五軸RTCP及ROTO功能詳解

沈陽菲迪亞數控機床有限公司 （遼寧 110142）韓詩典

多軸數控加工一直是數控加工的難點，無論是數控編程、后置處理還是機床設置都與三軸數控加工有著明顯的區別。本文介紹了RTCP和ROTO功能在多軸加工中的重要作用，可以對旋轉軸轉動對數控加工造成的坐標偏差進行補償和機床形式的轉換，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別

（1）三軸加工設備比較常見，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、側刃加工，球頭刀的型面加工，以及一些鉆攻循環等。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刀具在空間直角坐標系中的運動，使得刀具的刀尖或刀心（球頭刀具的球心）達到NC程序中指定的坐標（見圖1）。

（2）多軸加工設備相對比較復雜，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軸的轉動，目的是在加工過程中除了可使刀具可以到達指定的坐標位置，還可以實現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，如按照回轉軸的安放位置劃分還可分為主軸頭旋轉，工作臺旋轉及混合旋轉等形式（見圖2），如圖3、圖4所示的轉臺式多軸機床和擺頭式多軸機床。

（3）多軸加工的優勢很明顯，可以減少零件裝夾次數，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域；可以用更短的刀具實現零件加工，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）數控編程是利用CAM軟件，基于產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控機床使用的NC代碼。其中多軸編程的刀具軌跡記錄了數控加工時刀具中心的坐標值及刀軸的矢量方向。三軸加工時，刀尖或刀心坐標始終與程序坐標保持一致。而多軸加工時會由于回轉軸的轉動而造成刀尖或刀心點（編程點）與機床實際坐標之間的位置偏差。多軸數控程序中的X、Y、Z定義了刀具中心的坐標位置，A、C定義了回轉軸的角度（見圖6）。

（5）既然存在偏差就需要進行補償，傳統做法需要將造成該偏差的轉軸參數如擺長、刀長、回轉軸偏移量等參數設定到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角度后的機床坐標。

2.RTCP功能

現在很多高端的數控系統中開發了RTCP功能，此類系統已經在其內部記錄了各回轉軸回轉中心的位置，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（刀具直徑及刀尖圓角半徑）進行正確設定，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生的坐標偏置進行補償。

RTCP功能未啟動時，如果轉動旋轉軸，機床的狀態如圖7所示，機床的線性軸不動，機床坐標保持不變，程序坐標不變，但是刀具中心位置發生變化，這與編程過程不符。

RTCP功能啟動后，如果轉動旋轉軸，機床的狀態如圖8所示，機床的線性軸移動，機床坐標變化，程序坐標不變，刀具中心位置不變，與編程過程保持一致。

RTCP功能的優點：

（1）簡化了CAM軟件后置處理的設定，在后置處理文件的設定中將所有關于回轉軸的偏差及擺長的參數設定為0即可。

（2）增加了數控程序對五軸機床的通用性。沒有RTCP功能的五軸機床，由于每臺機床的回轉參數不同，所以都要對應單獨的后處理文件，對于生產造成極大的不變，RTCP功能可對回轉軸的回轉偏差自動補償，NC程序中只給定刀具的刀心或刀尖點的軌跡坐標和刀軸方向（兩個回轉軸的坐標）即可，這樣不同的五軸機床就可以使用相同的數控程序加工。

（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功能基礎上開發的，它與RTCP聯合使用，主要針對帶有工作臺翻轉類型的多軸機床。該功能可使得動臺式機床的加工形式轉換為動軸式機床。

多軸數控編程時，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或旋轉來實現多軸加工的。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系與各個回轉軸回轉中心的偏差值，這給后置處理文件的制作及數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系而言的，ROTO功能的實現，就是利用了這個原理。它可將坐標系固定在工作臺或工件上，也就是說工件翻轉的同時是帶著坐標系一起翻轉的，也就相當于在加工過程中工件的位置相對于加工坐標系保持不變，即可視為工件始終處于靜止狀態，機床和刀具在進行翻轉和旋轉，那么一臺動臺式機床便轉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，如果轉動旋轉軸，機床的狀態如圖10所示，加工坐標系位置不變，工件坐標發生變化，與多軸編程過程不符。

圖9

圖10

ROTO功能開啟后，如果轉動旋轉軸，機床的狀態如圖11所示，加工坐標系被固定在工件上，與工件一起轉動，工件坐標保持不變，與多軸編程過程相符。

有了ROTO功能給翻轉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中心上，用戶坐標系是根據工件的擺放位置來設定，而與翻轉工作臺的機械位置無關。后置處理文件中也不用制定相關的位置偏差，只需指定雙擺頭類型的機床，其他回轉中心的偏差填0即可。

ROTO功能的優點：

（1）簡化編程及后處理文件的難度。

（2）降低數控操作難度，減少人為錯誤。

（3）減少裝夾及參數設定時間，提高加工效率。

圖11

4.結語

針對不同的數控系統，此功能的實現方式略有不同，但是功能相近。

Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫，字面意思是“旋轉刀具中心”，業內往往會轉義為“圍繞刀具中心轉”，也有一些人直譯為“旋轉刀具中心編程”，其實這只是RTCP的結果。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為TCPC，即“Tool Center Point Control”的縮寫，刀具中心點控制。

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

圖12