五軸機床中刀軸界限功能的參數分析

陸齊煒

江蘇省常州技師學院機電工程系，江蘇 常州 213017

PowerMILL是英國Delcam Plc公司出品的功能強大，加工策略豐富的數控加工編程軟件系統。采用全新的中文WINDOWS用戶界面，提供完善的加工策略。幫助用戶產生最佳的加工方案，從而提高加工效率，減少手工修整，快速產生粗、精加工路徑，并且任何方案的修改和重新計算幾乎在瞬間完成，縮短85%的刀具路徑計算時間，對2-5軸的數控加工包括刀柄、刀夾進行完整的干涉檢查與排除。具有集成的加工實體仿真，方便用戶在加工前了解整個加工過程及加工結果，節省加工時間。在強大的POWERMILL軟件中，對于五軸機床的加工策略非常豐富，由10種刀軸控制以及粗精加工，鉆孔30多種策略配合應用。

1 五軸刀軸和刀軸控制介紹

五軸刀軸：五軸機床中的五根軸是由3根線形軸（linear axis）和2根旋轉軸（rotary axis）組成的。線形軸分別由X、Y、Z組成，而旋轉軸對應的是A、B、C表示軸名。五軸刀軸控制：五軸刀軸控制是CAM系統五軸技術的核心。五軸CAM系統給出每個切削點刀具的刀位點（X,Y,Z）和刀軸矢量（I,J,K），五軸后處理器將刀軸矢量（I,J,K）轉化為不同機床的旋轉軸需要轉動的角度（A,B,C）中的兩個，然后計算出考慮了刀軸旋轉之后線性軸需要移動的各軸位移（X,Y,Z）。

2 刀軸界限功能

刀軸限界功能是允許用戶在產生多軸刀具路徑過程中控制刀具的角度限界，是刀具路徑能配合當前用戶實際所用的五軸機床角度界限和加工中的一些刀具夾持避讓要求。而指定的限界具有不同的格式，具體格式和回轉軸配置類型相關。由于不同的機床具有不同的配置，POWERMILL軟件將角度限界以方位角和仰角兩個概念來描述。

方位角是在XY平面上逆時針方向旋轉的角度，對于一般五軸機床可認定為Z軸的旋轉角度（角度范圍可達±360°）。仰角是自XY平面向上提起（+90°） 或向下落下（-90°）的角度，對于一般五軸機床可認定為X軸的旋轉角度（角度范圍因機床而定），當設置刀具界限參數時，在刀軸方向表格中選取刀軸限界選項，激活限界頁面（勾取顯示刀軸，查看限界），接著選取限界頁面，方位角中開始角和結束角分別輸入0°和360°；仰角中開始角和結束角輸入90°和0°。這樣就會在主界面中產生一個圓球，而此時的圓球會分成兩種顏色，上半球面是綠色，給定的方位角是整圓，仰角只設置了0°～90°而形成上半球面，下半球面是紅色，表示刀軸無法加工此區域。

3 五軸機床與刀具界限功能關系

五軸機床的回轉軸配置區別很大，不過大體可分為三種基本加工配置，分別是工作臺—工作臺（Table-Table），主軸—主軸（Head-Head），工作臺—主軸（Table-Head），這三類機床在POWERMILL軟件中進行刀具界限參數設置又不盡相同，現分別對3種情況的刀具界限進行詳細的參數分析。

3.1 工作臺—工作臺方式下的刀具界限參數分析

此類機床主軸方向不動，兩個旋轉軸都在工作臺上，工件加工時隨工作臺轉動，該機床一般角度界限定為：X方向上轉動范圍為±30°，Z方向上轉動范圍為±360°。機床的Y軸限界相當于方位角或是垂直于XY平面的角度限界。Y軸限界±360°轉換成方位角即方位角限界為0°～360°。機床的X軸限界相當與XY平面上的仰角，但它們并非相同的角度，機床是相對于Z軸測量測量角度范圍的，而PowerMILL則是相對于XY平面測量。因此，PowerMILL的角度限界是機床角度限界的余角（仰角=90-機床角度）。也就是說機床的X限界±30°轉換成仰角限界則為60° ～90°。

3.2 主軸—主軸方式下的刀具界限參數分析

此類機床工作臺不動，兩個旋轉軸均在主軸上，加工過程中主要通過主軸的運動實現多軸聯動加工。假設主軸－主軸回轉的機床的角度限界指定為：X軸旋轉界限為±60°，Z軸旋轉界限為±360°，則機床的Z軸限界相當與方位角或垂直與XY平面的角度限界。在PowerMILL中Z軸限界±360°轉換成方位角限界為0°～360°。機床的X軸限界相當與XY平面上的仰角。機床的角度范圍是相對于Z軸的，然而PowerMILL 的仰角是相對與XY平面測量，因此，PowerMILL 的角度限界即是機床角度限界的余角。為此，機床的X軸限界±60°轉換成仰角限界即為30°～90°。

不過對于有些特殊主軸—主軸控制的五軸機床，機床的回轉角度限界X為-30°～+60°，Z為±360°，在進行仰角設置的時候尤其兩邊擺動的角度不一致，得到的結果有兩種，一側是60°～90°，另一側是30°～90°，那么對于我們設計人員就希望得到60°的大擺角，這里POWERMILL軟件將機床界限跨過XZ平面，使用最大旋轉值（+60°），加工另外一側時，主軸可繞Z軸旋轉180°，以達到最大范圍。

3.3 工作臺-主軸方式下的刀具界限參數分析

兩個旋轉軸分別裝在主軸和工作臺上，工作臺旋轉，可裝夾較重的工件；主軸擺動，可靈活地改變刀軸方向。假設主軸－工作臺回轉機床的角度限界為：X軸旋轉界限為±40°Z軸旋轉界限±360°。機床的X軸限界相當于XY平面之上的仰角，對PowerMILL而言即是機床仰角的余角。因此，X軸限界±40°轉換成仰角限界為50°～90°。

因此，對于不同類型的五軸機床在進行刀軸控制時，POWERMILL軟件會產生多種控制參數的設置。尤其對于我們經常需要設置的刀具界限功能，能否合理的分析并準確的設置，直接的影響機床安全性和高效性，所以我們CAM設計人員必須掌握該功能的參數設置。

[1]楊書榮.深入淺出POWERMILL數控編程[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]朱克憶.POWERMILL多軸數控加工編程實用教程[M].北京：機械工業出版社，2010.