五轴联动的应用

2024-04-12

五轴联动的应用（通用9篇）

篇1：五轴联动的应用

五轴联动数控机床的发展

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。

发展现状国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上,又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资,大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。

当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。

2013年7月31日上午由大连科德制造的高精度五轴立式机床，启运出口德国。工信部装备司副司长王卫明表示：“这一高档数控机床销往西方发达国家，是中国机床制造行业的重要里程碑。”

研究背景及应用

最近10多年来，数控技术快速发展，特别是数控系统大容量存贮技术的解决，开放体系结构控制器（OAC）的应用，快速处理器和运动控制，日益完善的人机接口软件（Human Machine Interface,HMI）以及工厂自动化设备支持通过网络的互联性，使5轴数控机床潜在生产能力能够被充分发挥；高速加工ＨＳＭ技术，高速电主轴或复合主轴头技术的发展，有力推动了机床设计／制造技术的发展与创新，使5轴数控机床制造技术难度大大降低，造价也大幅度减少，许多中小型5轴联动立／卧式加工中心（VMC,HMC）一般制造企业已能接受；计算机软硬件技术快速发展和费用持续降低，使5轴联动和3轴联动控制系统价格已相差无几了；5轴联动CAM编程软件价格（包括5轴程序检验软件）也已大幅度下降，使得许多制造企业可接受使用它，尽管其价格还是偏高；软件技术的进步，特别是仿真技术和虚拟NC加工等可视化技术的应用，用户掌握和应用5轴加工编程软件较以前也容易得多了。加上用户对5轴数控机床的需求日益迫切，因此，包括从适应轻载切削、中载切削到重载切削的各种（高速）5轴数控机床在宇航、汽车、装备、运输、模具以及医疗器械等制造行业中得到了越来越广泛

应用。

①加工复杂空间曲面的产品零件

②大型复杂结构件的高效率加工

③复杂多面体带孔系结构件的高生产率加工

④取代EMD加工

⑤取代快速原型制造（RP）

⑥个性化产品零件加工

⑦组成柔性生产系统用于中/小批量产品的加工

展望

代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。五轴联动数控车床在工业生产中占有非常重要的作用，而且现在出现了新的特征，五轴联动数控技术正在向高速、高效率、高可靠性、高精度、复合化、智能化、网络化、柔性化、绿色化等方向发展，我国由于工业底子薄，装备制造业水平比较低，生产出来的五轴联动数控车床质量跟欧美和日本产品还存在一定的差距，落后就要挨打，面

对历史因素和现实的紧迫性，我国要想在接下了发展空间中占有一席之地，就需要做到以下几点：

1、加大研发资金投入力度，加大加强基础理论研究，为设备研究做好理论准备。

2、研究外国先进设备技术，深研其中的核心知识。在仿照的基础上进行创新。

3、研究国内外五轴联动技术的发展方向，做到先人一步开展研发。

4、了解国内外各个用户群体的需要，开发出适合不同用户需要的设备。

5、创新是保持领先的内在要求，没有创新就没有进步。国家应该鼓励企业进行五轴联动技术的研发。

6、在保护好自己核心技术的前提下与其他先进企业进行技术交流。

7、大力发展高端五轴联动车床，实施精品工程。

参考文献

德国兹默曼公司开发出FZ25龙门铣床[J]．制造技术与机床

杜玉湘，陆启建，刘明灯．五轴联动数控机床的结构和应用[J]．机械制造与自动化梁铖，刘建群．五轴联动数控机床技术现状与发展趋势[J]．机械制造

篇2：五轴联动的应用

由于使用五轴联动机床，使得工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。另外，由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命，降低成本。采用五轴联动机床加工模具可以很快的完成模具加工，交货快，更好的保证模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。

在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。

五轴机床的种类

五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式二轴NC工作台，NC工作台NC分度头，NC工作台 90轴，NC工作台45B轴，NC工作台A轴，二轴NC主轴等类型。上述六大类共7种五轴联动方式都有各自的特点，无法说哪一种形式更好，只能说你的产品适合哪种类型的五轴加工。

五轴机床发展的趋势

首先是采用直线电机驱动技术。经过十几年的发展，直线电机技术已经非常成熟。直线电机刚开发出来易受干扰和产热量大的问题已经得到解决，而直线电机的定位技术，既在高速移动中快速停止，也有部分机床厂家采用阻尼技术给予解决

直线电机的优点是直线驱动、无传动链、无磨损、无反向间隙，所以能达到最佳的定位精度。直线电机具有较高的动态性，加速度可超过2g。采用直线电机驱动还具有可靠性高、免维护等特点。

篇3：五轴联动后置处理技术的应用

五轴联动后置处理技术的应用是根据数控机床的结构特点及数控系统的要求进行代码后续处理, 通过刀触点和刀位矢量的空间坐标转换, 最终生成五轴联动数控机床能够直接识别的NC代码的过程。

1 五轴联动的坐标转换

空间坐标系包含3个平动自由度和3个转动自由度, 由于五轴联动机床具有任意的两个转动轴, 使得机床可以有很多种运动轴配置方式, 其中包括工作台回转型、刀具摆动型和刀具与工作台回转/摆动型三大结构组合形式, 本文以刀具与工作台回转/摆动型作为后置处理应用对象, 即以[X、Y、Z、B、C]作为配置方式。

2 五轴机床后置处理算法

当以[X、Y、Z、B、C]为配置方式时, 为了完成对此机床的后置处理, 可以采取如下方式:

令工件的坐标系为OWXYZ;机床的运动坐标系为OrXYZ, 由此可以推导出:工件坐标系OWXYZ相对于机床OrXYZ的相对坐标为 (xd, yd, zd) ;刀具中心C0在工件坐标系中的位置为 (xc0, yc0, cc0) ;刀轴矢量C0 (单位矢量) 在工件中的坐标系为 (ax, ay, az) ;由机床运动关系可知, 刀具可绕坐标轴Y摆动A (0°≤A≤90°) 角;工件可绕坐标轴Z转动C角。现在要解决的问题是求出机床运动坐标X、Y、Z和B、C的参数方程。

1) 假设刀轴矢量a为自由矢量, 先将刀轴矢量的起点移动到工件原点上, 然后将刀轴矢量绕Z轴顺时针转到 (-Y) (+Z) 平面上, 再将刀轴矢量绕X轴顺时针转到与Z坐标一致的位置, 这样做可以确保当az≥0时, 刀轴矢量绕X轴顺时针转动角在 (90°~0°) 范围内变动。

2) 让刀轴相对于工件绕X轴逆时针转动B角, 然后让刀具相对于工件绕Z轴逆时针旋转C角, 由B、C角的计算公式可知:

3) 通过刀心C0经过工件转动后在机床坐标系CrXYZ上的位置, 可以求取机床坐标X、Y、Z的值。

(1) 先将工件坐标系CwXYZ平移到机床坐标系CrXYZ上, 其变换矩阵为

(2) 工件绕Z轴旋转-C角, 其变换矩阵为

(3) 刀具绕Y轴旋转B角, 其变换矩阵为

由以上三步的坐标变换关系可得

通过以上坐标处理后, 采用MATLAB编程语言进行编程, 可实现后置处理转换和NC代码的生成。

3 后置处理后的叶轮数控程序

4 五轴联动后置处理后的NC代码

摘要：根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析和处理, 通过刀触点和刀位矢量的坐标空间转换, 最终生成五轴联动数控机床能够直接识别的NC程序。

关键词：五轴联动,后置处理,刀轴矢量

参考文献

[1]蒋道顺.直纹面叶片侧铣数控加工研究[D].北京:北京交通大学, 2009.

[2]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京:科学出版社, 2003.

篇4：叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成

复杂曲面的多轴联动数控编程是涉及众多领域知识的复杂流程,是数字化仿真及优化的过程。

针对大型混流式叶片各曲面的特点,进行合理的刀位轨迹规划和计算,是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。

由于五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的,因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量组成,刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制,于是可根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴矢量。

从加工效率、表面质量和切削工艺性能来看,选择沿叶片造型的参数线作为铣削加工的方向分多次粗铣和一次精铣,然后划分加工区域,定义与机床有关的参数,根据以上所选叶片的加工部位、装夹混流式叶片的刀轨生成定位方式、机床、刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的余量,精加工采用同一直径的铣刀,根据粗糙度要求给定残余高度,根据具体情况选择切削类型、切削参数、刀轴方向、进退刀方式等参数。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀的雕塑曲面零件,还要根据情况作大量的刀位编辑,并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和编辑刀轨。

二、叶片五轴联动数控加工仿真

数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验加工程序并对其进行优化。在计算机上仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹,辅助进行加工刀具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查,取代试切削或试加工过程,大大降低了制造成本,缩短研制周期,避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞,保证加工过程的安全。加工零件的代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切,水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体,开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五轴联动数控加工的关键。在此,我们首先通过电子商务资料库进行工艺系统分析,明确机床系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维软件建立机床运动部件和固定部件的实体几何模型,并转换成仿真软件可用的格式,然后建立刀具库,在仿真软件中新建用户文件,设置所用系统,并建立机床运动模型,即部件树,添加各部件的几何模型,并准确定位,最后设置机床参数。接下来将叶片模型变换到加工位置计算出刀具轨迹,再以此轨迹进行叶片切削过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就可以清楚地监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具间的干涉碰撞,从而保证了数控编程的质量,减少了试切的工作量和劳动强度,提高了编程的一次成功率,缩短了产品设计和加工周期,大大提高生产效率。如在数控加工行业进行推广,可产生巨大的经济和社会效益。

三、叶片刀位轨迹的后置处理

后置处理是数控编程的一个重要內容,它将我们前面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床配备的数控系统,熟悉该系统的编程包括功能代码的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板,根据以上掌握的知识,开发定制专用后置处理器。然后将已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的代码。

以上介绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术,已用于工程实际大型叶片的数控编程中,实现了大型转轮叶片的五轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真,保证了后续数控加工的质量和效率,已作为大型水轮机叶片五轴联动数控加工的编程工具用于实际生产中。

篇5：五轴联动的应用

课题顺利通过验收

2012年10月15日，在首都航天机械公司（211厂）现场，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项办组织召开了由北京市电加工研究所承担的《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》科技重大专项课题验收会。验收专家组由技术专家和财务专家14名组成。验收会由专项办吴振凯主持。北京市科学技术研究院邵锦文副院长、科研处张经华处长，工信部财务司领导杨晓娟出席了验收会。课题负责人和承担单位代表出席了会议。

会上，课题负责人杨大勇研究员代表课题组就课题研发过程、执行情况、经费管理及使用情况、主要技术创新和取得的成果向专家们进行了汇报。课题参与单位负责人对子课题的完成情况也进行了汇报。技术专家和财务专家审查了相关文件资料，实地考察了生产现场，并进行了认真质询和讨论。专家组认为该课题圆满完成了合同书中规定的研究内容，完全达到了考核的技术指标要求，课题组提供的验收资料齐全，符合验收规范，一致同意该项目通过验收。熊院士及各位专家对课题取得的成果给予了高度评价：“04科技重大专项实施方案总体要求很高，在前期论证时，专家认为五轴联动精密数控电火花成形机床的研制是国家高端先进制造急需的技术装备，按照规划预计2020年完成，而该课题的实施使这个目标提前完成。课题成果在用户单位的实际应用也达到了良好的应用效果，得到了用户单位的认可，成绩来之不易。”

熊院士及各位专家还提出了殷切的希望，他们谈到“高、奇、缺的特种加工技术对中国航天航空事业至关重要，希望课题承担单位能够立足用户需求，进一步提高精度和可靠性，形成规模化生产，替代进口，继续保持技术领先水平！”

《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》课题于2009年立项，北京市电加工研究所作为责任单位，与北京机床所精密机电有限公司、哈尔滨工业大学、大连理工大学、首都航天机械公司联合承担。五轴联动精密数控电火花加工设备代表着当今国际同行业技术的最高水平，发达国家对我国出口管制严格。本课题研制的工程化、可用于工业生产环境的五轴联动精密数控电火花加工装备，能解决常规机械加工及数控切削不能解决的加工难题，尤其是航天航空等国防高科技行业关键零部件的加工难题，突破西方国家“高、精、尖”设备对我国的技术壁垒，提升我国相关行业的生产能力。

篇6：五轴联动的应用

数控加工设备的结构形式逐步趋向紧凑化、集成化、复杂化、多样化, 现代数控加工机床的加工程序编制仅仅依靠手工编程的方式, 在准确率和编程效率上已经不能满足复杂、精密零件的加工要求, 甚至一些复杂加工程序是无法用手工编程的方式来实现的.随着计算机技术的不断发展, 计算机辅助制造 (CAM) 技术日臻完善, CAM软件已经被广泛应用于航空、航天、医疗、汽车、电子等诸多领域.其中, 西门子公司的UG NX辅助设计制造软件是目前主流的计算机辅助CAD/CAM/CAE集成设计软件之一.利用UG NX/CAM编制数控加工程序, 一般包括前置处理和后置处理2个过程, 如图1所示.

前置处理是指在计算机辅助制造过程中, 将CAD设计的模型, 通过CAM软件模块计算产生的刀位轨迹的整个过程.前置处理产生的是刀位轨迹源文件 (cutter location source file) , 要将其转换成机床能够识别的G代码就必须通过后置处理来完成.因此, 后置处理是数控加工中的一个重要环节, 其主要任务是将CAM软件生成的刀位轨迹源文件转成特定机床可接收的数控代码 (NC) 文件[1].不同的数控机床, 因控制系统的不同, 对其数控程序要求的代码格式辅助命令等使用不同.因此要针对不同的数控系统生成不同的后置处理生成器[2].到目前为止, 机床后置处理算法研究基本成熟, 但如何运用已有的成熟算法解决实际加工中具体机床的NC程序后置处理问题, 用于实际零件加工, 仍然具有重要的工程应用价值[3].以德马吉非正交五轴联动数控机床DMU50V为例 (即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床) , 分析机床结构, 建立了机床结构运动学数学模型及算法.并介绍了如何将数学模型及算法写入Tcl语言, 完成后置处理程序的编制.

1 机床运动学算法分析

DMU50V数控机床结构采用双轴数控回转摆动工作台, 机床运动坐标包括X、Y、Z 3个移动坐标和转动轴C及与Z轴成45°夹角的转动轴B, 如图2所示.其中, C轴为任意角度, B轴的运动范围是0°～180°.机床第4轴B轴与Z轴交点与机床原点之间的距离H是机床的一个重要参数, 如图3所示.该参数影响工作台旋转后的坐标[4].

假设工件坐标系OWxyz与机床坐标系OXYZ平行, 且OW在机床坐标系OXYZ中的坐标为 (x0, y0, z0) , 工件坐标系中任意点的刀具中心位置即刀位点为 (xw, yw, zw) , 假定刀轴矢量为单位向量n, n=axi+ayj+azk (az≥0) .从而, 确定加工点 (xw, yw, zw) 时, 机床运动坐标X、Y、Z、B、C的值[5].

1.1 确定机床B、C轴旋转角度

将任意刀轴矢量ON的起点移到机床坐标系的原点, 并平移B轴使之过O点.在实际加工中, B、C轴的运动方向都是刀具相对工作台的运动方向, 与工作台的实际运动方向相反, 因此问题可转化为任意刀轴矢量ON如何转化成ON0 (如图4所示) , 即如何将刀轴矢量旋转到与机床坐标系Z轴方向一致的位置.要达到上述要求需进行4次旋转: (1) 将刀轴矢量ON绕Z轴顺时针旋转一周, 形成一个圆弧; (2) 将单位矢量ON0绕B轴旋转形成一个半圆弧 (0°≤B≤180°) , 2个圆弧产生交点M; (3) 将刀轴矢量ON绕Z轴旋转角度C至OM; (4) 将OM绕B轴顺时针旋转角度B至ON0.从而, 使任意刀轴矢量与Z轴重合.

根据图4中向量关系可推导出

$\begin{array}{l} \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{1}} + \vec{Ο_{1} Μ} = a_{z} k + \sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} \cdot \\ (\cos C^{″} i + \sin C^{″} j) (1) \\ \vec{Ο Μ} = \vec{Ο Ο_{2}} + \vec{Ο_{2} Μ} = \frac{1}{2} (- j + k) + \frac{\sqrt{2}}{2} \times \\ (\frac{\sqrt{2}}{2} \cos B (j + k) + \sin B i) (2) \end{array}$

由式 (1) 、式 (2) 可得

$\begin{array}{l} \cos B = 2 a_{z} - 1 \\ C^{″} = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) \end{array}$

得出机床的旋转坐标为

B=arccos (2az-1) (3)

$C = \arcsin (\frac{1 - a_{z}}{\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}}}) + C^{'} (4)$

其中, C′为向量ON与X轴的夹角, 根据向量所在象限的不同, 具体取值随之变化.令 $\sqrt{a_{x}^{2} + a_{y}^{2}} = a_{x y}$ , 则旋转角度C可表示为

$C = {\begin{cases} \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 90 ° ? [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} > 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} + \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | - 180 ° [\begin{array}{l} a_{x} < 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - 90 ° [\begin{array}{l} a_{x} = 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} - \arctan | \frac{a_{y}}{a_{x}} | [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} < 0 \end{array}] \\ \arcsin \frac{1 - a_{z}}{a_{x y}} [\begin{array}{l} a_{x} > 0 \\ a_{y} = 0 \end{array}] \end{cases} (5)$

1.2 求解旋转后的直角坐标值

求解工作台旋转后的任意刀位点 (xw, yw, zw) 在机床坐标系OXYZ中的坐标 (X, Y, Z) , 根据机床的运动顺序进行如下空间变换

(1) 将工件坐标系Owxyz原点平移到机床坐标系OXYZ原点O, 平移距离为 (x0, y0, z0-H) , 其中 (x0, y0, z0) 为工件坐标系原点在机床坐标系中的坐标值, 变换矩阵为

$Τ_{1} = [\begin{array}{l} 1 0 0 ? 0 \\ 0 1 0 ? 0 \\ 0 0 1 ? 0 \\ x_{0} y_{0} z_{0} - Η 1 \end{array}] (6)$

(2) 工件绕B倾斜轴旋转B角, 变换矩阵为

$\begin{array}{l} R_{2} = [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° - \sin 45 ° 0 \\ 0 \sin 45 ° - \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} c o s B 0 s i n B ? 0 \\ - s i n B ? c o s B 0 0 \\ 0 ? 0 1 0 \\ 0 ? 0 0 1 \end{array}] \times \\ [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 \cos 45 ° \sin 45 ° 0 \\ 0 - \sin 45 ° \cos 45 ° 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] (7) \end{array}$

(3) 工件绕Z轴旋转C角, 变换矩阵为

$R_{1} = [\begin{array}{l} c o s C s i n C 0 0 \\ - s i n C c o s C 0 0 \\ ? 0 0 ? 1 0 \\ ? 0 0 ? 0 1 \end{array}] (8)$

(4) 将工件坐标系原点平移到新工件坐标系O1x1y1z1原点处的坐标变换矩阵为

$Τ_{2} = [\begin{array}{l} 1 ? 0 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 1 ? 0 ? 0 \\ 0 ? 0 ? 1 ? 0 \\ - x_{0} - y_{0} - z_{0} + Η 1 \end{array}] (9)$

因此, 工作台旋转后的刀位点的齐次坐标[X, Y, Z, 1]表达式为

[X, Y, Z, 1]=[xw, yw, zw, 1]T1R1R2T2 (10)

2 后置处理的Tcl语言编程实现

Tcl 是“工具控制语言 (tool control language) ”的缩写, 是一种交互式解释性计算机语言, 几乎可以在所有的平台上解释运行, 有强大的功能和简单的语法, 具有很强的可扩充性和可移植性.嵌入UG NX系统中, 通常用于CAM中的后置处理程序和加工文档处理程序.

应用Tcl语言编制后处理程序主要开展2项工作: (1) 完成事件定义文件的编写; (2) 完成事件处理文件的编写.事件定义文件用来控制事件处理后输出的数据格式, 事件处理文件用来控制加工过程中的每个事件的处理方式.为了快速搭建后置处理程序框架, 可以通过NX/Post Builder建立事件定义文件和事件处理文件的程序框架, 根据实际情况, 在程序框架中通过Tcl语言, 添加相应的用户化内容.

2.1 编写子程序完成B、C角度和刀位点坐标计算

在事件处理文件框架中新建3个子程序为:

proc MOMbeforemotion { };proc rotatec {c posin posout};proc rotateb {b posin posout}.

通过3个子程序分别完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

子程序proc MOMbeforemotion { }, Tcl语言源代码示例 (部分) :

(1) 定义全局变量

上述程序段为子程序proc MOMbeforemotion 的部分程序段示例, 由于篇幅关系不再展开叙述.通过Tcl语言进行一系列事件的逻辑判断、数学计算, 最终完成B、C旋转角度的计算、坐标变换矩阵和刀位点在新坐标系中的坐标计算.

2.2 后置处理程序与UG/CAM系统的集成

将定义好的事件处理文件和事件定义文件存储在相应的后置处理程序存放的根目录下, 如: (E:＼Program Files＼UGS＼NX 3.0＼MACH＼resource＼postprocessor) .并在该根目录中找到templatepost.dat文件, 打开该文件并对文件进行如下修改.DMU50V后置处理器$ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.tcl, $ {UGIICAMPOSTDIR}DMU50V.def.

通过上述编辑完成了后置处理程序与UG/CAM系统的集成, 用户通过UG/CAM系统直接对DMU50V机床后置处理进行调用.

3 结束语

以上通过结合非正交五轴联动数控机床 (DMU50V) 的结构特点, 介绍了后置处理算法, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制并已成功应用于工程实际中.后置处理作为CAD/CAM系统中的关键环节, 决定了CAD/CAM软件的应用效果和复杂零件加工的质量、效率等.文中提出的机床运动学算法的推导对同类型设备和标准五轴联动数控机床的后置处理程序开发具有一定的参考价值.

摘要：针对非正交五轴联动数控机床, 即转动工作台与主轴成45°倾角的特殊双转台五轴联动数控机床, 进行了机床结构分析, 通过对机床运动学求解, 提出了刀位点后置处理坐标变换的计算方法, 推导出相应的坐标变换公式, 并将该算法成功应用到Tcl语言编程中, 实现了非正交五轴联动数控机床后置处理程序编制.该后置处理程序稳定可靠, 并已成功应用于工程实际中.

关键词：Tcl语言,后置处理,五轴联动

参考文献

[1]张磊.UG NX4后处理技术培训教程[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[2]李海泳, 张森棠, 赵明, 等.UG NX数控加工技术[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[3]成群林, 侯正全, 宋健, 等.特殊五坐标数控机床后置处理技术研究[J].航天制造技术, 2007 (6) :20-22.

[4]葛振红, 姚振强, 赵国伟.非正交五轴联动数控机床后置处理算法[J].机械设计与研究, 2006, 22 (2) :79-81.

篇7：五轴联动机床为“中国制造”添力

2007年，6位来自上海交通大学的博士在一起做出了一个决定：把他们长期研究的五轴数控机床技术产业化。于是，上海拓璞数控科技有限公司（以下简称“拓璞数控”）成立。从创办初期，拓璞数控坚持依靠自主创新，立志在中国高端制造“无人区”中开创一片天。2012年6月，上海市领导前往拓璞数控调研。同年9月，上海市科委拨款，在公司筹建“上海特种数控转杯及工艺工程技术研究中心，并启动重大科技攻关项目。

政府的大力支持，助力拓璞数控梦想的起飞。短短几年间，拓璞数控打造了精密机械传动技术、开放式高档数控系统、先进制造工艺技术等3个技术平台，开发了近10项国内领先的高端装备核心技术。其中，作为核心产品之一的五轴联动数控机床，其研发成功填补了国内该领域的技术空白。所谓五轴联动机床，大约可以理解成一部工业机器人。“五轴”描述了它的灵活性——拥有大量“关节”，可以从五个维度对材料进行加工;“联动”则表明它的协调性——五维度加工可以同时进行，误差不超过发丝的直径。

五轴联动机床是典型的“三高”机械装备——科技含量高、精密度高、成本高，对一个国家的高端制造业有着举足轻重的影响力，是发动机叶轮、叶片、船用螺旋桨、汽轮机转子等加工的唯一手段。以发动机叶轮为例，它是汽车排量后缀“T”的核心部件，其作用是以高速旋转，往发动机气缸上喷气增压让发动机产生更大动力。对叶轮来说其质量越轻，转速越快，作用越明显，但精密的加工工艺一直是中国企业为之苦恼的技术难点，导致叶轮一直依赖进口。如今，拓璞数控自主研发的国内第一台叶轮五轴专用加工机床成功运用正在逐步改变这一现状。通过现场演示，我们可以看到只要按下五轴联动机床的按钮，它就能按程序自动将金属锭雕成五片锐利“花瓣”，俗称“叶轮花”，整个过程流畅自然，我们相信叶轮实现国产化不是梦想。据悉，拓璞数控目前已经推出五轴的第三代产品，加工（包括粗加工和精加工）常规叶轮时间只有3分钟。

技术创新是科技型企业发展的基石，对拓璞数控来说也不例外。凭借五轴联动数控的技术支持，拓璞数控又研发出了一套全新高端装备——全自动钻铆装备。据了解，铆接是飞机、火箭制造过程中零件最多的工艺。我国很多飞机蒙皮连接处的铆钉，一直是靠人工铆接。如果拓璞数控自主创新的钻铆设备能够成功运用，其效率将是手工铆接的5倍，而设备价格却仅为进口设备的1/5。

目前，拓璞数控凭借自己的科技创新技术已经参与了运载火箭、大型飞机智能装备的制造，这对于一家民营企业来说是非常难得的。而其自主研发的核心技术，让一些连国企都拿不到的大订单纷至沓来，截至目前订单额已经数以亿计。但这不足以满足一个有着“中国制造”梦想的企业。对于以技术专家为核心的拓璞团队来说，他们未来十年的目标是以“自主的核心技术、优质的产品质量”为竞争力，以持续研发航空航天、轨道交通、船舶汽车等中国现代制造产业需要的先进重大装备为己任，力争成为引领轻合金先进制造装备行业发展的国际一流企业。

篇8：五轴联动的应用

在复杂曲面高速、高效、高精度加工中, 五轴联动数控是目前研究和发展的重要方向。由于ISO6983规定的NC代码标准和五轴刀具路径规划算法的限制, CAM将CAD中的参数曲线模型离散为微小直线段进行规划, 生成一阶不连续的刀具路径, 造成各驱动轴的运动路径呈现离散特征, 在加工中发生速度和加速度的跳动, 影响机床动态特性, 并降低了零件轮廓加工精度和表面质量。这些刀具路径的不连续性缺陷在后续处理的速度规划和插补中无法进行补偿。现代CNC期望直接处理参数曲线信息以获得平滑的刀具路径, 一些厂家的CNC提供了参数曲线插补功能, 与传统直线插补方式相比, 可以得到更高的加工精度[1,2]。然而由于五轴联动中旋转轴附加运动路径与工件坐标系没有线性映射关系, 造成五轴加工刀具路径规划困难, 国际上只有极少数高档CAM软件支持输出五轴联动加工的参数曲线NC代码, 但这些CAM软件价格昂贵。有学者将刀具路径平滑算法作为独立模块并将其作为CAD/CAM和CNC的中间组件[3,4,5,6,7,8,9,10]。文献[2]研究了五次参数样条的拟合刀具路径, 文献[3,4,5,6,7,8]提出了NURBS曲线拟合刀具路径的方法, 但这些方法都没有说明五轴加工中旋转轴附加运动带来的影响;文献[9,10,11]对五轴数控刀具路径中的位置矢量和方向矢量采用离线曲线插值方法优化, 但增加了对CAM系统输出代码的特殊要求。FANUC数控系统应用了五轴刀具路径平滑方法[12], 在曲面加工中获得了良好的加工质量, 但未公开其关键技术。笔者应用通用CAM输出的五轴NC代码进行刀具路径优化, 消除了由加工路径不连续引起的机床振动, 提高了工件的表面质量和加工精度。

1 五轴加工运动分析

1.1 五轴加工NC代码分析

通用CAM软件输出的五轴加工NC代码为

G01 X_ Y_ Z_ A_ B_ C_ F_;

该代码表示机床各驱动轴的实际运动量。其中, X、Y、Z为平动轴的位移, A、B、C为旋转轴的转角 (分别对应旋转轴A、B、C) , F为进给速度。三轴加工中, 刀具中心点运动路径直接表达刀具相对零件轮廓的有效切削运动。五轴加工中, 旋转轴转动不仅会改变刀具相对工件的方向, 还会改变两者的相对位置, 产生附加运动, 而附加运动在刀具运动路径中进行补偿。因此, 五轴联动中的刀具中心点运动路径不能真实表达刀具相对零件轮廓的有效切削运动。如图1所示, 工件装夹于转台abc位置, 以多轴方式加工工件轮廓ab, 开始加工时, 刀具中心点位于点a, 一段加工时间后, 由于旋转台转过角度θ, 工件位置随转台转至a′b′c′, 刀具中心点切削到轮廓ab上的M处。在这段加工过程中, 刀具中心点实际从a点运动到M点, 但有效切削路径是沿工件轮廓的运动路径a′M。在五轴加工中, 工件轮廓的精度和表面质量由有效切削运动路径决定, 而机床运动的稳定性和连续性由各驱动轴运动路径决定。

1.2 刀具切削路径计算

数控加工的首要目标是保证工件的加工质量, 刀具相对于工件的切削加工路径的精度和平滑性直接影响工件的加工精度和表面质量。本文首先将机床坐标系中的驱动轴运动路径转换为工件坐标系中的刀具切削路径, 对切削路径进行平滑处理。由于五轴数控机床类型繁多, 坐标转换关系复杂, 故本文以应用广泛的立式双转台五轴机床为例。双转台结构中的旋转自由度是由工件旋转实现的, 因此, NC代码中的 (X, Y, Z) 为刀心点在机床坐标系ORXYZ中的位置, 工件坐标系在初始状态 (A=0, C=0) 时平行于机床坐标系, 工件坐标系原点与机床实际旋转中心偏差为 (dx, dy, dz) , 刀具中心点在工件坐标系Owxyz中的坐标 (x, y, z) 表示刀具相对工件轮廓的有效切削运动路径点。有效切削运动路径点的坐标求解过程如下[13]:①将机床坐标系平移到工件坐标系, 变换矩阵为T1;②工件绕Z轴旋转角度C, 变换矩阵为T2;③工件绕X轴旋转角度A, 变换矩阵为T3。可得: (x, y, z, 1) R= (X, Y, Z, 1) WT1T2T3。

2 五轴数控刀具路径优化

2.1 刀具切削路径优化

刀具切削路径平滑优化采用NURBS曲线拟合方法。NURBS曲线表达式为[6]

$R (u) = \sum_{i = 0}^{l} w_{i} Ν_{i, p} (u) V_{i} / \sum_{i = 0}^{l} w_{i} Ν_{i, p} (u)$ (1)

式中, wi为权因子;Vi为NURBS曲线控制顶点;l+1为控制顶点数目;Ni, p (u) 为p次规范B样条基函数, u为NURBS曲线参数。

影响NURBS曲线形状的主要因素为控制顶点Vi。在NURBS曲线拟合过程中, 权因子wi、基函数次数p和节点向量U可提前设定, 通过求解控制顶点的数目和坐标最终实现离散刀具路径的NURBS曲线拟合平滑。

为实现NURBS拟合, 需确定权因子值, 权因子代表各个控制顶点对曲线形状的影响力, 为简化运算, 曲线节点向量U则由文献[4]中的曲线拐点特征搜索法设定, 通常设定权因子[4,5,6,7]wi=1 (i=0, 1, …, l) 。根据B样条基函数定义, $\sum_{i = 0}^{l} Ν_{i, p} (u) = 1$ 恒成立, 因此, NURBS曲线方程可简化为 $R (u) = \sum_{i = 0}^{l} Ν_{i, p} (u) V_{i}$ 。

如图2所示, 对任意刀位点Pj, 拟合NURBS曲线上均有点R (uj) 与其对应:

$Ρ_{j} \approx R (u_{j}) = \sum_{i = 0}^{l} Ν_{i, p} (u_{j}) V_{i}$ (2)

其中, uj为点Pj对应参数值, 根据向心弦长法可求出[4,5]:

$u_{j} = {\begin{cases} 0 j = 0 \\ | Ρ_{0} Ρ_{j} | / | Ρ_{0} Ρ_{m} | = u_{j - 1} + \\ | Ρ_{j - 1} Ρ_{j} | / | Ρ_{0} Ρ_{m} | j = 1, 2, \dots, m \end{cases}$

(3)

式中, |P0Pj|为起点到当前点Pj间的微小直线段长的和;|P0Pm|为本拟合段所有微小直线段长的总和。

每个刀位点与曲线偏差为|R (uj) -Pj|, 最小二乘法拟合目标是优化控制顶点, 使拟合曲线到各刀位点偏差的总和最小, 建立偏差总和与控制顶点的函数:

$\begin{array}{l} D (V_{0}, V_{1}, \dots, V_{l}) = \sum_{j = 0}^{m} | R (u_{j}) - Ρ_{j} |^{2} = \\ \sum_{j = 0}^{n} (| \sum_{i = 0}^{l} Ν_{i, p} (u_{j}) V_{i} - Ρ_{j} |^{2}) (4) \end{array}$

如要偏差总和最小, 则第q (q=0, 1, …, l) 个控制点处方程为

$\frac{\partial D}{\partial V_{q}} = 2 \sum_{j = 0}^{m} (Ν_{q, p} (u_{j}) | \sum_{i = 0}^{l} Ν_{i, p} (u_{j}) V_{i} - Ρ_{j} |) = 0$ (5)

由式 (2) ～式 (5) 可初步求出各控制顶点坐标, 确定拟合的NURBS曲线方程。

2.2 切削加工路径误差分析

切削路径的拟合精度决定了工件的轮廓精度, 如图3所示, 为保证刀具切削路径的拟合最大误差小于允许误差ζ0, 要计算拟合曲线与原直线段链的最大弦高误差。为简化计算过程, 采用近似弦高法求解[6], 以其中一直线段PiPi+1为例进行误差分析, 具体过程如下:

(1) 设Pi、Pi+1对应曲线上的点R (ui) 、R (ui+1) ;

(2) 将参数区间uiui+1等分为n个子区间, 计算各等分点处的弦高误差ζk和各弦高误差最大差值Δζmax;

(3) 若Δζmax>ε (ε为一个设定的极小数, 小于ε的数可判定为0) , 则选取包含最大弦高值的相邻参数作为新的uiui+1, 返回步骤 (2) ;

(4) 若Δζmax≤ε, 则各参数点处弦高误差相同, ζk为PiPi+1的最大弦高误差;

(5) 若ζk≤ζ0, 则微直线段PiPi+1可以由NURBS曲线R (u) 拟合;

(6) 若ζk>ζ0, 需要对R (u) 进行调整, 将线段PiPi+1中点作为新的型值点, 按2.1中所述拟合方法重新计算R (u) 。

按以上方法对整个NURBS曲线段进行调整, 直到所有线段弦高误差均在允许值以内。

2.3 机床驱动轴运动路径优化

机床驱动轴的不连续运动造成各轴在微段转接点发生冲击, 缩短机床寿命, 降低精度, 为消除上述缺陷, 五轴刀具路径优化系统将驱动轴运动路径进行二阶连续曲线化处理。刀具切削路径优化保证了加工零件的精度和表面质量, 旋转轴运动路径优化保证各驱动轴运动的平滑性。为便于与切削加工路径参数进行统一化处理, 选取刀具切削路径中的弦长为参数, 进行五次样条曲线拟合。

如图2所示, 为求解拟合路径在点Pj处的一阶和二阶导数, 选取Pj-1、Pj、Pj+1、Pj+2四个点, 设旋转轴在各点的旋转角度分别为Aj-1、Aj、Aj+1、Aj+1, 相应点参数为0、lj-1, j、lj-1, j+1、lj-1, j+2, 对4个点的角度值Aj-1、Aj、Aj+1、Aj+1进行3次参数曲线插值得到参数曲线Cj (l) , 可设定旋转轴A的路径在点Pj处对切削路径弦长参数的1阶、2阶导数分别为 $\dot{C}_{j} (l_{j - 1, j})$ 和 $\ddot{C}_{j} (l_{j - 1 ‚ j})$ 。对点Pj+1进行同样处理, 设点Pj、Pj+1间的旋转轴A的运动路径五次样条插值曲线方程为Aj, j+1 (l) 。

由下式求出五次参数曲线方程系数

$\begin{array}{l} A_{j, j + 1} (0) = Ρ_{j} \\ \dot{A}_{j, j + 1} (0) = \dot{C}_{j} (l_{j - 1, j}) \\ \ddot{A}_{j, j + 1} (0) = \ddot{C}_{j} (l_{j - 1, j}) \\ A_{j, j + 1} (l_{j, j + 1}) = Ρ_{j + 1} \\ \dot{A}_{j, j + 1} (l_{j, j + 1}) = \dot{C}_{j + 1} (l_{j, j + 1}) \\ \ddot{A}_{j, j + 1} (l_{j, j + 1}) = \ddot{C}_{j + 1} (l_{j, j + 1}) \end{array}}$

(6)

由式 (6) 计算出的曲线方程在切削路径微线段转接点处保证了2阶连续。同理可对旋转轴B、C进行插值平滑。由以上处理对刀具切削路径和旋转轴运动路径进行优化, 实现了2阶连续。若平动轴路径仍然由五轴NC代码中的离散路径单独拟合优化, 则机床驱动轴运动路径可能偏离刀具切削运动路径, 造成实际加工误差。为解决该问题, 平动轴路径可由切削运动路径和旋转轴运动路径经过机床逆运动变换后表达。

由于旋转轴运动路径插值参数和刀具切削路径的NURBS曲线拟合参数不同, 首先需要建立不同路径参数的同步映射关系。如图2所示, 路径段P0Pm为一个切削路径NURBS拟合段, 拟合结果为R (u) , 点Pj、Pj+1为路径段P0Pm上任意两点, 设其分别对应的切削路径R (u) 上的R (uj) 和R (uj+1) 。设l为切削路径R1 (u) 上的路径点到Pj的距离, 则旋转轴A在点Pj、Pj+1间的优化曲线运动路径为Aj, j+1 (l) 。点R (ui) 在为切削路径上PjPj+1间任意一点, 根据切削路径参数的单调递增性, 可知uj<ui<uj+1, 由切削路径NURBS曲线拟合的参数选取方法可知, 点Pj在切削路径中参数uj=|P0Pj|/|P0Pm|, 点R (ui) 在切削路径中参数ui= (l+|P0Pj|) /|P0Pm|=uj+l/|P0Pm|, 切削点R (ui) 所对应的旋转轴A的角度为Aj, j+1 (ui|P0Pm|-|P0Pj|) 。通过上述参数映射处理使刀具切削路径和旋转轴路径的曲线参数一致, 机床坐标系下的平动轴运动路径通过机床逆运动变换求出:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} X \\ Y \\ Ζ \end{matrix}] = x [\begin{matrix} \cos C \\ - \cos A s i n C \\ \sin A s i n C \end{matrix}] + \\ y [\begin{matrix} \sin C \\ \cos A c o s C \\ - \sin A c o s C \end{matrix}] + z [\begin{matrix} 0 \\ \sin A \\ \cos A \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ d s i n A \\ d c o s A \end{matrix}] (7) \end{array}$

其中, d为机床坐标系原点和工件坐标系原点的距离。由于切削路径和旋转轴运动路径均为2阶连续曲线并且参数为线性映射关系, 式 (7) 中的x、y、z、A、C均二阶连续变化, 并且三角函数均为无限阶连续函数, 因此, 式 (7) 所求出的平动轴运动路径为2阶连续的平滑路径。五轴加工的刀具路径优化过程如图4所示。

3 实例和验证

在自主研发的数控系统SKY2010上采用本文提出的五轴数控刀具路径优化方法, 控制双转台立式铣床SK5L-70100进行典型工件叶轮的五轴联动精加工, 使用通用五轴CAM软件POWERMILL输出设定曲面精度为1μm、弦高误差为0.01mm的五轴NC代码。对刀具路径优化处理, 设置刀具切削路径最大拟合误差为5μm, 设置进给速度为3m/min, 得到的加工效果如图5所示, 从图5a可看出明显的加工纹路, 图5b中零件的表面基本是平滑曲面。测量结果如表1所示, 其中, 平均误差由三坐标测量仪测量叶片上表面获得。实验结果表明, 经过五轴刀具路径优化后, 加工误差显著降低, 表面更加光滑, 加工效率也有较大提高。

4 结语

本文提出复杂曲面五轴加工中的驱动轴运动路径优化方法, 通过坐标变换求解刀具相对零件轮廓的有效切削路径, 对切削路径进行NURBS曲线拟合, 最终获得2阶连续的五轴数控刀具路径。实验结果表明, 采用本文提出的方法优化五轴数控加工路径可显著提高曲面加工的表面质量, 减小曲面轮廓误差, 提高加工精度和加工效率。

篇9：五轴联动的应用

一、引言

近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。

二、建模仿真用的机床各部件

1.机床结构

该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。

2.机床结构的逻辑关系

在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。

3.虚拟机床部件树的建立

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。

双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。

（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。

（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。

当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。

4.导入机构模型的STL资料

将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。

本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。

（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。

（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。

当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。

5.机床初始化设置

在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。

三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序

此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。

工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。

夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。

NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。

四、刀具库建立

刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。

参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。

五、设定工作坐标系及相关参数

因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。

六、仿真结果

图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。

当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。

七、结语

本文来自 360文秘网(www.360wenmi.com)，转载请保留网址和出处

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五轴联动的应用

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