关于非RTCP功能五轴机床编程处理方法的研究

张洲硕

（辽宁丰田金杯技师学院，辽宁 沈阳 110015）

1 RTCP功能及其特点

1.1 五轴机床的RTCP功能

通常五轴机床可以进行3+2 定位加工和五轴联动加工，具备定位和联动加工能力的五轴机床一般被称为真五轴，而只具备3+2 定位加工能力的五轴机床则称为假五轴。在所谓的真五轴机床中还存在带RTCP 功能和非RTCP 功能2 类。这里提出的RTCP 即是Rotated Tool Center Point，也就是我们常说的刀尖点跟随功能[1]。准确来说RTCP是对双摆头结构的五轴机床刀尖跟随功能的称呼，而针对双转台的刀尖跟随功能则称为RPCP。当然其他结构的五轴机床刀尖点跟随功能的名称也不相同，但由于所实现的功能一样所以统称为RTCP功能。

五轴加工是在三轴加工的基础上增加了2 个旋转坐标运动，所以在加工过程中刀具的姿态是不断发生变化的，不会像三轴加工时那样始终与机床坐标系統的Z 方向保持一致。这2 个旋转坐标我们称为第四轴和第五轴，在第四和第五轴上有参与运动计算的2 个控制点，当发生旋转时这2 个控制点相对于编程坐标系统会产生空间变化。如果这个空间变化数据不计算到数控程序中的话，就意味着程序要运行到的目标点会发生偏移。当五轴机床具备RPCP 功能时这个空间变化数据会通过数控系统自动时时的计算在数控程序中，使刀具在变换姿态的过程中刀尖保持跟随目标点。如图1 所示，在A 轴-45°，C 轴270°时，左侧为RTCP 开启时刀具在坐标点X0Y0Z0的位置状态，右侧为非RTCP 时刀具在坐标点X0Y0Z0的位置状态。可以明显的看出非RTCP 状态下刀具没有对点X0Y0Z0进行准确的跟随定位。

1.2 RTCP功能的特点

通过图1 可以看出RTCP 功能可以自动补偿因多轴旋转所造成的位置偏移。如果机床不具备RTCP 功能这个偏移量就需要我们在编程和机床操作中进行人工补偿，因此工件的安装位置不可以随意装夹，最好使毛坯中心和转台的轴心线相重合。这样便增加了辅助时间，同时加工精度也有一定的损失。经过对比不难看出一旦拥有RTCP 功能，数控程序的编制和加工时的工艺处理就变得和三轴机床一样简单，可以说RTCP 功能是一项能为客户带来效益和创造价值的技术，这是RTCP 最大的优势。但是这一功能的机床成本过高，通常使得五轴加工中心价格差1 倍，这就给很多企业在生产选择上造成了很大的困难。

图1 RTCP 与非RTCP 状态下的刀具空间位置

了解到了RTCP 功能的特点，我们发现其实并非在所有的加工生产中都要用到这个昂贵的功能。除去少部分形状结构和精度要求极高的特殊零件外，大部分的零件加工非RTCP 功能机床都可以胜任。例如在单件生产时，虽然非RTCP 功能的机床所需要的辅助时间较长，但该种单件效率的损失并不会给最终的效益产生太大的影响。而在批量生产中过长的辅助时间问题完全可以通过专用的限位夹具来解决。那么接下来我们就来详细的研究一下非RTCP 功能的五轴机床加工时要处理的一些问题。

2 非RTCP功能五轴机床的加工处理流程

编程加工前首先测量出机床第四轴回转中心相对机床零点和第五轴回转中心相对第四轴回转中心在X、Y、Z 方向的坐标偏移量。将测量的各个坐标偏移量添加到CAM 系统的后处理中完成后置文件的制作。然后将工件在机床上进行装夹，并测量出工件对刀点与第五轴回转中心的坐标偏移量。记录该偏移量，在CAM 系统编程时将编程坐标系按该偏移量进行偏移，用偏移出的新坐标系做为编程坐标系来计算加工刀路。最后用开始时制作的后置文件处理刀路生成NC 程序传入机床运行加工。

3 非RTCP功能五轴机床的编程处理方法

3.1 非RTCP五轴机床的机床零点及四、五轴旋转中心

前面提到四、五轴的旋转造成了刀具空间位置的偏移，如果我们可以测量出这个偏移量的大小，然后在程序后处理中把这个偏移量添加进去就可以实现类似于RTCP 的补偿功能。因此就必须了解机床的零点及第四、五轴的旋转中心。

以双转台结构的五轴机床为例，在五轴机床中自身回转运动关联另一个旋转轴的旋转轴称为第四轴，自身回转运动不关联另一个旋转轴的称为第五轴[2]。如果第四轴与第五轴相交，则交点就是第四轴的回转中心，如果不相交，第四轴轴线的中点就是其回转中心。第五轴回转中心在回转工作台表面与第五轴轴线的交点上。机床零点一般设置在第五轴回转中心、第四轴回转中心或者机床的行程终点上。

3.2 非RTCP五轴机床中心距的测量

如图2 所示，确定了机床零点和第四、五轴等机床结构信息，我们就可以测量出第四轴轴线相对于机床0 点和第五轴回转中心在Z 方向的偏置距离H，以及第四轴轴线相对于机床零点和第五轴回转中心在Y 方向的偏置距离L，由于图2 中的机床第四轴和第五轴的回转中心都在Y 方向上，所以第四轴轴线相对于机床零点和第五轴回转中心在X 方向的偏置距离为0。

测量五轴机床中心距时，将基准棒安装在机床主轴上，用跳动表找正，仔细调整基准棒使跳动保证在0.01 以内，通常越小越好。如图2 所示，先将第四轴摇篮摆到+90°位置，用基准棒慢慢靠近第五轴工作台并用塞尺做好测量。当基准棒刚好接触到第五轴工作台时，记录机床显示屏上当前位置下基准棒在Y 方向上的坐标值Y1。再将第四轴摇篮摆到-90°位置，用同样的方法记录基准棒在Y 方向上的坐标值Y2。这样利用（Y1+Y2）/2 就可以得到第四轴回转中心的Y 方向坐标值Y3。再用Y3减去Y1后加上基准棒的半径和塞尺厚度就得到了第四轴轴线相对于机床零点和第五轴回转中心在Z 方向的偏置距离H[3]。

测量第四轴轴线相对于机床零点和第五轴回转中心在Y方向的偏置距离L 时，将跳动表安装在主轴上去找正第五轴工作台的中心孔，然后用基准棒慢慢靠近，记录第五轴回转中心的在Y 方向上的坐标值Y4。利用Y3减去Y4就可以得到第四轴轴线相对于机床零点和第五轴回转中心在Y 方向的偏置距离L。

以西门子NX 的CAM 系统为例，将Z 方向偏置距离H 和Y 方向偏置距离L 及X 方向偏置距离零，分别输入到图3 所示的CAM 系统的后处理构造器中完成后置文件的制作[4]。其他CAM 系统也都类似的将偏置数据填入其后处理器中即可。

图2 五轴机床中心距的测量

图3 CAM 系统的后处理构造器偏置距离的修改

图4 双摆头五轴机床的摆长和刀长

这样处理后工件在机床上的安装位置就无须像以前那样必须放在回转工作台的中心，可以在工作台上任意位置安装，如图1 所示。但是需要注意的是该种处理非RTCP 功能五轴机床的方法，在机床结构是双转台或一转台一摆头时，编程前要先装夹工件，并测量出工件对刀点与第五轴回转中心的坐标偏移量，以备编程时确定编程坐标系的位置[5]。程序一旦生成工件不加工结束绝对不可以从工作台上拆下。但在批量生产中这种情况可以使用专用夹具来解决安装找正的问题，无论从效率还是经济性角度都是很好的解决方案。

对于双摆头结构的非RTCP 功能五轴机床在编程处理上比双转台结构的机床要简单很多，只需要测量出摆头的摆长和刀具的装夹长度即可，无须测量机床第四轴回转中心相对机床零点和第五轴回转中心相对第四轴回转中心在X、Y、Z方向的坐标偏移量，这里的摆长通常是指双摆头五轴机床的枢轴长度，图4 为第五轴0 点到主轴端面的长度。刀长为主轴端面到刀尖的长度。测量出摆长和刀长信息后，将摆长信息输入图5中的CAM系统后处理构造器的枢轴距离中完成双摆头机床的后置文件设置。

图5 CAM 系统的后处理构造器枢轴距离的修改

刀长则如图6 所示，在编程时填入CAM 编程软件的刀具Z方向偏置中即可。此时零件在工作台可任意位置安装且无须像双转台机床那样必须先安装工件后编制程序。对刀操作方法与三轴机床对刀方式完全相同，工件无须编程前先装夹在工作台上，也无需测量出工件对刀点与机床零点的坐标偏移量。程序一旦生成工件即使没有加工结束也可以从工作台上拆下，相对于双转台和一转台一摆头类型的非RTCP 功能五轴机床来说处理程序更加灵活。

图6 CAM 编程软件刀具Z 方向偏置的修改

4 结语

通过对非RTCP 功能五轴机床编程处理的分析，我们可以发现其实对于很多企业来说无须盲目追新去升级昂贵的五轴机床设备，同样可以满足自身的生产需求。利用非RTCP功能五轴机床编程处理的方法，可以极大地节省生产成本，并且有效地避免资源的浪费。