。由于不同的機(jī)床具有不同的配置，POWERMILL軟件將角度限界以方位角和仰角兩個(gè)概念來(lái)描述。

方位角是在XY平面上逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的角度，對(duì)于一般五軸機(jī)床可認(rèn)定為Z軸的旋轉(zhuǎn)角度（角度范圍可達(dá)±360°）。仰角是自XY平面向上提起（+90°） 或向下落下（-90°）的角度，對(duì)于一般五軸機(jī)床可認(rèn)定為X軸的旋轉(zhuǎn)角度（角度范圍因機(jī)床而定），當(dāng)設(shè)置刀具界限參數(shù)時(shí)，在刀軸方向表格中選取刀軸限界選項(xiàng)，激活限界頁(yè)面（勾取顯示刀軸，查看限界），接著選取限界頁(yè)面，方位角中開(kāi)始角和結(jié)束角分別輸入0°和360°；仰角中開(kāi)始角和結(jié)束角輸入90°和0°。這樣就會(huì)在主界面中產(chǎn)生一個(gè)圓球，而此時(shí)的圓球會(huì)分成兩種顏色，上半球面是綠色，給定的方位角是整圓，仰角只設(shè)置了0°～90°而形成上半球面，下半球面是紅色，表示刀軸無(wú)法加工此區(qū)域。

3 五軸機(jī)床與刀具界限功能關(guān)系

五軸機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸配置區(qū)別很大，不過(guò)大體可分為三種基本加工配置，分別是工作臺(tái)—工作臺(tái)（Table-Table），主軸—主軸（Head-Head），工作臺(tái)—主軸（Table-Head），這三類機(jī)床在POWERMILL軟件中進(jìn)行刀具界限參數(shù)設(shè)置又不盡相同，現(xiàn)分別對(duì)3種情況的刀具界限進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)分析。

3.1 工作臺(tái)—工作臺(tái)方式下的刀具界限參數(shù)分析

此類機(jī)床主軸方向不動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在工作臺(tái)上，工件加工時(shí)隨工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，該機(jī)床一般角度界限定為：X方向上轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±30°，Z方向上轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±360°。機(jī)床的Y軸限界相當(dāng)于方位角或是垂直于XY平面的角度限界。Y軸限界±360°轉(zhuǎn)換成方位角即方位角限界為0°～360°。機(jī)床的X軸限界相當(dāng)與XY平面上的仰角，但它們并非相同的角度，機(jī)床是相對(duì)于Z軸測(cè)量測(cè)量角度范圍的，而PowerMILL則是相對(duì)于XY平面測(cè)量。因此，PowerMILL的角度限界是機(jī)床角度限界的余角（仰角=90-機(jī)床角度）。也就是說(shuō)機(jī)床的X限界±30°轉(zhuǎn)換成仰角限界則為60° ～90°。

3.2 主軸—主軸方式下的刀具界限參數(shù)分析

此類機(jī)床工作臺(tái)不動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在主軸上，加工過(guò)程中主要通過(guò)主軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工。假設(shè)主軸－主軸回轉(zhuǎn)的機(jī)床的角度限界指定為：X軸旋轉(zhuǎn)界限為±60°，Z軸旋轉(zhuǎn)界限為±360°，則機(jī)床的Z軸限界相當(dāng)與方位角或垂直與XY平面的角度限界。在PowerMILL中Z軸限界±360°轉(zhuǎn)換成方位角限界為0°～360°。機(jī)床的X軸限界相當(dāng)與XY平面上的仰角。機(jī)床的角度范圍是相對(duì)于Z軸的，然而PowerMILL 的仰角是相對(duì)與XY平面測(cè)量，因此，PowerMILL 的角度限界即是機(jī)床角度限界的余角。為此，機(jī)床的X軸限界±60°轉(zhuǎn)換成仰角限界即為30°～90°。

不過(guò)對(duì)于有些特殊主軸—主軸控制的五軸機(jī)床，機(jī)床的回轉(zhuǎn)角度限界X為-30°～+60°，Z為±360°，在進(jìn)行仰角設(shè)置的時(shí)候尤其兩邊擺動(dòng)的角度不一致，得到的結(jié)果有兩種，一側(cè)是60°～90°，另一側(cè)是30°～90°，那么對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)人員就希望得到60°的大擺角，這里POWERMILL軟件將機(jī)床界限跨過(guò)XZ平面，使用最大旋轉(zhuǎn)值（+60°），加工另外一側(cè)時(shí)，主軸可繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°，以達(dá)到最大范圍。

3.3 工作臺(tái)-主軸方式下的刀具界限參數(shù)分析

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別裝在主軸和工作臺(tái)上，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，可裝夾較重的工件；主軸擺動(dòng)，可靈活地改變刀軸方向。假設(shè)主軸－工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)床的角度限界為：X軸旋轉(zhuǎn)界限為±40°Z軸旋轉(zhuǎn)界限±360°。機(jī)床的X軸限界相當(dāng)于XY平面之上的仰角，對(duì)PowerMILL而言即是機(jī)床仰角的余角。因此，X軸限界±40°轉(zhuǎn)換成仰角限界為50°～90°。

因此，對(duì)于不同類型的五軸機(jī)床在進(jìn)行刀軸控制時(shí)，POWERMILL軟件會(huì)產(chǎn)生多種控制參數(shù)的設(shè)置。尤其對(duì)于我們經(jīng)常需要設(shè)置的刀具界限功能，能否合理的分析并準(zhǔn)確的設(shè)置，直接的影響機(jī)床安全性和高效性，所以我們CAM設(shè)計(jì)人員必須掌握該功能的參數(shù)設(shè)置。

[1]楊書榮.深入淺出POWERMILL數(shù)控編程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]朱克憶.POWERMILL多軸數(shù)控加工編程實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.