五轴联动插补算法的研究与实现

五轴联动加工技术研究与应用发布时间：2022-10-08T09:20:23.565Z 来源：《工程管理前沿》2022年6月第11期作者：梁羽[导读] 五轴联动加工技术在工业领域可以将自身能力有效体现，梁羽沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁省沈阳市110034摘要：五轴联动加工技术在工业领域可以将自身能力有效体现，尤其是高精度以及在复杂零件加工中得到广泛运用，但是在实际运用过程中，由于NC程序编写面临一定的问题，而且还会存在无法准确识别的情况。

所以，为了能够有效解决问题，则必须要注重加工技术的研究，科学合理的将现在先进技术融入到实际应用当中，切实改进不足的同时，还可以发挥一定的价值，真正意义的实现优化与改善，提升系统运行的可靠性。

关键词：虚拟仿真；五轴联动；运行效率；加工技术引言：在制造业稳定发展的问题下，各种先进信息技术已经广泛的融入到实际应用当中，而且先进加工方法在不断进步，为了能够解决传统复杂零件加工所面临问题，则必须要加强对制造业的重视，是否可以通过科学可靠的规范获取正确的检验方式，尤其是五轴机床的高效应用，其包含多种工作，确保两个转折同时运动，同时还可以避免受复杂性因素影响其限制，为工业制造工作的稳步进行奠定基础。

一、五轴数控机床结构模型五轴联动机床通常在运行过程中所包含的比较多，而且为了避免受精工因素影响而导致系统运行不够稳定，则必须要加强对模型建立预约状态分析的重视，确保可以按照标准进行规范了解基础轴承的运行趋势，通过可靠的进行规范管理，将各个工件与刀具进行准确编辑，同时机床结构较为复杂，在构建系统的过程中，需要对程序编写与正确性验证工作有着一定掌握，确保可以科学合理的将其融入到实际验证当中，保证虚拟仿真技术应用价值的同时，还可以为后续系统的建设带来更多保障。

总的来讲，对于五轴数控机床的应用，需要通过联动加工技术对有效分析了解，可能存在的碰撞问题与数据不准确的问题，这样可以通过技术的创新与优化，为后续应用提供参考，真正实现对质量问题与安全问题的识别，从而保证系统运行更加可靠，满足五轴联动机床的运行标准[1]。

五轴联动机床深度研究报告一、五轴联动机床结构五轴联动机床由机床主体、进给系统、控制系统和刀具系统组成。

机床主体主要由床身、工作台、主轴箱和转台组成。

进给系统包括进给轴和主轴箱的直线进给机构。

控制系统采用数控系统，可以实现自动化生产和高精度加工。

刀具系统包括刀架、刀柄和刀具。

二、五轴联动机床加工原理五轴联动机床采用五个坐标轴进行加工，可以实现工件在空间中任意位置的加工。

通过主轴和转台的旋转，以及进给轴的移动，可以实现工件的多轴联动加工。

五轴联动机床可以实现对工件的多面加工，提高加工精度和生产效率。

三、五轴联动机床应用领域五轴联动机床广泛应用于航空航天、汽车、模具制造、医疗器械等行业。

在航空航天领域，五轴联动机床可以加工复杂形状的零件，提高零件的精度和质量。

在汽车行业，五轴联动机床可以加工汽车零部件，提高生产效率和产品质量。

在模具制造领域，五轴联动机床可以加工复杂的模具，提高模具的加工精度和生产效率。

在医疗器械制造领域，五轴联动机床可以加工高精度的医疗器械零件，提高产品的质量和可靠性。

四、五轴联动机床发展趋势随着工业自动化水平的不断提高，五轴联动机床将会越来越广泛的应用于各个领域。

未来五轴联动机床的发展将呈现以下几个趋势：1.加工精度不断提高。

随着五轴联动机床结构和控制系统的改进，加工精度将会进一步提高，满足对高精度零件的加工要求。

2.加工效率不断提高。

随着五轴联动机床进给系统和刀具系统的改进，加工效率将会不断提高，提高生产效率和经济效益。

3.多功能化发展。

五轴联动机床将会具备更多的功能，可以适应更多的加工需求。

4.智能化发展。

五轴联动机床将会应用智能控制技术，实现自动化生产和智能化加工。

综上所述，五轴联动机床具有很高的加工精度和生产效率，广泛应用于航空航天、汽车、模具制造和医疗器械等领域。

未来五轴联动机床将不断提高加工精度和生产效率，实现多功能化和智能化发展。

论文题目：五轴联动数控加工复杂型面工件插补方法的研究作者专业学号指导教师年月日摘要五轴联动数控机床广泛用来加工复杂型面工件，本文对复杂曲面插补数据的数学处理方法进行了分析，并对测量得到的复杂曲面零件的图表数据进行了数学处理，使之能够满足数控加工的需要；插补方法采用双NURBS曲线插补可以基本消除非线性误差，提高了数控机床的走刀精度和加工质量，分析了NURBS曲线定义及表示方法、NURBS 曲线的实时插补算法和双NURBS曲线的插补格式。

关键词：五轴联动；数控加工；数据处理；非均匀有理B样条；插补五轴联动数控加工复杂型面工件插补方法的研究1 引言数控加工技术是一个国家机械制造水平的衡量标志之一。

五轴联动数控加工技术作为机械加工领域的关键技术，其研发和应用得到了科研院所，高校和企业的极大关注。

五轴联动数控技术不仅提高了机械加工的生产效率，更重要的是主要应用在航空航天，军工模具等行业，对于实现国防现代化有着重要意义。

所谓五轴联动加工是指一台机床上五个坐标轴同时控制协调运动进行加工。

五轴联动加工一般是指三个坐标轴X-Y-Z和两个转动轴同时协调加工，旋转轴的参与是刀具切削过程中始终处于最佳的切削状态成为了可能。

五轴联动数控加工与一般的三轴联动数控加工相比，主要有以下优点：(1)通过定义适当的刀轴变化，可以避开刀具干涉，能够加工一般三轴数控机床所不能加工的复杂曲面。

(2)适合于直纹面的加工，采用侧面铣削的方法，能够实现一刀精加工成型，提高了加工质量和效率。

(3)对曲率半径大且变化较小的大型曲面，采用大直径刀具端面铣削，能够实现刀具大跨度切削，从面可以显着提高加工表面质量和加工效率。

(4)刀具的可变化使复杂零件一次装卡加工多个表面，实现了多工序的集中加工，有利于提高各加工要素的相互位置精度。

(5)五轴机床加工过程中由于刀具/工件位姿角随时可调，则不仅可以避免球头铣刀的端部参与切削，而且还可以充分利用刀具的最佳切削点来进行切削。

加工中心五轴联动插补误差补偿技术作者：闫龙纪鑫臧笑宇何一方来源：《科学与财富》2016年第15期摘要：随着机械行业的不断发展，制造行业对零件加工精度要求不断提升，零件结构也日趋复杂，这样在制造加工过程中使用五坐标加工中心频率越来越高，也对设备精度提出很高要求，尤其在航空产品中，零件空间机构尺寸精度和位置精度达到0.005-0.025mm，这样高精度尺寸和技术要求需要克服机床自身的机械误差、重复定位误差和机床中心数误差带来的加工误差，这些误差无法人为直接预知和消除，利用该技术可以在加工高精度要求空间结构时预先测量误差并通过计算补偿空间误差，从而得到合格产品，随着高精加工需求的增加，故此市场前景非常广阔。

关键词：加工中心五轴联动高精度误差补偿一、技术开发目的：该项技术用于五坐标加工中心铣床在利用五轴联动加工空间位置时，由于机床自身机械误差和机床坐标系中心数误差而造成的五轴联动后插补值微小误差，由于联动的角度和位置千变万化，该误差在加工中无法被发现和消除，从而导致零件加工位置误差，利用该技术可以利用打表和计算发现误差值，并对加工进行补偿，保证零件加工无误。

二、技术方案：1、设计原理：利用五坐标加工中心加工位置坐标，极半径长度及机床主轴与加工零件轴线形成角度间函数关系，结合打表测量的加工位置与理论位置在X、Z或Y、Z向偏差值，进行函数运算，将实际偏差值补偿到机床加工坐标系中，将插补误差消除；2、应用方法：以加工台阶孔保证同轴度为例（旋转C轴中心为Z轴，平面坐标为X、Y 平面，G17平面）：首先，将机床主轴利用数控程序摆放到要加工空间位置，沿主轴方向打表得到主轴位置与零件已有底孔位置在轴向和周向的偏差值，并标记方向；其次利用函数公式计算出空间偏差在平面坐标系中的补偿值，即在C轴和Z轴的补偿值；最后在补偿后重新运行程序对补偿后主轴五轴插补联动定位位置进行验证。

3、创造性、新颖性：通过将加工不同空间位置时将主轴偏差进行编程打表检测，并将偏差投影到平面坐标中进行补偿加工坐标系，将无法直接测量和操作者无法预知和发现的加工误差变成直观的平面坐标补偿数值，应用更加直接易懂，且效果准确明显，并且可以验证正确性。

五轴联动双NURBS插补（一）摘要目前，复杂曲面零部件的生产和制造在航空航天、汽车、论攒、刀具和模具等行业具有特别重要的现实意义。

首先，这类零件的告诉高精加工一般在五轴联动数控机床上完成。

其次，在CAD/CAM软件中，零件自由曲面的设计常采用非均匀有利B样条(NURBS)表示。

NURBS技术在CAD/CAM领域已经取得了比较成功的应用，而在CNC领域的应用却相对滞后，目前只有FANUC、SIEMENS、三菱等少数高档数控系统支持NURBS样条曲线插补。

NURBS插补相对于常见的线性插补具有很多优点，因此，研究CNC系统中的NURBS插补方法意义深远。

目前有关NURBS样条曲线插补方法的研究大多局限于三坐标联动，在有关五轴联动NURBS插补技术方面未见有公开发表。

国外CNC系统商都声称自己已经具有五轴联动NURBS插补功能，但对于这些功能却纷纷对华采取禁运，因此，国内进口的五轴联动数控系统大多只有线性插补等简单功能。

为使开发的五轴联动数控系统能支持NURBS样条插补，本文提出了一种适合于五轴联动加工的双NURBS 曲线插补格式，然后将对具有该格式数控代码的生成以及插补过程进行介绍。

（二）正文随着曲面加工的高速和高精度要求的提高，五轴数控机床成为了复杂曲面加工的最佳手段。

为什么使用五轴机床呢？因为传统的三轴机床能够加工到的地方有限，一些复杂的曲面没法加工。

可以想象，一个点，如果可以在x、y、z三个维度运动理论上可以到达任何地方，但刀具近似于一个圆柱体，自由度有六个，三个方向的平动和三个角度的转动，所以为了使刀具能够达到尽可能多的加工位置就需要增加原有的三轴机床的自由度。

那为什么不适用六轴机床呢？因为数控加工最重视的是精度和效率，自由度越高机床势必越复杂，刚度也就越差，相应的导致加工的稳定性、精度和效率的下降。

而五根轴已经可以实现六个自由度的运动了，因此现在一般采用的是五轴联动。

相应带来的问题是五轴机床毕竟是用五个参数表示六个自由度，所以在函数的表达上面需要经过转换，给数学插补带来了麻烦。

五轴联动机床的误差补偿SFAE hotline 五轴联动机床的坐标轴误差补偿与优化1.五轴联动机床坐标轴优化机床结构如图4所示。

其中，Value_1为A轴B轴空间距离，Value_2为主轴与A轴间偏距，Value_3为A轴到主轴端面距离。

图4机床结构示意图为了便于描述机床的空间结构，可设定以下几个参数，如表1所示。

表1机床结构参数参数值说明参数a 0 A轴与B轴相交A、B旋转中心在笛卡尔坐标系下Z方向的距离b 0 B轴与Z轴相交A、B旋转中心在笛卡尔坐标系下X方向的距离c 0 A轴与Z轴相交A轴、Z轴旋转中心在笛卡尔坐标系下Y方向的距离d 200 A轴到A轴端A轴旋转中心到机床主轴端面的距离（Z）面在对转动A角和转动B角的误差检测结果讨论（详细过程见附录）之后，可得如下误差检测步骤：a.确定千分表检测方式和旋向；检验采用两只千分表，其摆放位置如图5所示，检棒旋转方向的定义如图6所示。

图5千分表检验方式示意图图6检棒旋转的正方向b.选择千分表摆放位置；c.使机床不摆动角度，进行千分表校零；d.只摆动机床A轴至某一角度，记录千分表的变化值和变化趋势；e.代入式(1)计算误差值：f.再次回复机床零点位置，进行千分表校零；g.只摆动机床B轴至某一角度，记录千分表的变化值和变化趋势；h.代入式(2)计算误差值：在上述过程中，摆动角度记录千分表变化值和变化趋势的工作可以重复进行，以获取更多数据。

通过以上检测步骤，可得修正后的机床结构参数如表2所示。

表2修正的机床结构参数参数参数值说明a 0 A轴与B轴相交A、B旋转中心在笛卡尔坐标系下Z方向的距离b 0 B轴与Z轴相交A、B旋转中心在笛卡尔坐标系下X方向的距离c 0 A轴与Z轴相交A轴、Z轴旋转中心在笛卡尔坐标系下Y方向的距离d 200 A轴到A轴端面A轴旋转中心到机床主轴端面的距离（Z）此外，机床的结构还可以用上述参数构成的向量来表示。

在实际实现过程中，它们存储在如下机床数据中[2]：MD 24550 $MC_TRAFO5_ BASE_TOOL _1 [n];MD 24560 $MC_TRAFO5_JOINT_OFFSET_1 [n];MD 24500 $MC_TRAFO5_PART_OFFSET_1[n]；其中，BASE_TOOL为从主轴端面到A轴的矢量(0，c，d)，经修正为(0，pa，200+qa)；JOINT_OFFSET为从A轴到B轴的矢量(b，0，a)，经修正为(pb，0，-qa+qb)；PART_OFFSET为从B轴到主轴端面的矢量（-b，-c，-a-d），通过将JOINT_OFFSET与BASE_TOOL进行相加并取其相反数，修正为(-pb，-pa，-200-qb)，分别对应于X、Y、Z 三个方向。