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五轴加工技术
五轴CNC曲面加工原理
摘要
目前三轴数据加工机还是为工业界的主流,然而所要面对的精密机械加工,五轴才会将成为日后发展的趋势。
国内外对五轴加工技术的需求越来越大,国内也有许多工具机界正努力积极的朝向五轴加工机,作为日后的发展目标,为了使国内的制造工业界更具有竞争力,国内更需要本土化的五轴加工技术。
虽然一个完善的五轴加工系统,除了在硬设备上要求更精密之外,更需要搭配良好的刀具路径规划,和作业人员的培养,才能真正第发挥五轴工具机加工的优点。
要探讨的重点在于五轴零件曲面加工原理,必须先从CAD系统所得到的STLFile进行刀具路径规划、推导逆运动转换公式,在透过计算机的动态仿真加工情形,再输入五轴加工之接口程序,并以PCbasedcontrol的方式来实际加工工件。
未来,可利用PCbasedcontrol的方式及五轴加工方法透过网络通讯与RapidPrototyping相结合,或是以远程监控其加工过程,来提升国内的工业竞争力。
目录
五轴CNC曲面加工原理1
摘要2
目录3
第一章绪论4
第一節前言4
第二节五轴加工机的主要形式5
第二節五轴加工优点6
第二章五轴加工探讨7
第一節五轴加工方式7
第二節有效铣削半径8
第三節Sturz铣切的优点9
第三章五轴CNC系统9
第一节PC-Based控制系统9
第二节PC-Based的五轴工具机简介10
第四章路径规划11
第一節STL11
第二節路径规划法则11
第三節刀具路径间距的决定12
1.等间距的刀具路径间距12
2.适应性调整刀具路径间距13
第四節干涉问题的考虑13
第五章计算机执行13
第一節计算机动态仿真13
第二節离心式涡轮叶片的加工14
第六章结论17
第一章绪论
第1節前言
以往传统的三轴加工工具机只有3个正交的X、Y、Z轴,则刀据只能沿着此三轴做线性平移,而使加工工件的几何形状有所限制,因此必要增加工具机的轴数来获得加工的自由度,最典型的就是增加两个选转轴,成为五轴加工机。
由于使用平铣刀加工,相同表面精度要求下,五轴切销时铣刀轨迹间的距离比三轴加工(使用球铣刀)时要大的很多,换言之,自由曲面加工的时间可大幅缩短。
此外,有些几何形状复杂的工件如涡轮叶片或是船用螺旋桨…等,必须考虑到工件和刀具的干涉,就必须要用到了五轴加工的工具机了,也就是探讨五轴加工原理的理由之一。
近年来的五轴加工已受到航天工业、汽车业、轮胎模具业、及其它模具业等所重视,又加上近年来国内外对五轴加工技术的需求越来越大,所以国内也有许多工具机业界正努力的网五轴加工工具机极力的发展着,也为了使国内的制造业更有对外竞争力,所以国内更需要有本土化五轴加工技术。
主要在五轴零件的曲面加工原理做探讨,先从CAD系统所得到的STLFile来进行刀具的路径规划、推倒逆运动转换公式,透过计算机动态仿真加工的情况,进而输出五轴加工之接口程序,并以PCbasedcontrol的方式来实际加工工件,探讨范围如下图1-1所示。
图1-1流程图
第二节五轴加工机的主要形式
在前言有提到说,五轴加工机就是将以往的传统三轴加工工具机只有3个正交的X、Y、Z轴,增加工具机的轴数来获得加工的自由度,最典型的就是增加两个选转轴,成为五轴加工机。
在五轴加工机系在X、Y、Z证交之三轴的驱动系统内,另外加装倾斜和旋转之双轴旋转的系统,在其中的X、Y、Z轴决定刀具的位置,两个旋转轴决定刀具的方向,将它分为三大类:
1.两个旋转轴都在主轴头的刀具侧,称为主轴倾斜型,由图1-2所示。
2.两个旋转轴都在工作物侧,称为工作台倾斜型,由图1-3所示。
3.一个旋转轴在主轴头的刀具侧,另一个旋转轴在工作侧,称为工作台/主轴倾斜型,由图1-4所示。
第2節五轴加工优点
1.加工多个斜角倒勾时,利用旋转轴直接旋转工件,可降低夹治具的数量,并可以省去校正的时间,图1-5所示。
2.利用五轴加工方式及刀轴角度的变化,并避免静点摩擦,以延长刀具寿命,图1-6所示。
3.使用刀侧切销,减少加工道次,获得最佳质量、提升加工效能,图1-7所示。
4.当倾斜角很大时,可降低工件的变形量,图1-8所示。
5.减少使用各类成型刀,通常以一般的刀具完成加工。
第2章五轴加工探讨
通常进行曲面铣切的刀具路径规划,以几何方面误差来说,路径间距、刀具进给量或是过切等三大只要影响因素。
在数值加工程序中,通常是藉刀具接触点的数据,来决定刀具位置及刀轴方向,而曲面上刀具接触数据点(Cuttercontactdate,简称CCD)最好可以在加工的容许误差范围内随曲面曲率做动态调整,也就是路径间距和刀具前进量可以随着曲面的平坦或是陡峭来做不同疏密程度的调整。
第1節五轴加工方式
五轴轮廓铣切常称为Sturz切削,Sturz在德文的意思是铣刀朝进给的方向向前倾斜的意思。
Sturz角度是刀轴方向向量与曲面法向量之间的夹角,如图2-1所示,区分了刀轴的倾斜角和旋转角,但是在实用上是为了尽可能的减少扇型高度所形成的侧向误差量,但不影响路径间距,通常只应用到倾斜角而已。
图2-1Sturz铣削图
第2節有效铣削半径
对于类似涡轮叶片、风扇叶片、推进器等广泛的低曲率曲面的加工,为了快速且有效率的加工这些复杂的曲面,刀具形状的决定应该尽可能的接近曲面外型。
五轴加工机选用端铣刀的Sturz加工,透过刀轴相对于加工面的倾斜,端铣刀的轮廓能够更接近所要的曲面。
图2-2所示,端铣刀经过倾斜的一个角度后,在投影到平面上,则呈现椭圆形的区域,如果相对的切削深度很小,由途中可明显的知道,它的有效半径为
其中α是刀具的前倾斜角,而R为刀具的半径。
也就是说,前倾角是5度,则端铣刀的有效半径约是同一半径大小的球铣刀之11.5倍。
同理当前倾角为90度的时候,则有效半径相当于端铣刀的刀具半径,等于说切削后的轮廓和球铣刀是一致的。
图2-2端铣刀倾斜时切削示意图
第3節Sturz铣切的优点
A.用标准平端铣刀铣削曲面可以得到比较好的表面精度,扇型高度可以比较小。
B.可以避免球铣刀静点洗销的切点。
C.进给可以比传统的方式高,可以在两倍以上,所以切削效率较高。
D.使用Sturz铣削,如果倾斜角度很大的时候,其切削力几乎只有切线方向,而没有法线方线的切削力,所以工件的变形量很小,几乎不必等应力消除,就可以做精加工了。
第3章五轴CNC系统
第一节PC-Based控制系统
PCBased控制是藉由PC的软件控制来达到运动控制的功能,其中计算机的键盘和屏幕来做为输入及输出的工具,因为其必须依赖到计算机所以称之为PCBASED。
其最大的优点是可与先进的CAD/CAM系统整合成为CAD/CAM/CNC系统。
PCBased控制器有以下的优点:
1.开放性的架构
2.易于维修
3.模块化特性
4.价格便宜
5.结合计算机的网络系统
6.可调整性
有了以上优点的PCBased控制器,越来越符合现在工业界的使用潮流,而且现在的科技日新月异,计算机的CPU处理速度也会越来越快,这些先进的科技对于PCBased的控制器来说,皆可立即应用上去。
第二节PC-Based的五轴工具机简介
五轴加工CNC工具机整个硬件架构如图3-1,机台方面是将YASKAWA的旋转轴,如图3-2,架在沛洛克公司的三轴工具机机台,如图3-3,其原来三轴的马达和驱动器已经全换成微锋自动科技公司的直流马达和驱动器。
控制方面由一台插入PMAC卡的个人计算机取代原来的PLC控制器(PCBasedControl)。
第4章路径规划
路径规划是采用STL曲面和切削平面的交线作为刀具的铣切路径,类似卡式刀具路径法,以下将介绍如何以STL曲面来做路径规划的方法。
第1節STL
由美国3D系统所提出的STL文件,是从CAD数据库中透过CAD系统接口所产生的。
STL档案接口格式是采用很多的小平面来表示一个曲面的外表、外型,每一个小平面则是由一个三角形来构成的,顶点位置依曲率变化动态随取的,使得近四往格面与原始曲面的误差在允许误差内。
第2節路径规划法则
利用一连串互相平行的切削平面(XZ或YZ平面)对三角网格面作连续切剖,每一个切剖平面将会和三角网格交出一条由线段所构成的线段曲线出来,每一条线段就是由每一个三角形和切割面所交出的两个顶点所连接而来的,这些线段曲线即构成了刀具顶点移动所形成的路径。
所交出的线段即为刀具接触路径,每一条刀具接触路径曲线的X值或Y值会保持一定,而且由于路径点是由三角形所产生,路径间距以考虑到了原始曲面的形状变异性,因此这些路径的分布将是适切和符合曲面特性。
此路径规划法访的优点在于:
1、刀具接触路径是由切割平面和三角网络所交集出来的线段所构成,路径点的分布实际上已考虑到原始曲面曲率变化的特性。
2、单一路径为在同一平面上,易于整合复合曲面的刀具路径。
第3節刀具路径间距的决定
相隔两刀具路径之间的间距,所谓刀具路径间距(Interval),其影响到因刀具的几何形状所造成加工曲面的侧向误差量,也就是扇型高度,有些CAD/CAM系统,在规划加工路径时,基于曲面的复杂性,常需将路径间距设为定值,这个方法显然并不是基于路径最佳化的考虑,虽然它是适合平滑表面的加工,但对于曲面加工却容易造成工作表面不平滑,若路径间距的大小能取决于曲面的曲率变化情形,而决定两道刀具路径应保持的间距,以减少加工路径数,达到节省加工时间的目的,也应为如此,所以产生了等间距和适应性路径间距两种规划。
1.等间距的刀具路径间距
目前产生刀具路径时,通常是刀具路径投影在X-Y平面时,其投影后加工路径的距离大小都是想等的,如图4-1所示,故程序执行的速度会比较快。
图4-1等间距的刀具路径示意图
2.适应性调整刀具路径间距
将侧向容许误差定义为想铣削路径中,刀具交点至通过两路径间所成的圆弧或是直线的最短距离,他影响到加工曲面的平滑度和精确性。
而两相邻刀具路径的距离称为刀具路径间距,侧向误差可以经由路径间距和刀具倾斜角的调整而有所改变。
因此,希望在满足侧向容许误差范围内,使得刀具路径尽量宽,并使用平端铣刀以增加切削效益。
第4節干涉问题的考虑
切削加工时,铣刀侧面碰撞到不能加工之工件曲面,如图4-2所示,或是碰到机台等,都称干涉。
在五轴加工路径规划上特别要小心形成干涉,否则轻者浪费材料、时间、刀具损坏,重者可能会造成人员伤亡或是机台损坏等。
为了避面整个曲面有干涉的情况发生,我们可以检查刀具除CCData外,是否选与曲面有其它焦点的方法来侦测干涉。
进一步采用侧倾角来防止干涉的产生。
图4-2干涉现象
第5章计算机执行
第1節计算机动态仿真
由于五轴加工机比传统的三轴加工工具机多两个旋转轴,所以刀具路径规划时也相对地变的比较复杂,避免将来实际加工时发生撞机或是材料的浪费等,有必要于加工前的计算机加工仿真,其计算机加工仿真的流程,如图5-1所示。
图5-1计算机仿真的流程架构
第2節离心式涡轮叶片的加工
三轴数值控制加工机,在从事一般的曲面加工已有不错的结果,遇到复杂的曲面会有加工死角,必须要用到传统的钳工来完成加工,其加工精度和生产速度也会影响到,讲求精度和速度的工业界受到很大的压力。
现今的计算机和控制技术进步,多轴同动已非难事,利用五轴加工和上一章提到的避面干涉的方法,完成叶片形状扭曲程度严重的离心示涡轮叶片的实际加工。
(图5-2)
图5-2离心式涡轮叶片
离心式涡轮叶片是一对称的旋转件,所以对两叶片间由压力面、轮毂面和吸入面所形成的区域部分,如图5-3,进行刀具路径规划,然后在将数据作旋转处理。
图5-3涡轮叶片示意图
加工过程
A.进行外环轮廓的切削
B.依设定的加工刀具半径找出吸入面的偏置面,和轮毂面球交线,并侦测干涉与否。
C.依设定的加工刀具半径找出压力面的偏置面,和轮毂面球交线,并侦测干涉与否。
D.切削轮毂面。
.
图5-4局部的涡轮叶片彩绘
图5-5涡轮叶片加工的计算机仿真
图5-6涡轮叶片的加工成品
第6章结论
本文主要探讨五轴加工CNC曲面加工原理。
包括以STLFile的曲面形式来进行五轴加工时所需要的刀具路径规划、计算机仿真加工情形,输出五轴加工之接口程序,并以PCbasedcontrol的方式来实际加工具有复杂曲面特性的涡轮叶片。
五轴加工被应用在航天业和汽车业已经多年,主要优点是加工整体复杂工件时,只要一次的工件夹持定位;另一个好处在于可使用较短刀具,以确保切削精度。
过去模具界甚少使用五轴加工,问题是机台的价格昂贵及NC程序制作困难。
近来因为模具交期紧迫及价格压缩,使五轴加工受到模具业的重视。
国外的五轴加工机发展一段时间了,对国内也是一种冲击,所以我们也应该好好的朝五轴加工方面在加把劲,好好发展本土五轴加工,以提升工业竞争能力,相信台湾的机械工业在世界各国也是不落人后的。
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