五轴机床中刀轴界限功能的参数分析

　　PowerMILL是英国Delcam Plc公司出品的功能强大，加工策略丰富的数控加工编程软件系统。采用全新的中文WINDOWS用户界面，提供完善的加工策略。帮助用户产生最佳的加工方案，从而提高加工效率，减少手工修整，快速产生粗、精加工路径，并且任何方案的修改和重新计算几乎在瞬间完成，缩短85%的刀具路径计算时间，对2-5轴的数控加工包括刀柄、刀夹进行完整的干涉检查与排除。具有集成的加工实体仿真，方便用户在加工前了解整个加工过程及加工结果，节省加工时间。在强大的POWERMILL软件中，对于五轴机床的加工策略非常丰富，由10种刀轴控制以及粗精加工，钻孔30多种策略配合应用。

　　1 五轴刀轴和刀轴控制介绍

　　五轴刀轴：五轴机床中的五根轴是由3根线形轴(linear axis)和2根旋转轴(rotary axis)组成的。线形轴分别由X、Y、Z组成，而旋转轴对应的是A、B、C表示轴名。五轴刀轴控制：五轴刀轴控制是CAM系统五轴技术的核心。五轴CAM系统给出每个切削点刀具的刀位点(X,Y,Z)和刀轴矢量(I,J,K)，五轴后处理器将刀轴矢量(I,J,K)转化为不同机床的旋转轴需要转动的角度(A,B,C)中的两个，然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性轴需要移动的各轴位移(X,Y,Z)。

　　2 刀轴界限功能

　　刀轴限界功能是允许用户在产生多轴刀具路径过程中控制刀具的角度限界，是刀具路径能配合当前用户实际所用的五轴机床角度界限和加工中的一些刀具夹持避让要求。而指定的限界具有不同的格式，具体格式和回转轴配置类型相关。由于不同的机床具有不同的配置，POWERMILL软件将角度限界以方位角和仰角两个概念来描述。

　　方位角是在XY平面上逆时针方向旋转的角度，对于一般五轴机床可认定为Z轴的旋转角度(角度范围可达±360°)。仰角是自XY平面向上提起(+90°) 或向下落下(-90°)的角度，对于一般五轴机床可认定为X轴的旋转角度(角度范围因机床而定)，当设置刀具界限参数时，在刀轴方向表格中选取刀轴限界选项，激活限界页面(勾取显示刀轴，查看限界)，接着选取限界页面，方位角中开始角和结束角分别输入0°和360°;仰角中开始角和结束角输入90°和0°。这样就会在主界面中产生一个圆球，而此时的圆球会分成两种颜色，上半球面是绿色，给定的方位角是整圆，仰角只设置了0°~90°而形成上半球面，下半球面是红色，表示刀轴无法加工此区域。

　　3 五轴机床与刀具界限功能关系

　　五轴机床的回转轴配置区别很大，不过大体可分为三种基本加工配置，分别是工作台—工作台(Table-Table)，主轴—主轴(Head-Head)，工作台—主轴(Table-Head)，这三类机床在POWERMILL软件中进行刀具界限参数设置又不尽相同，现分别对3种情况的刀具界限进行详细的参数分析。

　　3.1 工作台—工作台方式下的刀具界限参数分析

　　此类机床主轴方向不动，两个旋转轴都在工作台上，工件加工时随工作台转动，该机床一般角度界限定为：X方向上转动范围为±30°，Z方向上转动范围为±360°。机床的Y轴限界相当于方位角或是垂直于XY平面的角度限界。Y轴限界±360°转换成方位角即方位角限界为0°~360°。机床的X轴限界相当与XY平面上的仰角，但它们并非相同的角度，机床是相对于Z轴测量测量角度范围的，而PowerMILL则是相对于XY平面测量。因此，PowerMILL的角度限界是机床角度限界的余角(仰角=90-机床角度)。也就是说机床的X限界±30°转换成仰角限界则为60°~90°。

　　3.2 主轴—主轴方式下的刀具界限参数分析

　　此类机床工作台不动，两个旋转轴均在主轴上，加工过程中主要通过主轴的运动实现多轴联动加工。假设主轴-主轴回转的机床的角度限界指定为：X轴旋转界限为±60°，Z轴旋转界限为±360°，则机床的Z轴限界相当与方位角或垂直与XY平面的角度限界。在PowerMILL中Z轴限界±360°转换成方位角限界为0°~360°。机床的X轴限界相当与XY平面上的仰角。机床的角度范围是相对于Z轴的，然而PowerMILL 的仰角是相对与XY平面测量，因此，PowerMILL 的角度限界即是机床角度限界的余角。为此，机床的X轴限界±60°转换成仰角限界即为30°~90°。

　　不过对于有些特殊主轴—主轴控制的五轴机床，机床的回转角度限界X为-30°~+60°，Z为±360°，在进行仰角设置的时候尤其两边摆动的角度不一致，得到的结果有两种，一侧是60°~90°，另一侧是30°~90°，那么对于我们设计人员就希望得到60°的大摆角，这里POWERMILL软件将机床界限跨过XZ平面，使用最大旋转值(+60°)，加工另外一侧时，主轴可绕Z轴旋转180°，以达到最大范围。

　　3.3 工作台-主轴方式下的刀具界限参数分析

　　两个旋转轴分别装在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较重的工件;主轴摆动，可灵活地改变刀轴方向。假设主轴-工作台回转机床的角度限界为：X轴旋转界限为±40°Z轴旋转界限±360°。机床的X轴限界相当于XY平面之上的仰角，对PowerMILL而言即是机床仰角的余角。因此，X轴限界±40°转换成仰角限界为50°~90°。

　　因此，对于不同类型的五轴机床在进行刀轴控制时，POWERMILL软件会产生多种控制参数的设置。尤其对于我们经常需要设置的刀具界限功能，能否合理的分析并准确的设置，直接的影响机床安全性和高效性，所以我们CAM设计人员必须掌握该功能的参数设置。

　　参考文献

　　[1]杨书荣.深入浅出POWERMILL数控编程[M].北京：中国电力出版社，2008.

　　[2]朱克忆.POWERMILL多轴数控加工编程实用教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

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文章名称： 五轴机床中刀轴界限功能的参数分析

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