沈陽菲迪亞數(shù)控機床有限公司 （遼寧 110142）韓詩典

多軸數(shù)控加工一直是數(shù)控加工的難點，無論是數(shù)控編程、后置處理還是機床設(shè)置都與三軸數(shù)控加工有著明顯的區(qū)別。本文介紹了RTCP和ROTO功能在多軸加工中的重要作用，可以對旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動對數(shù)控加工造成的坐標(biāo)偏差進行補償和機床形式的轉(zhuǎn)換，極大簡化了后處理和機床操作的難度，減少人為錯誤。

1.多軸加工與三軸加工的區(qū)別

（1）三軸加工設(shè)備比較常見，有立式、臥式及龍門幾種形式。常見的加工方法有立銑刀端刃加工、側(cè)刃加工，球頭刀的型面加工，以及一些鉆攻循環(huán)等。但無論哪種形式和方法都有著一個共同的特點，就是在加工過程中刀軸方向始終保持不變，機床通過X、Y、Z三個線性軸的插補來實現(xiàn)刀具在空間直角坐標(biāo)系中的運動，使得刀具的刀尖或刀心（球頭刀具的球心）達(dá)到NC程序中指定的坐標(biāo)（見圖1）。

（2）多軸加工設(shè)備相對比較復(fù)雜，它除提供沿X、Y、Z方向的線性移動外，還提供繞X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動，目的是在加工過程中除了可使刀具可以到達(dá)指定的坐標(biāo)位置，還可以實現(xiàn)刀具與工件的任意角度，從而改善切削條件。多軸機床也可分為立式、臥式、龍門等形式，如按照回轉(zhuǎn)軸的安放位置劃分還可分為主軸頭旋轉(zhuǎn)，工作臺旋轉(zhuǎn)及混合旋轉(zhuǎn)等形式（見圖2），如圖3、圖4所示的轉(zhuǎn)臺式多軸機床和擺頭式多軸機床。

（3）多軸加工的優(yōu)勢很明顯，可以減少零件裝夾次數(shù)，減少了定位誤差，縮短輔助時間；可以加工三軸銑無法加工到的區(qū)域；可以用更短的刀具實現(xiàn)零件加工，提高刀具剛性；可避免球頭刀刀尖切削，改善切削條件；可以利用銑刀的端刃和側(cè)刃去切削工件，減少切削路徑，提高加工效率；可以加工尖角（見圖5）。但是多軸加工的難度也是顯而易見的。

（4）數(shù)控編程是利用CAM軟件，基于產(chǎn)品的三維模型生成刀具軌跡，然后對刀具軌跡進行后置處理生成數(shù)控機床使用的NC代碼。其中多軸編程的刀具軌跡記錄了數(shù)控加工時刀具中心的坐標(biāo)值及刀軸的矢量方向。三軸加工時，刀尖或刀心坐標(biāo)始終與程序坐標(biāo)保持一致。而多軸加工時會由于回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而造成刀尖或刀心點（編程點）與機床實際坐標(biāo)之間的位置偏差。多軸數(shù)控程序中的X、Y、Z定義了刀具中心的坐標(biāo)位置，A、C定義了回轉(zhuǎn)軸的角度（見圖6）。

（5）既然存在偏差就需要進行補償，傳統(tǒng)做法需要將造成該偏差的轉(zhuǎn)軸參數(shù)如擺長、刀長、回轉(zhuǎn)軸偏移量等參數(shù)設(shè)定到CAM軟件的后處理中，在刀具軌跡后置處理過程中計算出刀軸旋轉(zhuǎn)角度后的機床坐標(biāo)。

2.RTCP功能

現(xiàn)在很多高端的數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了RTCP功能，此類系統(tǒng)已經(jīng)在其內(nèi)部記錄了各回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的位置，只需在加工前對刀具的絕對長度（刀尖到主軸端面的距離）和刀具參數(shù)（刀具直徑及刀尖圓角半徑）進行正確設(shè)定，RTCP功能即可對機床多軸加工時擺長和刀長在有擺動角度時產(chǎn)生的坐標(biāo)偏置進行補償。

RTCP功能未啟動時，如果轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，機床的狀態(tài)如圖7所示，機床的線性軸不動，機床坐標(biāo)保持不變，程序坐標(biāo)不變，但是刀具中心位置發(fā)生變化，這與編程過程不符。

RTCP功能啟動后，如果轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，機床的狀態(tài)如圖8所示，機床的線性軸移動，機床坐標(biāo)變化，程序坐標(biāo)不變，刀具中心位置不變，與編程過程保持一致。

RTCP功能的優(yōu)點：

（1）簡化了CAM軟件后置處理的設(shè)定，在后置處理文件的設(shè)定中將所有關(guān)于回轉(zhuǎn)軸的偏差及擺長的參數(shù)設(shè)定為0即可。

（2）增加了數(shù)控程序?qū)ξ遢S機床的通用性。沒有RTCP功能的五軸機床，由于每臺機床的回轉(zhuǎn)參數(shù)不同，所以都要對應(yīng)單獨的后處理文件，對于生產(chǎn)造成極大的不變，RTCP功能可對回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)偏差自動補償，NC程序中只給定刀具的刀心或刀尖點的軌跡坐標(biāo)和刀軸方向（兩個回轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)）即可，這樣不同的五軸機床就可以使用相同的數(shù)控程序加工。

（3）使得手工編寫五軸程序變得簡單可行。

3.ROTO功能

ROTO功能是在RTCP功能基礎(chǔ)上開發(fā)的，它與RTCP聯(lián)合使用，主要針對帶有工作臺翻轉(zhuǎn)類型的多軸機床。該功能可使得動臺式機床的加工形式轉(zhuǎn)換為動軸式機床。

多軸數(shù)控編程時，在生成刀具軌跡的過程中，被加工的工件始終保持不動，而是刀具在工件上移動并變換角度，這與主軸頭旋轉(zhuǎn)的機床相符合，但是也有很多小型多軸機床是通過工作臺翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)多軸加工的。這些機床在加工過程中工作臺時刻變化，使得被加工工件的坐標(biāo)位置也處在時刻變化中，這給多軸程序的編寫帶來很大難度，也需要對偏移的坐標(biāo)進行補償。這個補償過程必須由CAM軟件的后處理來完成。通常我們需要在后處理文件中指定工件坐標(biāo)系與各個回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的偏差值，這給后置處理文件的制作及數(shù)控操作都帶來了極大的難度。因為每加工一個工件都要將工件的中心與轉(zhuǎn)臺的中心的相對位置測量出來填寫到后處理文件中，或者將工件中心與轉(zhuǎn)臺中心重合，給編程和操作都帶來極大的不方便，而且容易造成人為錯誤，影響加工效率。

運動是相對的，究竟是工件運動還是刀具運動都是相對于加工坐標(biāo)系而言的，ROTO功能的實現(xiàn)，就是利用了這個原理。它可將坐標(biāo)系固定在工作臺或工件上，也就是說工件翻轉(zhuǎn)的同時是帶著坐標(biāo)系一起翻轉(zhuǎn)的，也就相當(dāng)于在加工過程中工件的位置相對于加工坐標(biāo)系保持不變，即可視為工件始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，機床和刀具在進行翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，那么一臺動臺式機床便轉(zhuǎn)化成為了一臺動軸式機床，與多軸編程的特點相符合了。

圖9為一個雙翻轉(zhuǎn)工作臺式五軸機床工件擺放的示例。ROTO功能未啟動時，如果轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，機床的狀態(tài)如圖10所示，加工坐標(biāo)系位置不變，工件坐標(biāo)發(fā)生變化，與多軸編程過程不符。

圖9

圖10

ROTO功能開啟后，如果轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，機床的狀態(tài)如圖11所示，加工坐標(biāo)系被固定在工件上，與工件一起轉(zhuǎn)動，工件坐標(biāo)保持不變，與多軸編程過程相符。

有了ROTO功能給翻轉(zhuǎn)工作臺式的多軸機床編程帶來很大的方便，加工工件時工件可擺放在工作臺的任意位置，無需考慮工件原點是否要放在工作臺的回轉(zhuǎn)中心上，用戶坐標(biāo)系是根據(jù)工件的擺放位置來設(shè)定，而與翻轉(zhuǎn)工作臺的機械位置無關(guān)。后置處理文件中也不用制定相關(guān)的位置偏差，只需指定雙擺頭類型的機床，其他回轉(zhuǎn)中心的偏差填0即可。

ROTO功能的優(yōu)點：

（1）簡化編程及后處理文件的難度。

（2）降低數(shù)控操作難度，減少人為錯誤。

（3）減少裝夾及參數(shù)設(shè)定時間，提高加工效率。

圖11

4.結(jié)語

針對不同的數(shù)控系統(tǒng)，此功能的實現(xiàn)方式略有不同，但是功能相近。

Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫，字面意思是“旋轉(zhuǎn)刀具中心”，業(yè)內(nèi)往往會轉(zhuǎn)義為“圍繞刀具中心轉(zhuǎn)”，也有一些人直譯為“旋轉(zhuǎn)刀具中心編程”，其實這只是RTCP的結(jié)果。PA的RTCP則是“Realtime Tool Center Point rotation”前幾個單詞的縮寫。海德漢則將類似的所謂升級技術(shù)稱為TCPM，即“Tool Centre Point Management”的縮寫，刀具中心點管理。還有的廠家則稱類似技術(shù)為TCPC，即“Tool Center Point Control”的縮寫，刀具中心點控制。

以飛陽數(shù)控系統(tǒng)為例，這兩個功能的設(shè)定可有G代碼實現(xiàn)，RTCP： G96（ON）和G97（OFF）；ROTO：G196（ON）和G197（OFF）；也可由SET COMMAND窗口（見圖12）來實現(xiàn)這兩個功能開啟和關(guān)閉設(shè)定。

圖12