卧式四轴机床的五轴应用实例

沈阳机床股份有限公司中捷机床有限公司 (辽宁 110142)段欣楠

卧式加工中心在机械加工行业里一直扮演着极其重要的角色，它的B 轴转台在实际应用中成了卧式加工中心不同于其他设备的最突出特点，对B 轴转台的应用也出现了各种极具特色的使用方法，这次我们介绍的就是其中之一，相信在相关行业的实际应用中能对大家有所帮助。

众所周知，当利用卧式机床加工圆弧面的时候，如果能利用B 轴转台做4 轴联动式的加工，从切削工艺角度出发，当然视其为最优化的第一选择。

图1 所示为加工阿基米德螺线的圆弧轮廓，当刀具沿弧线做法向相切运动，这种加工方法要求圆弧的圆心必须在转台的中心位置，只有这样才能用4轴联动的方式编程加工，程序中包括X、Y、Z、B 各轴的位置数据，但其中X 轴数据是不变化的，因为这时工件是围绕着转台中心(X 轴的零点)为圆心旋转的。此种方法在目前的加工中较常见，优点是编程简便，其不足之处在于由于工件必须摆放在转台中心位置上，这样工件的装夹找正就比较费时，另外如工件较小，那么加工时镗杆需要伸出较多也不利于加工，同时也降低了工作台的有效利用率。

图1

为了解决这些不足之处，我想起了五轴加工。如果此类工件在五轴联动机床上加工，那当然是轻而易举了，并且在五轴联动机床上加工此类工件的时候，同样有一个旋转轴是不参与联动的，实际工作中也只是四轴参与联动加工，那么能否在四轴联动的机床上实现五轴机床的功能就成了解决问题的关键，有了这个思路以后首先要做的就是确定数控系统，在咨询了西门子系统的相关技术人员后得知，四轴机床如想实现五轴功能就必须是五轴数控系统。这样的话系统功能性得到了确定，下一步就开始实际的编程加工试验了。

试验的开始阶段我按照以往编程的方法输出五轴加工程序，其中C 轴为零，B 轴随之变化，其余X/Y/Z 各轴都有数据，可以说是个标准的五轴加工程序，但在实际加工中却出现了意想不到的结果，机床的动作完全与编程时的设想不同，X 轴与Z 轴的动作也与实际程序不符并有较大差异，机床常出现X 轴或Z 轴的行程报警，让人百思不得其解。在尝试了各种方法之后仍无法解决，最后求助于电气人员，电气人员给的解释是，由于四轴机床本身不带有第五轴，并且我们的工件又没有摆放在转台中心，这时当B 轴转动时，要想保证刀尖点相对圆弧做法向运动的话，那么系统会使X 轴与Z 轴随之做相对的一定量的距离补偿才能满足其要求，所以才会造成X 轴或Z 轴的超程报警。有了此结论，看来出标准的五轴程序无法满足我们的实际加工需求，只有另寻它路了。

经过反复试验，我们发现利用矢量方式的编程方法可以实现我们想要达到的效果。首先确定工件的加工原点，如图1 所示。刀具矢量采用A3、B3、C3 方式编程，A3、B3、C3 为刀具矢量在坐标系X、Y、Z 上的投影，因五轴设定为工作台B 轴旋转，因此B3=0，X'和Z'分别为刀具矢量在X 轴和Z 轴上的分量，这里将Z 轴分量设为1，即C3=1，根据B轴的旋转角度，计算刀具矢量在X 轴上的分量(见附表)。

起始角度-60°，终点角度45°，起始半径长40.5mm，终点半径长49.5mm，角度增量1°，半径长每度递增0.085 714 286mm。

刀具矢量表

程序如下:

图2 为部分的加工程序及加工现场图片，因工件的加工精度要求，我们只取角度递增为1°，如需要可以更加细分递增角度，程序的运算方式不变。

图2

通过这种方式的编程，完全实现了四轴机床上完成五轴机床的同等加工效果，大大减少了工件的装夹时间和难度，提高了机床的有效利用率。