介紹了利用轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工一個(gè)汽車模型，加工的曲面復(fù)雜，精度高，程序量大。案例結(jié)合四開多軸數(shù)控系統(tǒng)在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床方面的加工應(yīng)用，突出體現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在實(shí)際加工中的優(yōu)勢(shì)（一次裝卡，5個(gè)面全部加工完成）。
1被加工工件
上世紀(jì)50年代小轎車的汽車模型，模型的數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)我們技術(shù)人員的技術(shù)處理而形成三維數(shù)模（見圖1）及標(biāo)準(zhǔn)加工代碼。在2007年中國(guó)工博會(huì)上，四開公司展出的sky一5l16075五軸聯(lián)動(dòng)加工中心現(xiàn)場(chǎng)以五軸聯(lián)動(dòng)方式加工該轎車模型，一次裝卡完成全部加工（見圖2），在現(xiàn)場(chǎng)引起轟動(dòng)。
圖1 三維汽車模型
圖2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工小轎車模型
2 加工工藝分析
2.1 零件圖樣的分析
該小轎車的尺寸為500 mmx295 mmx200 mm，且加工曲面是非常復(fù)雜的nurbs曲面。加工材料為代木（一種樹脂合成材料）。
對(duì)圖1所示的轎車模型進(jìn)行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過(guò)程中有5個(gè)難點(diǎn)：
（1）五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工中刀軸的控制；
（2）加工非連續(xù)復(fù)雜曲面精度的保證；
（3）驅(qū)動(dòng)曲面的制作；
（4）固定五軸（3+2）和連續(xù)五軸（五軸聯(lián)動(dòng)）加工程序的生成；
（5）多軸后處理的建造。
2.2 裝備選用
（1）加工機(jī)床的選用該加工中選用的是南京四開公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的sky一5l16075型轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五聯(lián)動(dòng)高速加工中心。由于汽車模型的加工曲面非常復(fù)雜，甚至還有倒扣面的加工，充分體現(xiàn)出五軸聯(lián)動(dòng)加工的特點(diǎn)。三軸數(shù)控機(jī)床已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足該汽車模型的加工，所以必須選用五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床采用了高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、傳動(dòng)絲杠和日本山洋數(shù)字交流伺服電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和擺動(dòng)頭采用了日研的轉(zhuǎn)臺(tái)，主軸zui高轉(zhuǎn)速為24 000 r／min。
（2）數(shù)控系統(tǒng)的選用數(shù)控系統(tǒng)采用南京四開公司研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)一sky2006n，專門用于多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床控制。sky2006n網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)了多軸聯(lián)動(dòng)加工的關(guān)鍵性控制技術(shù)，控制軸zui多可擴(kuò)展到64個(gè)；系統(tǒng)開發(fā)了3-d刀具空間補(bǔ)償功能；改進(jìn)了皮米插補(bǔ)功能和坐標(biāo)系尋位補(bǔ)償（c10）功能；擺軸長(zhǎng)度補(bǔ)償功能（在加工時(shí)設(shè)定擺軸長(zhǎng)度）；實(shí)現(xiàn)5000程序段的預(yù)處理功能（前瞻控制），滿足高速加工的前瞻控制需要；通過(guò)windows xp embedded系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的性；對(duì)軟件的界面部分進(jìn)一步人性化設(shè)計(jì)，具有軟件五軸加工模擬顯示功能；基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（tcp／ip）的網(wǎng)絡(luò)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，滿足高速加工時(shí)大程序量的快速、穩(wěn)定的傳輸?？刂葡到y(tǒng)足夠滿足加工的要求，有力地保證了機(jī)床在運(yùn)動(dòng)中的精度控制和操作的方便性。
（3）卡具的選用為了方便編程、降低操作人員的裝卡難度，工件的裝卡位置十分重要。在分析了工件的加工工藝和機(jī)床結(jié)構(gòu)之后，為被加工的汽車模型特制了一個(gè)卡具，如圖3所示?；鶞?zhǔn)面就是卡具的頂面，每次測(cè)定擺軸長(zhǎng)度和刀具長(zhǎng)度就以此面做為基準(zhǔn)面。
圖3 汽車模型的特制卡具
（4）工件的裝卡為了能使小轎車?yán)喂痰毓潭ㄔ诳ň呱?，通過(guò)強(qiáng)力拉緊螺釘把二者固定起來(lái)，有力地保證了工件在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。
（5）加工刀具及刀柄的選用根據(jù)對(duì)汽車模型的尺寸、倒扣面的深度和加工精度的分析，刀具分別選用直徑為16 mm、圓角半徑為4 mm的圓角立銑刀，直徑為10 mm、圓角半徑為l mm的圓角立銑刀以及直徑為6 mm的球刀。刀柄選用熱膨脹結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使刀具夾持，保證了刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡和回轉(zhuǎn)精度，有效地提高切削加工的精度和工件表面質(zhì)量，顯著改善了刀具在切削過(guò)程中的受力狀態(tài)。
2.3 cam軟件編寫數(shù)控加工程序
（1）驅(qū)動(dòng)曲面的制作
在unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過(guò)驅(qū)動(dòng)曲面或驅(qū)動(dòng)曲線按照一定的策略產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后把這些驅(qū)動(dòng)點(diǎn)按照一定的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照某種規(guī)則來(lái)生成刀具路徑的。多軸加工中，刀軸的軸線方向可以改變，即隨著加工表面法線方向的不同而作相應(yīng)改變，從而完成復(fù)雜曲面的加工。驅(qū)動(dòng)曲面的制作很有講究，直接影響了被加工曲面的質(zhì)量、精度、加工效率。驅(qū)動(dòng)曲面制作時(shí)應(yīng)從簡(jiǎn)避繁，盡量簡(jiǎn)單。
（2）數(shù)控加工程序的編制
①粗加工程序的編制：應(yīng)用unigraphics加工模塊中的3+2軸（固定五軸）功能對(duì)小轎車進(jìn)行編程，讓刀具從工件的不同方向進(jìn)行加工；保證了小轎車在粗加工完成之后大面積材料的去除。加工參數(shù)如下表所示。
加工工藝規(guī)劃表
②半精加工程序的編制：選用mill_multi_axis（多軸加工一連續(xù)五軸）對(duì)小轎車進(jìn)行半精加工，去除工件的殘留量。加工參數(shù)如表1所示。
③精加工程序的編制：為保證加工精度、加工質(zhì)量和加工效率，程序zui后用6 mm球刀分別對(duì)小轎車的不同區(qū)域進(jìn)行精加工；根據(jù)小轎車加工模型的要求，合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)曲面的驅(qū)動(dòng)方向、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、切削方式、刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、機(jī)床控制（運(yùn)動(dòng)輸出）等參數(shù)。其余參數(shù)按照sky-5l16075型數(shù)控機(jī)床規(guī)定使用的功能指令、程序段格式及編程參數(shù)來(lái)編寫加工程序。在五軸聯(lián)動(dòng)的編程中，手工編程一般不可實(shí)現(xiàn)，通常要借助一些帶有五軸編程功能的cad／cam軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。這里是選用了unigraphics編程軟件的cam部分的多軸編程模塊進(jìn)行自動(dòng)編程的。
④對(duì)于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點(diǎn)，它直接影響到工件加工的精度、質(zhì)量和效率。在此例中是通過(guò)驅(qū)動(dòng)曲面來(lái)控制刀軸的連續(xù)變化的。
2.4 建造多軸后置處理
（1）后置處理的作用
cam軟件在對(duì)工件進(jìn)行刀具路徑計(jì)算時(shí)是假定工件不動(dòng)，刀具根據(jù)工件上需加工的空間點(diǎn)圍繞工件轉(zhuǎn)動(dòng)。后置處理時(shí)再將刀具路徑按照機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成符合設(shè)定的機(jī)床結(jié)構(gòu)的程序代碼。
（2）后置處理的構(gòu)造
在進(jìn)行多軸程序的后置處理時(shí)，通常要構(gòu)建一個(gè)與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)相同、符合數(shù)控系統(tǒng)指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)的后置處理。進(jìn)入unigraphics后置處理構(gòu)造器，按照此數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)的指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)后置處理，構(gòu)造完成后將其保存（圖4）。
圖4 后置處理的構(gòu)造
2.5 后置處理刀位程序
將自動(dòng)編程編制好的刀位程序按照的后處理轉(zhuǎn)換成本數(shù)控機(jī)床能讀取的標(biāo)準(zhǔn)g代碼。
2.6 程序校驗(yàn)
完成上面所有工序之后，對(duì)程序進(jìn)行校驗(yàn)。在unigraphics中自建一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，把汽車模型按照實(shí)際在機(jī)床上擺放的位置做在里面，在軟件中進(jìn)行模擬加工。
2.7 加工程序
模擬實(shí)驗(yàn)完成后開始后置處理所編制的程序。部分加工程序如下：
2.8 機(jī)床實(shí)際加工
將卡具安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，讓卡具的回轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心一致，再把小汽車固定在卡具上。根據(jù)編程時(shí)的加工原點(diǎn)進(jìn)行對(duì)刀設(shè)定，在機(jī)床的操作中選用g55定位標(biāo)準(zhǔn)。
小轎車的粗加工、半精加工、精加工按照上表的工藝參數(shù)進(jìn)行操作。在加工過(guò)程中，擺動(dòng)軸在-120°～120°范圍內(nèi)連續(xù)擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)軸在0°～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，加上三個(gè)直線軸的配合，刀具可以加工一些倒扣的曲面，而且刀具在加工過(guò)程中避免了刀尖點(diǎn)零線速度的切削，加工精度達(dá)到0.01 mm。