五轴加工中心数控机床未来智能化的趋势

近年来，五轴加工中心数控机床的发展也逐渐成熟，但是就目前的发展状态也存在着或多或少的问题，比如五轴数控编程操作问题、刀具半径补偿、对CAD/CAM系统的要求、成本问题等。对于这些问题的解决，除了工艺上的更新，未来五轴加工智能化是一大趋势。现在，我们先看看现阶段五轴机床所遇到的问题。

首先，五轴数控编程抽象、操作困难

这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样。同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。

五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴数控技术普及的一大阻力。

国内许多厂家从国外购买了五轴数控机床，由于技术培训和服务不到位，五轴数控机床固有功能很难实现，机床利用率很低，很多场合还不如采用三轴机床。

其次，五轴数控的NC程序校验尤为重要

要提高机械加工效率，迫切要求淘汰传统的“试切法”校验方式。在五轴数控加工当中，NC程序的校验工作也变得十分重要，因为通常采用五轴数控机床加工的工件价格十分昂贵，而且碰撞是五轴数控加工中的常见问题：刀具切入工件；刀具以极高的速度碰撞到工件；刀具和机床、夹具及其他加工范围内的设备相碰撞；机床上的移动件和固定件或工件相碰撞。五轴数控中，碰撞很难预测，校验程序必须对机床运动学及控制系统进行综合分析。

如果CAM系统检测到错误，可以立即对刀具轨迹进行处理；但如果在加工过程中发现NC程序错误，不能像在三轴数控中那样直接对刀具轨迹进行修改。在三轴机床上，机床操作者可以直接对刀具半径等参数进行修改。而在五轴加工中，情况就不那么简单了，因为刀具尺寸和位置的变化对后续旋转运动轨迹有直接影响。

然后，刀具半径补偿

在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。

刀具轨迹修正所需数据由CNC应用程序输送到CAM系统，并将计算所得刀具轨迹直接送往控制器。LCOPS需要第三方提供CAM软件，能够直接连接到CNC机床，其间传送的是CAM系统文件而不是ISO代码。对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件（如STEP等）或CAD系统文件。

后置处理器问题

五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标，刀具位置从工件坐标系向机床坐标系转换，中间要经过几次坐标变换。利用市场上流行的后置处理器生成器，只需输入机床的基本参数，就能够产生三轴数控机床的后置处理器。而针对五轴数控机床，目前只有一些经过改良的后置处理器。五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。

非线性误差和奇异性问题

由于旋转坐标的引入，五轴数控机床的运动学比三轴机床要复杂得多。和旋转有关的第一个问题是非线性误差。非线性误差应归属于编程误差，可以通过缩小步距加以控制。在前置计算阶段，编程者无法得知非线性误差的大小，只有通过后置处理器生成机床程序后，非线性误差才有可能计算出来。刀具轨迹线性化可以解决这个问题。有些控制系统能够在加工的同时对刀具轨迹进行线性化处理，但通常是在后置处理器中进行线性化处理。

旋转轴引起的另一个问题是奇异性。如果奇异点处在旋转轴的极限位置处，则在奇异点附近若有很小振荡都会导致旋转轴的180°翻转，这种情况相当危险。

对CAD/CAM系统的要求

对五面体加工的操作，用户必须借助于成熟的CAD/CAM系统，并且必须要有经验丰富的编程人员来对CAD/CAM系统进行操作。

购置机床的大量投资

以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%～50%。

除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。

五轴加工机床未来智能化趋势

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