Полный справочник по пятиосевой обработке
Действительно ли вы достаточно хорошо разбираетесь в пятиосевой обработке? Полное разъяснение всех аспектов пятиосевой обработки!
В последние годы пятиосевые обрабатывающие центры с ЧПУ находят всё более широкое применение в самых разных отраслях. На практике, каждый раз, когда возникают сложные задачи по высокопроизводительной и высококачественной обработке деталей сложной формы, технология пятиосевого управления несомненно становится важным инструментом для их решения. Все больше производителей стремятся приобретать пятиосевые станки, чтобы обеспечить высокую эффективность и качество обработки. Но действительно ли вы достаточно хорошо понимаете пятиосевую обработку?
01 Механическая конструкция пятиосевых станков
Чтобы по-настоящему разобраться в пятиосевой обработке, прежде всего нужно понять, что такое пятиосевой станок. Пятиосевой станок (5 Axis Machining), как следует из названия, представляет собой оборудование, в котором к трем обычным линейным осям X, Y и Z добавлены две поворотные оси. Две из трёх поворотных осей — A, B и C — имеют различный характер движения, что позволяет удовлетворять технические требования самых разных изделий.
В механическом проектировании пятиосевых обрабатывающих центров производители станков неустанно работают над созданием новых режимов движения, чтобы соответствовать самым разнообразным требованиям. Если рассматривать все существующие на рынке типы пятиосевых станков, то, несмотря на большое разнообразие их механических конструкций, можно выделить следующие основные варианты:
1. Две поворотные координаты напрямую управляют направлением оси инструмента (вариант с двумя поворотными головками).
2. Две координатные оси расположены у верхней части инструмента, но поворотная ось не перпендикулярна линейной оси (вариант с наклонной поворотной головкой).
3. Две поворотные координаты напрямую управляют пространственным вращением (вариант с двумя поворотными столами).
4. Две координатные оси расположены на рабочем столе, но поворотная ось не перпендикулярна линейной оси (вариант с наклонным рабочим столом).
5. Две поворотные координаты одна действует на инструмент, другая — на заготовку (вариант «одна поворотная головка — один поворотный стол»).
*Термин: если поворотная ось не перпендикулярна линейной оси, она считается «наклонной» осью.
Рассмотрев эти конструкции пятиосевых станков, я уверен, что теперь мы понимаем, какие именно движения выполняет пятиосевой станок и как именно они осуществляются. Но какие же особенности проявляются при обработке на таких разнообразных станках? И чем они выгодно отличаются от традиционных трёхосевых станков? Далее мы рассмотрим, в чём заключаются основные преимущества пятиосевых станков.
Многочисленные преимущества пятиосевой обработки
Говоря об особенностях пятиосевых станков, необходимо сравнить их с традиционными трёхосевыми устройствами. В производстве трёхосевые станки используются довольно часто; они бывают вертикальными, горизонтальными и портальными. Распространённые методы обработки включают торцевое фрезерование концом торцевой фрезы, боковое фрезерование, а также формообразующее фрезерование шарообразной фрезой и т. д. Однако независимо от типа станка и используемого метода у них есть общая черта: во время обработки направление оси инструмента остаётся неизменным, и станок может перемещать инструмент в пространственной прямоугольной системе координат только за счёт интерполяции трёх линейных осей X, Y и Z. Поэтому при обработке таких изделий, как нижеперечисленные, трёхосевые станки демонстрируют низкую эффективность, плохое качество поверхности или даже вовсе не могут выполнить обработку.
По сравнению с трёхосевыми станками с ЧПУ, пятиосевые станки с ЧПУ обладают следующими преимуществами:
1. Поддержание оптимального состояния резания инструмента и улучшение условий резания
Как видно на рисунке, на левом изображении при трёхосевой обработке, когда режущий инструмент перемещается к верхней части или к краю заготовки, состояние резания постепенно ухудшается. Чтобы сохранить оптимальное состояние резания в этих зонах, требуется поворотный стол. А если нужно полностью обработать неровную поверхность, 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 лучшее качество поверхности.
2. Эффективное предотвращение столкновений инструмента
Как показано на рисунке, для деталей, применяемых в авиационно-космической отрасли — таких как крыльчатки, лопатки и цельные диски лопаток — трёхосевые станки из-за проблем с коллизиями не могут удовлетворить технологические требования. Пятиосевые станки, напротив, справляются с этой задачей. Кроме того, пятиосевые станки позволяют использовать более короткие инструменты, что повышает жёсткость системы, сокращает количество инструментов и исключает необходимость в специализированных инструментах. Для руководителей предприятий это означает, что пятиосевые станки помогут сэкономить на стоимости инструментов!
3. Сокращение числа установок заготовки: однократная установка позволяет выполнить обработку пяти поверхностей
Как видно на рисунке, пятиосевой обрабатывающий центр также снижает число переходов между базовыми точками, повышая точность обработки. На практике достаточно одной установки заготовки, чтобы точность обработки была легче гарантирована. Кроме того, благодаря сокращению технологической цепочки и уменьшению количества оборудования, сокращается число приспособлений для установки заготовки, площадь цеха и расходы на обслуживание оборудования. Это означает, что с меньшим количеством приспособлений, меньшей площадью цеха и меньшими затратами на обслуживание можно добиться более высокой эффективности и качества обработки!
Как видно на рисунке, пятиосевой станок может выполнять боковое фрезерование инструментом, что повышает производительность.
5. Сокращение технологической цепочки производства и упрощение управления производством
Полноценная обработка на пятиосевом станке с ЧПУ значительно сокращает технологическую цепочку, что упрощает управление производством и планирование. Чем сложнее деталь, тем очевиднее преимущество такого подхода по сравнению с традиционным распределённым производством.
6. Сокращение сроков разработки новых продуктов
Для компаний в авиационно-космической отрасли, автомобильной промышленности и других сферах некоторые новые детали и формы пресс-форм имеют очень сложную геометрию и высокие требования к точности. Поэтому пятиосевой обрабатывающий центр с ЧПУ, обладающий высокой гибкостью, высокой точностью, высокой степенью интеграции и возможностью полноценной обработки, отлично решает проблемы точности и сроков обработки сложных деталей в процессе разработки новых продуктов, значительно сокращая сроки разработки и повышая вероятность успешного выпуска новых изделий.
Таким образом, пятиосевые станки действительно обладают огромным количеством преимуществ, однако управление положением инструмента, система ЧПУ, CAM-программирование и постобработка на пятиосевых станках гораздо сложнее, чем на трёхосевых! Кроме того, говоря о пятиосевых станках, нельзя не упомянуть вопрос подлинности: как известно, главное отличие настоящих пятиосевых станков от «поддельных» заключается в функции RTCP. Но что такое RTCP, как она возникла и как её применять? Далее мы подробно рассмотрим RTCP в контексте конструкции станка, программирования и постобработки, чтобы лучше понять её истинную сущность.
03 О RTCP
RTCP — в высококлассных пятиосевых системах ЧПУ — это Rotated Tool Center Point, то есть так называемая функция слежения за точкой режущего инструмента. При пятиосевой обработке, когда необходимо точно контролировать траекторию точки режущего инструмента и его ориентацию относительно заготовки, из-за вращательного движения возникает дополнительное движение этой точки. Часто точка управления в системе ЧПУ не совпадает с точкой режущего инструмента, поэтому система автоматически корректирует точку управления, чтобы обеспечить движение точки режущего инструмента по заданной траектории. В отрасли эту технологию также называют TCPM, TCPC или RPCP. На самом деле все эти названия обозначают схожие функции, но строго говоря, функция RTCP применяется в конструкциях с двумя поворотными головками и использует компенсацию через центр вращения поворотной головки. Функция RPCP, напротив, чаще применяется в станках с двумя поворотными столами и компенсирует изменения координат линейных осей, вызванные вращением заготовки. По сути, все эти технологии направлены на одно и то же — сохранение постоянства точки центра инструмента и фактической точки контакта инструмента с поверхностью заготовки. Поэтому для удобства в данной статье мы будем называть все эти технологии RTCP.
Так как же возникает функция RTCP? Много лет назад, когда пятиосевые станки только начали распространяться на рынке, концепция RTCP активно продвигалась производителями станков. В то время эта функция воспринималась скорее как маркетинговый ход ради самой технологии, и большинство людей были увлечены самой идеей и её популяризацией. На самом деле всё обстоит совсем иначе: RTCP — это не просто хорошая технология, а технология, которая приносит реальную пользу клиентам и создаёт ценность. Станки, оснащённые RTCP (то есть так называемые «настоящие пятиосевые станки»), позволяют операторам не выравнивать заготовку с осью поворотного стола с большой точностью — достаточно просто установить заготовку, и станок автоматически компенсирует смещение, что значительно сокращает вспомогательное время и одновременно повышает точность обработки. Кроме того, постобработка становится намного проще — достаточно выдать координаты и вектор точки режущего инструмента. Как уже говорилось ранее, в механической конструкции пятиосевые станки с ЧПУ обычно имеют такие варианты, как двойная поворотная головка, два поворотных стола или комбинация «одна поворотная головка — один поворотный стол».
Далее мы подробно рассмотрим функцию RTCP на примере высококлассной пятиосевой системы ЧПУ с двумя поворотными столами.
В пятиосевых станках определяются понятия четвёртой и пятой осей: в конструкции с двумя поворотными столами вращение четвёртой оси влияет на положение пятой оси, тогда как вращение пятой оси не влияет на положение четвёртой оси. Пятая ось является поворотной координатой на четвёртой оси.
Итак, после объяснения определений давайте разберёмся, как это работает. Как видно на рисунке, четвёртая ось станка — это ось A, пятая ось — это ось C. Заготовка устанавливается на поворотном столе, связанном с осью C. Когда вращается ось A, поскольку ось C установлена на оси A, её положение тоже изменяется. Аналогично, если мы программируем резание от центра инструмента по заготовке, изменения поворотных координат неизбежно приведут к изменению координат линейных осей X, Y и Z, что вызовет относительное смещение. Чтобы устранить это смещение, станок должен его компенсировать — именно для этого и существует функция RTCP.
Так как же станок компенсирует это смещение? Далее мы подробно разберём, как именно возникает это смещение.
Как уже отмечалось выше, мы знаем, что смещение линейных координат происходит из-за изменения поворотных координат. Поэтому особенно важно проанализировать центр вращения поворотной оси. В станках с двумя поворотными столами точка управления пятой осью, то есть осью C, обычно находится в центре вращения рабочего стола. А точка управления четвёртой осью, как правило, выбирается в середине оси четвёртой оси.
Система ЧПУ для реализации пятиосевого управления должна знать взаимосвязь между точкой управления пятой осью и точкой управления четвёртой осью. То есть в исходном состоянии (при нулевом положении осей A и C) точка управления четвёртой осью является началом координат в системе координат четвёртой оси, а положение точки управления пятой осью выражается вектором [U, V, W]. Кроме того, необходимо знать расстояние между осями A и C. Для станков с двумя поворотными столами это можно проиллюстрировать на примере, представленном на рисунке.
На этом этапе становится ясно, что в станках с функцией RTCP система управления следит за тем, чтобы точка центра инструмента всегда оставалась в запрограммированном положении. В этом случае программирование осуществляется независимо от движения станка — оно не связано с движением станка. Когда вы программируете на станке, вам не нужно беспокоиться о движении станка или длине инструмента — всё, что нужно учитывать, это относительное движение между инструментом и заготовкой. Остальное система управления сделает за вас. Например:
Как видно на рисунке, без функции RTCP система управления не учитывает длину инструмента.Режущий инструмент вращается вокруг центра оси. Кончик инструмента смещается из своего исходного положения и больше не фиксируется.
Как показано на рисунке выше, при включённой функции RTCP система управления изменяет только направление инструмента, тогда как положение его кончика остаётся неизменным. Необходимые компенсационные перемещения по осям X, Y и Z автоматически учитываются.
А как же решается проблема смещения координат прямолинейных осей на пятиосевых станках и ЧПУ-системах, не имеющих функции RTCP? Как известно, многие отечественные пятиосевые станки и системы относятся к категории «ложных пятиосей» — то есть станков, не оснащённых функцией RTCP. Различие между «истинными» и «ложными» пятиосевыми системами определяется не внешним видом и не числом активных осей, а тем, что ложные пятиоси не обладают алгоритмом RTCP, предусмотренным для настоящих пятиосевых станков. Это означает, что при программировании на таких станках необходимо учитывать длину вылета шпинделя и положение поворотного стола. Следовательно, при работе с ложными пятиосевыми ЧПУ-системами и станками требуется заранее планировать траекторию инструмента с помощью CAM-программирования и постпроцессинга.
Даже если меняется деталь или режущий инструмент, программирование CAM и постпроцессинг должны выполняться заново. Кроме того, при установке заготовки на ложный пятиосевой станок её необходимо размещать точно в центре вращения рабочего стола; для оператора это означает значительные затраты времени на установку и юстировку, а точность при этом не гарантирована. Даже при выполнении делительной обработки ложные пятиоси требуют гораздо больше усилий. В то время как на истинных пятиосевых станках достаточно задать одну систему координат и провести лишь один захват инструмента — и обработка будет завершена.
На следующем рисунке на примере настройки постпроцессора NX показано преобразование координат на ложном пятиосевом станке:
Как видно на рисунке, на ложных пятиосевых станках компенсация смещения координат прямолинейных осей, вызванного вращением вокруг дополнительных осей, осуществляется за счёт постпроцессинга: в результате генерируется CNC-программа, в которой координаты X, Y и Z не просто указывают точки подхода, но также содержат необходимые компенсации по этим осям. Такой подход приводит к недостаточной точности обработки, низкой производительности, неуниверсальности получаемых программ и высоким трудозатратам. При этом, поскольку параметры вращения различаются у каждого станка, для каждого из них требуется соответствующий файл постпроцессинга, что создаёт большие неудобства для производства. Кроме того, программы, сгенерированные на ложных пятиосевых станках, невозможно изменить, поэтому ручное программирование на пятиосевых станках практически невозможно. А отсутствие функции RTCP лишает возможности использовать множество продвинутых функций пятиосевой обработки, таких как коррекция инструмента в пятиосевом режиме. На самом деле пятиосевой станок — это всего лишь инструмент, позволяющий добиться желаемого результата обработки; вопрос о том, «истинный» он или «ложный», не имеет принципиального значения. Главное — это технология обработки, которая определяет выбор способа выполнения работ; при этом истинные пятиосевые станки, как правило, более экономичны.
