Действительно ли вы достаточно хорошо разбираетесь в пятиосевой обработке? Полное разъяснение всех аспектов пятиосевой обработки!

 

 

В последние годы пятиосевые обрабатывающие центры с ЧПУ всё шире применяются в самых различных отраслях. На практике, каждый раз, когда возникают сложные задачи по высокопроизводительному и высококачественному обработке деталей сложной формы, пятиосевая технология несомненно выступает важным инструментом для их решения. Всё больше производственных предприятий отдают предпочтение приобретению пятиосевого оборудования, чтобы обеспечить высокую эффективность и высокое качество обработки. Однако насколько хорошо вы действительно знакомы с пятиосевой обработкой?

Краткое резюме преимуществ и недостатков истинной и условной пятиосевой обработки:

 

01 Конструктивная схема механической части пятиосевого станка

Чтобы по-настоящему понять пятиосевую обработку, прежде всего необходимо разобраться, что такое пятиосевой станок. Пятиосевой станок (5 Axis Machining), как следует из названия, представляет собой оборудование, в котором к трем традиционным линейным осям X, Y и Z добавлены две поворотные оси — A, B и C. При этом две из этих поворотных осей — A и B — имеют различный характер движения, что позволяет удовлетворять технические требования самых разнообразных изделий.

В области механического проектирования пятиосевых обрабатывающих центров производители станков неустанно стремятся разрабатывать новые режимы движения, чтобы удовлетворять самые разнообразные требования. Если рассмотреть все существующие на рынке типы пятиосевых станков, то, несмотря на многообразие их механических конструкций, можно выделить следующие основные варианты:

 

1. Две поворотные координаты непосредственно управляют направлением оси инструмента (вариант с двумя поворотными головками).

 

 

2. Две координатные оси находятся в верхней части инструмента, однако поворотная ось не перпендикулярна прямолинейной оси (тип с наклонной головкой).

 

3. Две вращающиеся координаты непосредственно управляют вращением пространства (в виде двух поворотных столиков).

 

 

4. Две координатные оси расположены на рабочем столе, но поворотная ось не перпендикулярна линейным осям (стол с наклонной поверхностью).

 

 

5. Две вращательные координаты: одна воздействует на инструмент, другая — на заготовку (форма «один качающийся — один вращающийся»).

 

*Термин: если ось вращения не перпендикулярна прямой оси, то она считается «наклонной» осью.

 

После ознакомления с различными конструкциями пятикоординатных станков, я уверен, что теперь нам ясно, какие движения осуществляются на таких станках и как именно они выполняются. Однако при столь разнообразных конструкциях, какими же именно особенностями они обладают в процессе обработки? И какие преимущества они предоставляют по сравнению с традиционными трёхкоординатными станками? Далее мы рассмотрим, в чём заключаются ключевые достоинства пятикоординатных станков.

 

Многочисленные преимущества пятиосевой обработки

 

Когда речь заходит о характеристиках пятиосевых станков, их необходимо сравнивать с традиционными трёхосевыми устройствами. В производстве трёхосевые обрабатывающие центры встречаются наиболее часто; они выпускаются в вертикальном, горизонтальном и портально-стоечном исполнении. К распространённым методам обработки относятся фрезерование торцом концевой фрезой, боковое фрезерование, а также профильная обработка шарообразными фрезами и т. п. Однако независимо от конструктивного исполнения и применяемых методов у всех них есть одна общая особенность: во время обработки направление оси инструмента остаётся неизменным, и станок может обеспечивать перемещение инструмента в пространственной прямоугольной системе координат лишь за счёт интерполяции по трём линейным осям — X, Y и Z. Поэтому при обработке таких изделий, как перечисленные ниже, недостатки трёхосевых станков — низкая производительность, плохое качество обработанной поверхности и даже невозможность выполнения обработки — становятся особенно очевидными.

 

 

По сравнению с трёхкоординатным станком с ЧПУ пятикоординатный станок с ЧПУ обладает следующими преимуществами:

 

1. Поддерживать оптимальное состояние режущего инструмента и улучшать условия резания.

 

 

Как показано на рисунке выше, в случае трёхосного фрезерования, изображённом слева, по мере перемещения режущего инструмента к вершине или к краю заготовки условия резания постепенно ухудшаются. Чтобы и в этих зонах поддерживать оптимальные условия резания, необходимо поворачивать рабочий стол. А если требуется полностью обработать неровную поверхность, рабочий стол придётся многократно поворачивать в разных направлениях. Как видно, пятиосевой станок также позволяет избежать ситуации, когда линейная скорость точки центра шарообразной фрезы равна нулю, что обеспечивает более высокое качество обработанной поверхности.

 

2. Эффективное предотвращение столкновения инструмента

 

 

Как показано на рисунке выше, для деталей, применяемых в аэрокосмической отрасли — таких как рабочие колёса, лопатки и монолитные диски с лопатками — трёхкоординатное оборудование из-за проблем с интерференцией не способно удовлетворить технологические требования. В то же время пятикоординатный станок справляется с этой задачей. Кроме того, пятикоординатный станок позволяет использовать более короткие инструменты, что повышает жёсткость системы, сокращает количество инструментов и исключает необходимость в производстве специализированных инструментов. Для руководителей наших предприятий это означает, что пятикоординатный станок позволит сэкономить на расходах на инструмент!

 

3. Сократить количество установок — выполнить обработку пяти поверхностей за одну установку.

 

 

 

Как видно из приведённого выше рисунка, пятиосевой обрабатывающий центр также позволяет сократить число переходов между базами и повысить точность обработки. В реальных условиях обработки достаточно одного закрепления детали, что значительно упрощает обеспечение требуемой точности. Кроме того, благодаря сокращению технологической цепочки и уменьшению числа станков на производстве снижаются объёмы оснастки и приспособлений, занимаемая площадь цеха и расходы на техническое обслуживание оборудования. Это означает, что вы сможете осуществлять более эффективную и высококачественную обработку, используя меньше приспособлений, меньшую площадь производственных помещений и меньшие затраты на обслуживание!

 

Как показано на рисунке, пятиосевой станок может осуществлять обработку с использованием бокового лезвия инструмента, что повышает производительность.

 

 

5. Сокращение производственной цепочки и упрощение управления производством

 

Полноценная обработка на пятикоординатном станке с ЧПУ значительно сокращает производственный технологический цикл и позволяет упростить управление производством и планирование графика выпуска продукции. Чем сложнее деталь, тем очевиднее становятся преимущества такого подхода по сравнению с традиционными методами производства, характеризующимися разобщённостью операций.

 

6. Сокращение цикла разработки новых продуктов

 

Для предприятий авиакосмической отрасли, автомобильной промышленности и других сфер существуют новые детали и формообразующие штампы весьма сложной конфигурации с крайне высокими требованиями к точности; поэтому пятикоординатные обрабатывающие центры с высокой гибкостью, высокой точностью, высокой степенью интеграции и полным комплексом технологических возможностей эффективно решают задачи обеспечения требуемой точности и сокращения сроков обработки сложных деталей в процессе разработки новых продуктов, что значительно сокращает цикл НИОКР и повышает вероятность успешного вывода новых изделий на рынок.

 

Подводя итог, можно сказать, что пятиосевые станки обладают чрезвычайно большим числом преимуществ; однако управление ориентацией инструмента, ЧПУ‑система, CAM‑программирование и постпроцессинг на таких станках значительно сложнее, чем на трёхосных. В то же время, говоря о пятиосевых станках, невозможно не затронуть вопрос «настоящих» и «ложных» пятиосевых: как известно, главным отличием между ними является функция RTCP. Но что такое RTCP, как она возникает и как её следует применять? Далее мы подробно рассмотрим RTCP в контексте конструкции станка, программирования и постпроцессинга, чтобы вскрыть её истинную сущность.

 

03 О RTCP

 

RTCP в высококлассных пятиосевых ЧПУ-системах трактуется как Rotated Tool Center Point, то есть, как широко известная функция слежения за точкой наконечника инструмента. При пятиосевой обработке, когда требуется точно воспроизвести траекторию точки наконечника инструмента и задать ориентацию инструмента относительно заготовки, в результате вращательного движения возникает дополнительное перемещение этой точки. При этом управляющая точка ЧПУ часто не совпадает с точкой наконечника инструмента; поэтому система автоматически корректирует положение управляющей точки, чтобы обеспечить движение точки наконечника по заданной программой траектории. В отрасли данную технологию также называют TCPM, TCPC или RPCP — эти термины обозначают функции, по сути аналогичные RTCP. Строго говоря, функция RTCP применяется в станках с двумя поворотными головками и реализует компенсацию за счёт центра вращения поворотной головки. В свою очередь, функция, подобная RPCP, преимущественно используется на станках с двумя поворотными столами и обеспечивает компенсацию изменений координат прямолинейных осей, вызванных вращением заготовки. По сути, все эти функции преследуют одну и ту же цель — сохранить неизменным положение центра инструмента и точку его фактического контакта с поверхностью заготовки. Поэтому, для удобства изложения, в настоящей статье все подобные технологии объединяются под термином «технология RTCP».

 

 

 

Так как же появилась функция RTCP? Много лет назад, когда пятиосевые станки только начали широко внедряться на рынке, производители станков активно рекламировали концепцию RTCP. В то время эта функция воспринималась скорее как чисто технологический тренд — больше внимания уделялось самой технологии и её популяризации, чем практическому применению. На самом деле всё обстоит ровно наоборот: RTCP — это не просто хорошая технология, а именно та технология, которая приносит клиентам реальную выгоду и создаёт добавленную стоимость. Станок, оснащённый технологией RTCP (то есть, как его называют в Китае, «настоящий пятиосевой станок»), позволяет оператору не выверять точное совмещение заготовки с осью поворотного стола — достаточно произвольно закрепить деталь, а станок автоматически компенсирует отклонения, что значительно сокращает вспомогательное время и одновременно повышает точность обработки. Кроме того, постпроцессинг становится гораздо проще: достаточно генерировать лишь координаты точки режущего инструмента и соответствующие векторы. Как мы уже упоминали, в механической конструкции пятиосевые станки с ЧПУ в основном имеют такие варианты исполнения, как двойная поворотная головка, двойной поворотный стол или комбинация одной поворотной головки и одного поворотного стола.

 

Далее на примере высококлассной пятиосевой системы ЧПУ с двумя поворотными столами мы подробно расскажем о функции RTCP.

 

В пятиосевых станках вводятся понятия четвёртой и пятой осей: при использовании двухповернутого стола вращение четвёртой оси влияет на ориентацию пятой оси, тогда как вращение пятой оси не влияет на ориентацию четвёртой оси. Пятая ось представляет собой угловую координату вращения относительно четвёртой оси.

 

 

Итак, после рассмотрения определений перейдём к пояснению. Как показано на рисунке выше, четвёртая ось станка — это ось A, а пятая — это ось C. Обрабатываемая деталь устанавливается на поворотном столе оси C. Когда вращается ось A (четвёртая ось), поскольку ось C монтируется на оси A, ориентация оси C также изменяется. Аналогично, если мы программируем обработку с учётом центра инструмента для детали, установленной на поворотном столе, то при изменении углов поворота координатных осей X, Y и Z неизбежно возникнет относительное смещение. Чтобы компенсировать это смещение, станок должен выполнить соответствующую коррекцию; функция RTCP как раз и предназначена для устранения этой коррекции.

 

Так как же станок компенсирует этот сдвиг? Далее мы проанализируем, как именно возникает этот сдвиг.

 

 

Как было отмечено выше, смещение координат прямолинейных осей обусловлено изменением системы вращающихся координат. В этой связи особенно важным становится анализ центра вращения вращающейся оси. В станках с двумя поворотными столами точкой управления осью C — то есть пятой осью — обычно является центр вращения рабочего стола станка, тогда как для четвёртой оси в качестве точки управления чаще всего выбирают середину осевой линии этой оси.

 

 

Для реализации пятиосевого управления числовым программным управлением необходимо знать взаимосвязь между точкой управления по пятой оси и точкой управления по четвёртой оси. То есть, в исходном состоянии (при нулевом положении осей A и C станка) в системе координат вращения четвёртой оси, где точка управления по четвёртой оси является началом координат, требуется задать вектор положения точки управления по пятой оси [U, V, W]. Кроме того, необходимо также знать расстояние между осями A и C. Для станков с двумя поворотными столами пример приведён на рисунке ниже.

 

Как видно из сказанного, на станках с функцией RTCP система управления обеспечивает постоянное нахождение центра инструмента в запрограммированном положении. В этом случае программирование осуществляется независимо от движения станка — оно не связано с его движением. При программировании на станке вам не нужно учитывать движение станка и длину инструмента; всё, что требуется, — это задать относительное движение между инструментом и заготовкой. Остальную работу за вас выполнит система управления. Например:

 

 

 

Как показано на рисунке выше, при отключённой функции RTCP система управления не учитывает длину инструмента. Инструмент вращается вокруг оси центра. Режущая кромка выходит за пределы своей исходной позиции и перестаёт быть неподвижной.

 

 

Как показано на рисунке выше, при включённой функции RTCP система управления изменяет только направление инструмента, тогда как положение режущей кромки остаётся неизменным. Необходимые компенсационные перемещения по осям X, Y и Z автоматически учитываются в расчётах.

А как же решается проблема смещения координат прямолинейных осей на пятиосевых станках и ЧПУ-системах, не оснащённых RTCP? Как известно, сегодня многие отечественные пятиосевые станки и системы относятся к категории «ложных пятиосевых»; под этим термином понимают станки, не имеющие функции RTCP. Различие между «истинными» и «ложными» пятиосевыми системами определяется не внешним видом и не числом активных осей, поскольку даже «ложные» пятиосевые станки способны выполнять пятиосевое совместное движение. Главное отличие заключается в том, что такие станки не используют алгоритм RTCP, характерный для «истинных» пятиосевых систем; следовательно, при программировании на «ложном» пятиосевом оборудовании необходимо учитывать длину вылета шпинделя и положение поворотного стола. Это означает, что при работе с «ложными» пятиосевыми ЧПУ-системами и станками требуется заранее планировать траекторию инструмента с помощью CAM-программирования и постпроцессинга.

 

При замене станка или инструмента для одной и той же детали необходимо заново выполнять CAM-программирование и постобработку. Кроме того, при обработке на условном пятиосевом станке при установке заготовки требуется обеспечить её расположение в центре вращения рабочего стола; для оператора это означает значительные затраты времени на установку и юстировку, а точность при этом не гарантируется. Даже при выполнении делительной обработки условный пятиосевой станок требует гораздо больше усилий. В то время как на настоящем пятиосевом станке достаточно задать одну систему координат и произвести лишь один разбор инструмента — и обработка будет завершена.

 

На приведённом ниже рисунке на примере настроек постпроцессора NX объясняется преобразование координат в условном пятиосевом режиме:

 

Как показано на рисунке выше, «фиктивная пятиосевая обработка» основана на использовании постпроцессора для отображения взаимного расположения центров четвёртой и пятой осей станка с целью компенсации смещений координат прямолинейных осей, вызванных вращением этих осей. В результате генерируемый ЧПУ-программный код содержит не только заданные точки подхода по осям X, Y и Z, но и необходимые компенсационные поправки для этих осей. Такой подход приводит к недостаточной точности обработки, низкой производительности, отсутствию универсальности генерируемых программ и значительному увеличению трудозатрат. Кроме того, поскольку параметры поворота у каждого станка различаются, для каждого из них требуется соответствующий файл постпроцессора, что создаёт серьёзные неудобства в производственном процессе. Кроме того, программы, сгенерированные при «фиктивной пятиосевой обработке», невозможно изменить, а ручное программирование на пятиосевом станке практически невозможно. Ввиду отсутствия функции RTCP также невозможна реализация множества продвинутых пятиосевых функций, таких как компенсация радиуса инструмента при пятиосевой обработке. На самом деле для пятиосевого станка он является лишь инструментом, позволяющим добиться требуемого качества обработки — разницы между «реальной» и «фиктивной» пятиосевой обработкой не существует. Главное заключается в том, что выбор конкретного способа обработки определяется технологическим процессом; при этом, по сравнению с «фиктивной» пятиосевой обработкой, «реальный» пятиосевой станок характеризуется более высокой экономической эффективностью.