從五軸CNC機(jī)械加工看五軸數(shù)控纏繞機(jī)

bamstone

在數(shù)控加工領(lǐng)域，5軸聯(lián)動的CNC加工中心，是現(xiàn)階段高端加工設(shè)備之一。
那么在數(shù)控加工領(lǐng)域，為什么需要5軸聯(lián)動？

先看下面的圖，這是3軸聯(lián)動的示意圖：

這個圖中我們可以看到，理想狀態(tài)下，數(shù)控加工中心只需要刀具在X、Y、Z三個坐標(biāo)上運動，就可以遍歷三維空間內(nèi)的所有坐標(biāo)，完成加工要求。

如果工件型腔很深并有很窄的部位，使用純粹的三軸刀具路徑來完成整個精加工是不夠的。在這種情況下，差的表面質(zhì)量和較長的加工時間隨之而來。
圖中顯示三軸刀具的路徑，最短的刀具都長度必須很長，以期在垂直的方向能夠加工到工件的所有區(qū)域。

bamstone

刀具越長，最終加工誤差就越大。為了實現(xiàn)高精度加工，需要盡量采用短刀具加工。
采用較短的刀具時，主軸應(yīng)傾斜，以保證工件的特殊區(qū)域也能被加工到。
這時，需要在主軸上再引入兩個軸，以實現(xiàn)主軸的任意角度傾斜。

下圖所示的就是3+2加工的示意：


3+2軸加工通常被是設(shè)置一個對主軸的常量角度。復(fù)雜工件可能要求許多個傾斜視圖以覆蓋整個工件，但這樣會導(dǎo)致刀具路徑重疊，從而增加加工時間。
另外，所有的傾斜視圖也很難準(zhǔn)確結(jié)合，因而手工打磨的工作量會增加，同時還極大地增多了進(jìn)出動作，常常導(dǎo)致表面質(zhì)量問題和更多的刀具運動。
在這種方式下編程會產(chǎn)生相互干涉而且很費時，，編程會產(chǎn)生相互干涉而且很費時，所有視圖的總和也常常不能覆蓋整個幾何形狀。
圖中示范了四個工件視圖，但工件中心仍有一個區(qū)域未能覆蓋到，這個區(qū)域仍需要一個額外的傾斜視圖。

bamstone

為了克服3+2軸加工的缺點，五軸聯(lián)動加工可能是一個更好的選擇。

五軸聯(lián)動加工能協(xié)調(diào)三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸使它們同時動作，解決了三軸和3+2軸加工的所有問題，刀具可以非常短，不會產(chǎn)生視圖重疊現(xiàn)象，遺漏加工區(qū)域的可能性更小，加工可以連續(xù)進(jìn)行而無須額外的導(dǎo)入導(dǎo)出。

bamstone

如同數(shù)控加工一樣，纖維纏繞任意回轉(zhuǎn)體時，只需要三軸（主軸旋轉(zhuǎn)、小車直線移動、導(dǎo)絲頭伸臂）就可以遍歷回轉(zhuǎn)體三維空間內(nèi)的每一個坐標(biāo)。那么為什么還要開發(fā)四軸和五軸纏繞機(jī)來應(yīng)用于纏繞回轉(zhuǎn)體呢？
這里我們先介紹兩個概念：
落紗點：落紗點是指單根纖維纏繞到芯模上時，與芯模表面接觸的那個點。
落紗線：落紗線是指一束纖維纏繞到芯模上時，由每根纖維的落紗點連成的一條空間曲線。
在某些特殊情況下，如兩軸纏繞機(jī)纏繞管道時，落紗線是一條直線。但是，在大多數(shù)普遍情況下，落紗線都是一條空間曲線。
我國現(xiàn)已公布的纏繞規(guī)律，無論是教科書還是專著，都只討論了單根纖維纏繞時的落紗點的軌跡坐標(biāo)。已公布的4軸纏繞規(guī)律（1996年，上海大學(xué)學(xué)報，《微機(jī)控制纖維纏繞機(jī)四坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型的研究》），對于擺角A坐標(biāo)的推導(dǎo)基于的是“纖維與繞絲嘴滑絲杠交點處張力的合力與滑絲杠垂直，以防止纖維在繞絲嘴滑絲杠上的滑動導(dǎo)致的不規(guī)則滑線”，其本質(zhì)與三軸半纏繞機(jī)一致，只是控制更為穩(wěn)定。
據(jù)報道，我國現(xiàn)有纏繞機(jī)，最大聯(lián)動軸數(shù)只有用于回轉(zhuǎn)體纏繞的4軸聯(lián)動（主軸A，小車X，伸臂Y，擺頭A）和用于非回轉(zhuǎn)體纏繞的5軸聯(lián)動（主軸A，小車X，伸臂Y，升降Z，擺頭A），而未見有國外所報道具有“拐臂”機(jī)構(gòu)的5軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)體纏繞機(jī)。
結(jié)合國外報道的具有“拐臂”機(jī)構(gòu)的5軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)體纏繞機(jī)分析，既然對于回轉(zhuǎn)體而言，3軸已能完成所有主坐標(biāo)運動，第4軸和第5軸的主要作用就應(yīng)該是展紗。而展紗算法的依據(jù)自然應(yīng)該是”使落紗線鋪展更均勻“。以此為依據(jù)設(shè)計纏繞算法，才能最大的發(fā)揮第4軸和第5軸的功能；否則，最多也只相當(dāng)于CNC加工領(lǐng)域3+2的階段。
設(shè)計數(shù)控纏繞機(jī)，算法應(yīng)該是靈魂之所在。多軸不是難點，多軸聯(lián)動才是難點。多軸聯(lián)動不是目的，多軸聯(lián)動更好的纏繞制品才是目的。要不然，難道買一套西門子的840D，配8個電機(jī)，管它動不動，管他動了有沒有聯(lián)動，管他聯(lián)動了對纏繞有沒有用，就是8軸纏繞機(jī)了？

且聽風(fēng)吟

哈哈，受教。

神仙姐姐

好貼！

hhqrhh

有啟發(fā)。減少吐絲嘴和落紗點的距離是提高纏繞精度的有效手段之一。
當(dāng)紗線較寬，各線空間包絡(luò)軌跡不一致，理論和實際的偏差巨大，解決他們的問題是多軸纏繞機(jī)的發(fā)展方向。

biyebo

個人感覺五軸CNC加工模具是以后復(fù)合材料模具發(fā)展的大方向，手工制造木模的時代已經(jīng)在悄然淡去（當(dāng)然滅絕也不可能）。