發展五軸數控機床的難點及阻力

大家早已認識到五軸數控技術的優越性和重要性。但到目前為止，五軸數控技術的應用仍然局限于少數資金雄厚的部門，并且仍然存在尚未解決的難題。

下面新力數控小編收集了一些難點和阻力，看是否跟您的情況對應？

五軸數控編程抽象、操作困難

這是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。三軸數控機床只有直線坐標軸, 而五軸數控機床結構形式多樣；同一段NC 代碼可以在不同的三軸數控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸數控機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸數控機床。數控編程除了直線運動之外, 還要協調旋轉運動的相關計算，如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等，處理的信息量很大，數控編程極其抽象。

五軸數控加工的操作和編程技能密切相關，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復雜。只有反復實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經驗豐富的編程、操作人員的缺乏，是五軸數控技術普及的一大阻力。

國內許多廠家從國外購買了五軸數控機床，由于技術培訓和服務不到位，五軸數控機床固有功能很難實現，機床利用率很低，很多場合還不如采用三軸數控機床。

對NC插補控制器、伺服驅動系統要求十分嚴格

五軸數控機床的運動是五個坐標軸運動的合成。旋轉坐標的加入，不但加重了插補運算的負擔，而且旋轉坐標的微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此，要求控制器有更高的運算精度。

五軸數控機床的運動特性要求伺服驅動系統有很好的動態特性和較大的調速范圍。

五軸數控的NC程序校驗尤為重要

要提高機械加工效率，迫切要求淘汰傳統的“試切法”校驗方式 。在五軸數控加工當中，NC 程序的校驗工作也變得十分重要， 因為通常采用五軸數控機床加工的工件價格十分昂貴，而且碰撞是五軸數控加工中的常見問題：刀具切入工件；刀具以極高的速度碰撞到工件；刀具和機床、夾具及其他加工范圍內的設備相碰撞；機床上的移動件和固定件或工件相碰撞。五軸數控中，碰撞很難預測，校驗程序必須對機床運動學及控制系統進行綜合分析。

如果CAM 系統檢測到錯誤，可以立即對刀具軌跡進行處理；但如果在加工過程中發現NC 程序錯誤，不能像在三軸數控中那樣直接對刀具軌跡進行修改。在三軸數控機床上，機床操作者可以直接對刀具半徑等參數進行修改。而在五軸加工中，情況就不那么簡單了，因為刀具尺寸和位置的變化對后續旋轉運動軌跡有直接影響。

刀具半徑補償

在五軸聯動NC 程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統均無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數據對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數控加工時需要頻繁換刀或調整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應送回CAM 系統重新進行計算。從而導致整個加工過程效率十分低下。

針對這個問題, 挪威研究人員正在開發一種臨時解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優生產策略)。刀具軌跡修正所需數據由CNC 應用程序輸送到CAM 系統，并將計算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件，能夠直接連接到CNC 機床，其間傳送的是CAM 系統文件而不是ISO 代碼。對這個問題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC 控制系統，該系統能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統文件。

后置處理器

五軸數控機床和三軸數控機床不同之處在于它還有兩個旋轉坐標，刀具位置從工件坐標系向機床坐標系轉換，中間要經過幾次坐標變換。利用市場上流行的后置處理器生成器，只需輸入機床的基本參數，就能夠產生三軸數控機床的后置處理器。而針對五軸數控機床，目前只有一些經過改良的后置處理器。五軸數控機床的后置處理器還有待進一步開發。

三軸聯動時，刀具的軌跡中不必考慮工件原點在機床工作臺的位置，后置處理器能夠自動處理工件坐標系和機床坐標系的關系。對于五軸聯動，例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯動的臥式銑床上加工時, 工件在C 轉臺上位置尺寸以及B 、C 轉臺相互之間的位置尺寸，產生刀具軌跡時都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時要耗費大量時間來處理這些位置關系。如果后置處理器能處理這些數據，工件的安裝和刀具軌跡的處理都會大大簡化；只需將工件裝夾在工作臺上，測量工件坐標系的位置和方向，將這些數據輸入到后置處理器，對刀具軌跡進行后置處理即可得到適當的NC 程序。

非線性誤差和奇異性問題

由于旋轉坐標的引入，五軸數控機床的運動學比三軸數控機床要復雜得多。和旋轉有關的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差應歸屬于編程誤差，可以通過縮小步距加以控制。在前置計算階段，編程者無法得知非線性誤差的大小，只有通過后置處理器生成機床程序后，非線性誤差才有可能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問題。有些控制系統能夠在加工的同時對刀具軌跡進行線性化處理，但通常是在后置處理器中進行線性化處理。

旋轉軸引起的另一個問題是奇異性。如果奇異點處在旋轉軸的極限位置處，則在奇異點附近若有很小振蕩都會導致旋轉軸的180°翻轉，這種情況相當危險。

對CAD/ CAM系統的要求

對五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統，并且必須要有經驗豐富的編程人員來對CAD/CAM 系統進行操作。

購置機床的大量投資

以前五軸數控機床和三軸數控機床之間的價格懸殊很大。現在，三軸數控機床附加一個旋轉軸基本上就是普通三軸數控機床的價格，這種機床可以實現多軸數控機床的功能。同時，五軸數控機床的價格也僅僅比三軸數控機床的價格高出30%～ 50%。

除了機床本身的投資之外，還必須對CAD/CAM系統軟件和后置處理器進行升級，使之適應五軸加工的要求；必須對校驗程序進行升級，使之能夠對整個機床進行仿真處理。

五軸加工機床未來智能化趨勢

智能裝備的控制模式和人機界面將會有很大的變化，WiFi寬帶、藍牙近距通信等網絡性能的提高，基于平板電腦、手機和穿戴設備等基于網絡的移動控制方式會越來越普及。與時俱進的觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開關、鼠標和鍵盤。人們，特別是年輕人已經習慣智能電子消費產品的操作方式，能夠快速做出反應，切換屏幕，上傳或下載數據，從而大大豐富了人機交互的內容，同時明顯降低誤操作率。例如，對數控機床的操作可以通過筆記本、平板電腦和智能手機在WiFi環境下進行，如圖所示。

從圖中可見，不僅人機的交互方式從控制面板延伸到移動終端，設備和工具之間也可以進行物與物的通信。機床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預調儀上進行調整時的數據，還可以記錄刀具在機床進行了多長的切削時間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個零件等都可以讓操作者和有關部門了如指掌，減少停機和更換刀具的時間。智能刀具及其管理的概念如上圖所示。

在不同的加工情況下，往往需要設備具有不同的性能，可以根據設備工況的統計分析，可從設備供應商或第三方APP應用軟件商店購買和下載不同的軟件，以提高設備精度、加工速度或節能等，如圖所示。

智能工廠的數控機床和機器人等智能裝備的未來發展重點已經不在硬件，感知外部環境和工況變化需要更加強大的計算能力、通信帶寬和速度，才能進行實時控制，形成真正的信息物理融合系統。它的特點是將設備的控制分為計算和過程兩部分，把運動控制保留在本地，而將計算移到云端，在云端“克隆”相應的虛擬設備，在云端進行虛擬制造，如圖所示。

從圖中可見，需要計算能力的數控核心、可編程控制、圖形人機界面和通信等模塊構成設備群的云端控制系統，通過中間件控制虛擬機床1、虛擬機床2、虛擬機床n，同時通過以太網接口下傳至車間的路由器，連接不同機床的控制器，控制相應機床的運動，從而將虛擬機床與實體機床構成一對一的仿真和監控系統。