從五軸CNC機(jī)械加工看五軸數(shù)控纏繞機(jī)

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在數(shù)控加工領(lǐng)域，5軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)？

先看下面的圖，這是3軸聯(lián)動(dòng)的示意圖：

這個(gè)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(gè)坐標(biāo)上運(yùn)動(dòng)，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(lái)完成整個(gè)精加工是不夠的。在這種情況下，差的表面質(zhì)量和較長(zhǎng)的加工時(shí)間隨之而來(lái)。
圖中顯示三軸刀具的路徑，最短的刀具都長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，以期在垂直的方向能夠加工到工件的所有區(qū)域。

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刀具越長(zhǎng)，最終加工誤差就越大。為了實(shí)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(shí)，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(shí)，需要在主軸上再引入兩個(gè)軸，以實(shí)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(gè)對(duì)主軸的常量角度。復(fù)雜工件可能要求許多個(gè)傾斜視圖以覆蓋整個(gè)工件，但這樣會(huì)導(dǎo)致刀具路徑重疊，從而增加加工時(shí)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(huì)增加，同時(shí)還極大地增多了進(jìn)出動(dòng)作，常常導(dǎo)致表面質(zhì)量問(wèn)題和更多的刀具運(yùn)動(dòng)。
在這種方式下編程會(huì)產(chǎn)生相互干涉而且很費(fèi)時(shí)，，編程會(huì)產(chǎn)生相互干涉而且很費(fèi)時(shí)，所有視圖的總和也常常不能覆蓋整個(gè)幾何形狀。
圖中示范了四個(gè)工件視圖，但工件中心仍有一個(gè)區(qū)域未能覆蓋到，這個(gè)區(qū)域仍需要一個(gè)額外的傾斜視圖。

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為了克服3+2軸加工的缺點(diǎn)，五軸聯(lián)動(dòng)加工可能是一個(gè)更好的選擇。

五軸聯(lián)動(dòng)加工能協(xié)調(diào)三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸使它們同時(shí)動(dòng)作，解決了三軸和3+2軸加工的所有問(wèn)題，刀具可以非常短，不會(huì)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(wú)須額外的導(dǎo)入導(dǎo)出。

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如同數(shù)控加工一樣，纖維纏繞任意回轉(zhuǎn)體時(shí)，只需要三軸（主軸旋轉(zhuǎn)、小車直線移動(dòng)、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(gè)坐標(biāo)。那么為什么還要開發(fā)四軸和五軸纏繞機(jī)來(lái)應(yīng)用于纏繞回轉(zhuǎn)體呢？
這里我們先介紹兩個(gè)概念：
落紗點(diǎn)：落紗點(diǎn)是指單根纖維纏繞到芯模上時(shí)，與芯模表面接觸的那個(gè)點(diǎn)。
落紗線：落紗線是指一束纖維纏繞到芯模上時(shí)，由每根纖維的落紗點(diǎn)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(shí)，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(guó)現(xiàn)已公布的纏繞規(guī)律，無(wú)論是教科書還是專著，都只討論了單根纖維纏繞時(shí)的落紗點(diǎn)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(bào)，《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(duì)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(diǎn)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(dòng)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(bào)道，我國(guó)現(xiàn)有纏繞機(jī)，最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)只有用于回轉(zhuǎn)體纏繞的4軸聯(lián)動(dòng)（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(dòng)（主軸A，小車X，伸臂Y，升降Z，擺頭A），而未見有國(guó)外所報(bào)道具有“拐臂”機(jī)構(gòu)的5軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)體纏繞機(jī)。
結(jié)合國(guó)外報(bào)道的具有“拐臂”機(jī)構(gòu)的5軸聯(lián)動(dòng)回轉(zhuǎn)體纏繞機(jī)分析，既然對(duì)于回轉(zhuǎn)體而言，3軸已能完成所有主坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，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(jì)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(jì)數(shù)控纏繞機(jī)，算法應(yīng)該是靈魂之所在。多軸不是難點(diǎn)，多軸聯(lián)動(dòng)才是難點(diǎn)。多軸聯(lián)動(dòng)不是目的，多軸聯(lián)動(dòng)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(gè)電機(jī)，管它動(dòng)不動(dòng)，管他動(dòng)了有沒(méi)有聯(lián)動(dòng)，管他聯(lián)動(dòng)了對(duì)纏繞有沒(méi)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(diǎn)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(shí)際的偏差巨大，解決他們的問(wèn)題是多軸纏繞機(jī)的發(fā)展方向。

biyebo

個(gè)人感覺(jué)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(shí)代已經(jīng)在悄然淡去（當(dāng)然滅絕也不可能）。