任务3.1.2 机床调整与加工
一、机床传动系统分析
五轴数控机床共存在五条传动链：主运动传动链，纵向、横向、垂向传动链，刀库的旋转运动传动链，分别用来实现刀具的旋转运动，如工作台的纵横向进给运动、主轴箱的升降运动，以及选择刀具时刀库的旋转运动。如图3.1.8 所示。
1.主运动传动链分析
五轴数控机床的主运动驱动电动机是交流变频调速电动机，连续输出额定功率为5.5 kW；最大输出功率为7.5 kW，但工作时间不得超过30 min，称为30 min 过载功率。这种电动机靠改变电源频率实现无级调速，额定转速为1 500 r／min，最高转速为4 500 r／min，在此范围内为恒功率调速。从最高转速开始，随着转速下降，最大输出转矩增加，保持最大输出功率为额定功率不变，最低转速为45 r／min，从额定转速至最低转速，为恒转矩调速。电动机的最大输出转矩，维持为额定转速时的转矩不变，不随转速的下降而上升。
主电动机经两级多楔带轮驱动主轴。当经带轮副直径为φ183.6 mm／φ183.6 mm 传动时，主轴转速n 为45 r／min、1 500 r／min、4 500 r／min；当经带轮副直径为φ119 mm／φ239 mm 传动时，n 为22.5 r／min、750 r／min、2 250 r／min。无级调速，三个数字分别为最低、额定和最高转速。
2.进给运动传动链分析
图3.1.8 五轴数控机床传动系统图
X、Y、Z 三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统，脉宽调速直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠，功率都为1.4 kW，无级调速。三个轴的进给速度均为1～400 mm／min。快移速度，X、Y 两轴皆为15 m／min，Z 轴为10 m／min。三个伺服电动机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可以联动。
二、机床的调整与操作
1.“3 +2”定向加工工件坐标系建立
“3 +2”定向加工是五轴数控机床的主要加工方式，在五轴数控加工中大约85%以上的加工内容可以采用“3 +2”定向加工的方式完成。所谓“3 +2”定向加工，是指五轴数控机床中的3个直线轴进行联动，其余2 个旋转轴进行定向。加工前，先通过两个旋转轴的定位功能，使得机床主轴与被加工工件呈固定的空间角度，然后再通过三个基本直线轴的联动，对工件上的某一区域进行三轴加工。这种编程方式比较简单，可以使用三轴加工策略。
“3 +2”定向加工主要由2 个旋转轴的定向运动，配合其余3 个线性轴的联动实现。然而，为了简化“3 +2”定向中2 个旋转轴的定向，以及旋转轴定向后的程序编辑，主流的五轴数控系统均定制了回转平面定位功能，用于实现工件坐标系到可编程坐标变换后的坐标系之间的转换操作。其实质为，首先采用坐标系平移功能将初始工件坐标系进行沿X、Y、Z 三个方向的任意移动，建立坐标系旋转中心，然后利用坐标系旋转功能或者轴旋转功能将坐标系进行旋转，使待加工倾斜面的法矢量方向与刀具轴线方向一致。最后，根据需要再次进行坐标系平移，以简化坐标系倾斜状态下的编程操作。
该操作在五轴数控系统中的实现包含表3.1.2 中的三个步骤。
表3.1.2 五轴数控系统坐标系之间的转化操作
2.摆动循环CYCLE800 指令
摆动循环CYCLE800 是一种对工件坐标系进行空间静态转换的“框架”功能指令，能够实现3 +2 轴机床把编程坐标系通过“平移—旋转—再平移”的方式转移到当前所需加工的倾斜面上，实现空工件坐标系的旋转，使刀轴垂直于当前加工倾斜面，把倾斜面转换成3 轴加工方式来进行加工编程，从而实现零件的定向加工。利用该指令可以实现在立体倾斜侧面上或在有一定角度的侧面上完成各种沟槽、型腔、凸台、钻孔、攻螺纹等一系列的三轴机床加工的内容。能够在三轴加工的基础上通过一个简单的指令（由系统后台进行运动计算与执行控制）就可以实现五轴定向加工。
（1）CYCLE800 指令名称
在本书中，将CYCLE800 指令称为“摆动循环”。CYCLE800 指令在一些资料中还有其他名称，如“平面倾斜循环”“转动加工循环”“五轴定向加工辅助循环”和“3+2 轴定向加工”等。
（2）CYCLE800 编程原理
借助回转头或者回转台可以加工或设置斜面。回转在“JOG”运行方式和“AUTO”方式下都可以使用。在参数化或者回转编程时，可通过清楚的图形显示加以辅助。这时可以对机床的回转轴（A、B、C）进行编程或者可以直接给出绕工件坐标系几何轴（X、Y、Z）的旋转值，如同各个工件图中说明的一样。CYCLE800 “摆动循环”加工时，在程序中自动将工件坐标系的旋转换算成机床上各个转向系统运行界面轴的旋转值。此时回转轴一直旋转，直到在接下来的加工中加工平面垂直于刀具轴。然后在进行加工时，加工平面固定不变。轴回转时，生效的零点和刀具补偿会自动换算成适合回转状态的值并形成新的坐标系。摆动循环CYCLE800 指令运行步骤一般为：
①将坐标系回转到待加工平面。
②通常和在X／Y 平面（如果设定G17 为切削平面）中一样对加工内容进行编程。
③重新将坐标系转回。
3.机床刀具表的创建
加工工件必须使用切削刀具。将支块零件加工中所使用的刀具存储在机床系统上的刀具存储器中，以备编写程序时和实际加工中进行调用，如图3.1.9 所示。
图3.1.9 刀具表
（1）建立铣刀与删除刀具
①在系统面板上按运行模式键“OFFSET”，屏幕显示出“刀具表”界面。假设这时是一个空表，光标移动到刀具表的第1 行位置（如果刀具表中已有刀具存在，首先检查所要创建的铣刀是否已经存在，如果没有这把铣刀，则将光标移动到刀具表最下面的空白行）。
②按软键“新建刀具”，按软键“优选”，选择“立铣刀”，按软键“确认”，输入刀具的参数：刀具名称：CUTTER 12（表3.1.3）；ST：1；D：1；长度：100；φ：12；齿数N：4；主轴旋转方向：顺时针；冷却剂开关1：打钩。
表3.1.3 刀具明细参数
（2）删除刀具
在创建的刀具表中，如果欲删除某一把刀具，则将光标移动到刀具表中这个刀具所在行上，按软键“删除刀具”，弹出询问对话框，按软键“确认”，就删除了这个刀具。
注意，建立刀具与删除刀具只是录入或移除刀具的信息。在此位置实际有刀具的情况下，不建议此项操作。
（3）装载刀具
①装载刀具在系统面板上按运行模式键“OFFSET”，屏幕显示“刀具表”界面，将光标移动到刀CUTTER 12 上，按软键“装载”，弹出对话框，在“位置”后输入刀库位置，也可以保持默认，系统会按顺序装载到刀库，按软键“确认”，就把φ12 mm 的立铣刀装入刀库中，位置在1 号。
②此时刀库根据操作者确定的刀具安装刀位，自动将刀库旋转到装卸刀安装位置。实际操作中，当刀库旋转到用户安装位置后，系统会给出信息提醒，操作者要按照系统提示进行开门、把刀具正确安装到刀库内、关门，系统会自动将刀具的信息更新到刀具表内的相应位置。
（4）卸载刀具
若要卸载主轴上的当前刀具，将光标移动到刀库中的“CUTTER 12”上，按软键“卸载”，就完成对刀具的卸载。在实际操作中，刀库将要卸载的刀具旋转到用户卸载位置，操作者要按照系统提示，进行开门、把刀具从主轴上取下、关门，系统会自动将刀具表内的相关刀具信息移除。(https://www.daowen.com)
4.支块零件的编程与加工练习
如图3.1.10 所示的支块零件，底沿边长为60 mm、上沿边长为44 mm、棱面与设定G17 平面的夹角为60°。设定支块上平面的中心位置为工件坐标系原点。
图3.1.10 支块零件
支块斜平面铣削加工过程见表3.1.4。
表3.1.4 不同位置4 个斜平面的铣削过程
①要完成摆动循环CYCLE800 初始化设置操作，其操作步骤及参数设定见表3.1.5。
表3.1.5 摆动循环CYCLE800 初始化设置操作
②初始化设置完成后，可进行工件毛坯的设定。针对图3.1.10 所示的支块零件，最方便的毛坯设置是选择“中心六面体”形式。本零件加工选择的毛坯是已经过加工后，符合图样外形标注尺寸的零件半成品。
③这里需要说明的是，编程中创建工件毛坯的步骤不是必须做的，所建立的毛坯仅仅是为了在验证编写程序正确性的模拟加工操作中查看毛坯外形，或是在实际加工的过程中查看，分析零件实体加工后的内部结构，与工件的实际加工没有必然关联。循环CYCL6800 的回转平面功能——坐标系平移+坐标系旋转的方式进行斜平面定向和坐标定位，将坐标位置定位在每一边所需加工平面位置上，零件图中的数字指明了4 个斜平面加工的先后顺序。通过4 次回转平面设定，实现4 个不同位置斜平面的铣削编程的过程。
即首先平移WCS（工件坐标系），然后围绕新参考点旋转WCS，回转后，在新建的回转平面上平移WCS 至指定位置。本零件仅需要前两步即可完成加工坐标系的定向工作。
五轴加工
④“位置1”斜平面的平面铣削循环CYCLE61 指令参数设置说明如图3.1.11 所示。铣削平面面积为16 mm×60 mm；SC ＝5；Z0 ＝7，Z1 ＝0。选择绝对尺寸方式（abs）则比较直观，因为Z1 是斜平面1 加工完成的平面位置，也是斜平面1 旋转定位参考点位置所在平面；若选择Z1 ＝-7，选择相对尺寸方式（inc）也是可以的，这时要注意其正负方向不要输错。由于是粗加工，刀具的切削范围只要保证能够覆盖铣削平面就可以了；如果是精加工表面，刀具在进刀方向上应超出工件表面的长度尺寸，此时应注意刀具的运动不能与夹具发生干涉。
图3.1.11 “位置1”斜平面铣削加工刀路轨迹分析
⑤在完成“位置1”斜平面加工程序编写后，可直接利用“回转平面”选项进行“位置2”斜平面的定位、“位置3”斜平面的定位和“位置4”斜平面的定位。
直接（新建回转平面）方式下的斜平面铣削加工的参考程序清单见表3.1.6。
表3.1.6 斜平面铣削加工的参考程序清单
续表
注：N10 语句是摆动循环CYCLE800 回转平面的初始设定。其意义在于实际加工过程中，中途停机或执行完带有摆动循环CYCLE800 回转平面定位的加工程序，机床会停止在指定回转平面位置，未能恢复到旋转轴初始位置。再次启动加工程序后，系统会将最后停机位置作为初始参考基准位置进行计算，这样会产生后续回转平面定义角度参数的累计，造成角度定位不正确。
加工中心刀具
三、机床的工装
刀具系统是工艺系统的重要组成部分，由刀柄和刀具两部分组成，如图3.1.12 所示。刀柄是实现五轴加工的核心之一，合理地选用刀柄不仅可以提高加工精度，还可以有效降低工艺难度。根据机床的主轴锥孔不同，通常分为两大类，即通用刀柄（锥度为7 ∶24，主要面向普通加工）和高速刀柄（短锥刀柄，锥度为1 ∶10 或1 ∶20，面向高速加工）。五轴加工刀具有效克服刀具在传统三轴环境下的不足，应用对比见表3.1.7。多种常用刀具基本都能用在五轴加工条件下。
图3.1.12 部分常见五轴刀具系统
表3.1.7 传统三轴加工刀具和五轴加工刀具应用对比
五轴数控加工时，做好定位及夹紧，是保证工件加工精度的重要前提。五轴数控机床的工作台采用了标准T 形槽，因此宏观概念上的通用夹具和专用夹具均可以应用于五轴数控机床上。但是由于五轴数控机床的运动特性以及结构特点，在加工过程中，主轴与工件等的干涉碰撞成为五轴加工需要避免的问题。通过夹具装夹减少主轴及刀具干涉，减少五轴复杂运动，提高效率，降低能耗，也是夹具的重要作用之一。本项目仅介绍加工应用的平口虎钳及钳形夹具。如图3.1.13 所示，平口虎钳在五轴加工中也属于常用夹具，主要由活动钳身、固定钳身、底座、丝杠等部分组成。
图3.1.13 五轴用平口虎钳及夹具
（a）精密平口虎钳；（b）圆形基座台虎钳
图3.1.14 所示的平行钳口夹具属于快换类夹具。它适用于精料装夹，尤其适用于较小装夹高度的毛坯装夹。其钳口面具有凸牙形，夹紧工件时，能够嵌入毛坯中，保障足够的装夹力。此外，此类夹具为原点互换夹具，适用于快换应用，目前多用于智能制造系统MES 中。
图3.1.14 五轴用精密平行钳口夹具
（a）矩形基座单动台虎钳；（b）圆形基座单动台虎钳