張洲碩

（遼寧豐田金杯技師學院，遼寧 沈陽 110015）

1 RTCP功能及其特點

1.1 五軸機床的RTCP功能

通常五軸機床可以進行3+2 定位加工和五軸聯(lián)動加工，具備定位和聯(lián)動加工能力的五軸機床一般被稱為真五軸，而只具備3+2 定位加工能力的五軸機床則稱為假五軸。在所謂的真五軸機床中還存在帶RTCP 功能和非RTCP 功能2 類。這里提出的RTCP 即是Rotated Tool Center Point，也就是我們常說的刀尖點跟隨功能[1]。準確來說RTCP是對雙擺頭結構的五軸機床刀尖跟隨功能的稱呼，而針對雙轉臺的刀尖跟隨功能則稱為RPCP。當然其他結構的五軸機床刀尖點跟隨功能的名稱也不相同，但由于所實現(xiàn)的功能一樣所以統(tǒng)稱為RTCP功能。

五軸加工是在三軸加工的基礎上增加了2 個旋轉坐標運動，所以在加工過程中刀具的姿態(tài)是不斷發(fā)生變化的，不會像三軸加工時那樣始終與機床坐標系統(tǒng)的Z 方向保持一致。這2 個旋轉坐標我們稱為第四軸和第五軸，在第四和第五軸上有參與運動計算的2 個控制點，當發(fā)生旋轉時這2 個控制點相對于編程坐標系統(tǒng)會產(chǎn)生空間變化。如果這個空間變化數(shù)據(jù)不計算到數(shù)控程序中的話，就意味著程序要運行到的目標點會發(fā)生偏移。當五軸機床具備RPCP 功能時這個空間變化數(shù)據(jù)會通過數(shù)控系統(tǒng)自動時時的計算在數(shù)控程序中，使刀具在變換姿態(tài)的過程中刀尖保持跟隨目標點。如圖1 所示，在A 軸-45°，C 軸270°時，左側為RTCP 開啟時刀具在坐標點X0Y0Z0的位置狀態(tài)，右側為非RTCP 時刀具在坐標點X0Y0Z0的位置狀態(tài)?？梢悦黠@的看出非RTCP 狀態(tài)下刀具沒有對點X0Y0Z0進行準確的跟隨定位。

1.2 RTCP功能的特點

通過圖1 可以看出RTCP 功能可以自動補償因多軸旋轉所造成的位置偏移。如果機床不具備RTCP 功能這個偏移量就需要我們在編程和機床操作中進行人工補償，因此工件的安裝位置不可以隨意裝夾，最好使毛坯中心和轉臺的軸心線相重合。這樣便增加了輔助時間，同時加工精度也有一定的損失。經(jīng)過對比不難看出一旦擁有RTCP 功能，數(shù)控程序的編制和加工時的工藝處理就變得和三軸機床一樣簡單，可以說RTCP 功能是一項能為客戶帶來效益和創(chuàng)造價值的技術，這是RTCP 最大的優(yōu)勢。但是這一功能的機床成本過高，通常使得五軸加工中心價格差1 倍，這就給很多企業(yè)在生產(chǎn)選擇上造成了很大的困難。

圖1 RTCP 與非RTCP 狀態(tài)下的刀具空間位置

了解到了RTCP 功能的特點，我們發(fā)現(xiàn)其實并非在所有的加工生產(chǎn)中都要用到這個昂貴的功能。除去少部分形狀結構和精度要求極高的特殊零件外，大部分的零件加工非RTCP 功能機床都可以勝任。例如在單件生產(chǎn)時，雖然非RTCP 功能的機床所需要的輔助時間較長，但該種單件效率的損失并不會給最終的效益產(chǎn)生太大的影響。而在批量生產(chǎn)中過長的輔助時間問題完全可以通過專用的限位夾具來解決。那么接下來我們就來詳細的研究一下非RTCP 功能的五軸機床加工時要處理的一些問題。

2 非RTCP功能五軸機床的加工處理流程

編程加工前首先測量出機床第四軸回轉中心相對機床零點和第五軸回轉中心相對第四軸回轉中心在X、Y、Z 方向的坐標偏移量。將測量的各個坐標偏移量添加到CAM 系統(tǒng)的后處理中完成后置文件的制作。然后將工件在機床上進行裝夾，并測量出工件對刀點與第五軸回轉中心的坐標偏移量。記錄該偏移量，在CAM 系統(tǒng)編程時將編程坐標系按該偏移量進行偏移，用偏移出的新坐標系做為編程坐標系來計算加工刀路。最后用開始時制作的后置文件處理刀路生成NC 程序傳入機床運行加工。

3 非RTCP功能五軸機床的編程處理方法

3.1 非RTCP五軸機床的機床零點及四、五軸旋轉中心

前面提到四、五軸的旋轉造成了刀具空間位置的偏移，如果我們可以測量出這個偏移量的大小，然后在程序后處理中把這個偏移量添加進去就可以實現(xiàn)類似于RTCP 的補償功能。因此就必須了解機床的零點及第四、五軸的旋轉中心。

以雙轉臺結構的五軸機床為例，在五軸機床中自身回轉運動關聯(lián)另一個旋轉軸的旋轉軸稱為第四軸，自身回轉運動不關聯(lián)另一個旋轉軸的稱為第五軸[2]。如果第四軸與第五軸相交，則交點就是第四軸的回轉中心，如果不相交，第四軸軸線的中點就是其回轉中心。第五軸回轉中心在回轉工作臺表面與第五軸軸線的交點上。機床零點一般設置在第五軸回轉中心、第四軸回轉中心或者機床的行程終點上。

3.2 非RTCP五軸機床中心距的測量

如圖2 所示，確定了機床零點和第四、五軸等機床結構信息，我們就可以測量出第四軸軸線相對于機床0 點和第五軸回轉中心在Z 方向的偏置距離H，以及第四軸軸線相對于機床零點和第五軸回轉中心在Y 方向的偏置距離L，由于圖2 中的機床第四軸和第五軸的回轉中心都在Y 方向上，所以第四軸軸線相對于機床零點和第五軸回轉中心在X 方向的偏置距離為0。

測量五軸機床中心距時，將基準棒安裝在機床主軸上，用跳動表找正，仔細調整基準棒使跳動保證在0.01 以內，通常越小越好。如圖2 所示，先將第四軸搖籃擺到+90°位置，用基準棒慢慢靠近第五軸工作臺并用塞尺做好測量。當基準棒剛好接觸到第五軸工作臺時，記錄機床顯示屏上當前位置下基準棒在Y 方向上的坐標值Y1。再將第四軸搖籃擺到-90°位置，用同樣的方法記錄基準棒在Y 方向上的坐標值Y2。這樣利用（Y1+Y2）/2 就可以得到第四軸回轉中心的Y 方向坐標值Y3。再用Y3減去Y1后加上基準棒的半徑和塞尺厚度就得到了第四軸軸線相對于機床零點和第五軸回轉中心在Z 方向的偏置距離H[3]。

測量第四軸軸線相對于機床零點和第五軸回轉中心在Y方向的偏置距離L 時，將跳動表安裝在主軸上去找正第五軸工作臺的中心孔，然后用基準棒慢慢靠近，記錄第五軸回轉中心的在Y 方向上的坐標值Y4。利用Y3減去Y4就可以得到第四軸軸線相對于機床零點和第五軸回轉中心在Y 方向的偏置距離L。

以西門子NX 的CAM 系統(tǒng)為例，將Z 方向偏置距離H 和Y 方向偏置距離L 及X 方向偏置距離零，分別輸入到圖3 所示的CAM 系統(tǒng)的后處理構造器中完成后置文件的制作[4]。其他CAM 系統(tǒng)也都類似的將偏置數(shù)據(jù)填入其后處理器中即可。

圖2 五軸機床中心距的測量

圖3 CAM 系統(tǒng)的后處理構造器偏置距離的修改

圖4 雙擺頭五軸機床的擺長和刀長

這樣處理后工件在機床上的安裝位置就無須像以前那樣必須放在回轉工作臺的中心，可以在工作臺上任意位置安裝，如圖1 所示。但是需要注意的是該種處理非RTCP 功能五軸機床的方法，在機床結構是雙轉臺或一轉臺一擺頭時，編程前要先裝夾工件，并測量出工件對刀點與第五軸回轉中心的坐標偏移量，以備編程時確定編程坐標系的位置[5]。程序一旦生成工件不加工結束絕對不可以從工作臺上拆下。但在批量生產(chǎn)中這種情況可以使用專用夾具來解決安裝找正的問題，無論從效率還是經(jīng)濟性角度都是很好的解決方案。

對于雙擺頭結構的非RTCP 功能五軸機床在編程處理上比雙轉臺結構的機床要簡單很多，只需要測量出擺頭的擺長和刀具的裝夾長度即可，無須測量機床第四軸回轉中心相對機床零點和第五軸回轉中心相對第四軸回轉中心在X、Y、Z方向的坐標偏移量，這里的擺長通常是指雙擺頭五軸機床的樞軸長度，圖4 為第五軸0 點到主軸端面的長度。刀長為主軸端面到刀尖的長度。測量出擺長和刀長信息后，將擺長信息輸入圖5中的CAM系統(tǒng)后處理構造器的樞軸距離中完成雙擺頭機床的后置文件設置。

圖5 CAM 系統(tǒng)的后處理構造器樞軸距離的修改

刀長則如圖6 所示，在編程時填入CAM 編程軟件的刀具Z方向偏置中即可。此時零件在工作臺可任意位置安裝且無須像雙轉臺機床那樣必須先安裝工件后編制程序。對刀操作方法與三軸機床對刀方式完全相同，工件無須編程前先裝夾在工作臺上，也無需測量出工件對刀點與機床零點的坐標偏移量。程序一旦生成工件即使沒有加工結束也可以從工作臺上拆下，相對于雙轉臺和一轉臺一擺頭類型的非RTCP 功能五軸機床來說處理程序更加靈活。

圖6 CAM 編程軟件刀具Z 方向偏置的修改

4 結語

通過對非RTCP 功能五軸機床編程處理的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)其實對于很多企業(yè)來說無須盲目追新去升級昂貴的五軸機床設備，同樣可以滿足自身的生產(chǎn)需求。利用非RTCP功能五軸機床編程處理的方法，可以極大地節(jié)省生產(chǎn)成本，并且有效地避免資源的浪費。