Обработка 3+2 и непрерывная 5-осевая: кинематики, наклонная плоскость, TCP

3+2 и непрерывная обработка: в чём разница

Siemens разделяет два способа наклонить инструмент к поверхности. При повороте плоскости (Swivel) поворотные оси двигаются, пока инструмент не режет. Инструмент встаёт в конечное положение, и дальше работают только три линейные оси — ориентация статическая. Это и есть 3+2, или позиционная 5-осевая обработка.

При 5-осевой трансформации (у Siemens — TRAORI) поворотные и линейные оси движутся одновременно во время резания, и инструмент всё время выставлен к поверхности. Интерполируются все пять осей — это непрерывная, или симультанная, обработка.

Heidenhain разделяет так же: функция наклона плоскости PLANE для позиционной обработки и M128 / FUNCTION TCPM для движения поворотных осей в резании. Обе — отдельные опции системы ЧПУ, их включает изготовитель станка.

Три кинематики 5-осевого станка

Две поворотные оси можно отдать детали, инструменту или разделить между ними. В руководстве Siemens по циклу CYCLE800 три варианта: поворотная голова (тип T), поворотный стол (тип P) и смешанная кинематика (тип M). FANUC приводит те же три типа.

От кинематики зависит, какие движения нужны станку для одной и той же поверхности. Siemens показывает это на примере цилиндрической поверхности: станку «голова-голова» нужны полукруг в X/Y и одновременный поворот вокруг Z, а станку «стол-стол» — наклон стола на 90° и вращение C при движении по Y. Если программа написана в осях станка, она подходит только к одной кинематике.

Наклонная плоскость: G68.2, CYCLE800, PLANE

Для 3+2 программист задаёт в системе детали наклонную плоскость — начало и углы. Система ЧПУ сама вычисляет положения поворотных осей, поворачивает нулевую точку и пересчитывает коррекции. Программа внутри плоскости пишется как обычная трёхосевая в X/Y/Z.

Типовая структура на Fanuc:

G68.2 X0 Y0 Z0 I0 J30 K0 (НАЧАЛО И УГЛЫ ЭЙЛЕРА)
G53.1 (ПОВОРОТ ОСЕЙ К НОРМАЛИ ПЛОСКОСТИ)
(... ОБРАБОТКА В ПЛОСКОСТИ ТРЕМЯ ОСЯМИ ...)
G69 (ОТМЕНА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ)

Важная деталь: G68.2 только включает повёрнутую систему координат и сам станок не поворачивает. Поворот делает G53.1. На Heidenhain то же выражается одной строкой — пример из руководства TNC 640:

PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+45 SPC+0 MOVE DIST50
PLANE RESET MOVE DIST50 F1000

У Heidenhain нужно задавать все три пространственных угла, даже нулевые. Сбрасывают плоскость только PLANE RESET: нули во всех углах сбрасывают углы, но не саму функцию. Siemens подчёркивает отличие CYCLE800 от простого поворота координат (фрейма ROT): цикл учитывает кинематику станка, нули и коррекции инструмента, а при повороте фреймом это делает программист.

TCP: G43.4, TRAORI, M128

Когда поворотная ось движется, вершина инструмента описывает дугу вокруг центра поворота. Heidenhain формулирует это так: без специальной функции при смене угла наклона вершина смещается от заданного положения, и система ЧПУ это не компенсирует.

Функция TCP (центральная точка инструмента) решает задачу: программа задаёт путь вершины инструмента в системе детали, а система ЧПУ пересчитывает его в движения линейных и поворотных осей своего станка.

• Fanuc — G43.4. FANUC добавляет, что с TCP подачу задают в мм/мин (G94), а не обратнозависимой подачей G93 в каждом кадре. Система ЧПУ сама снижает подачу, если упирается в предел одной из осей.
• Sinumerik — TRAORI. По Siemens, программа из CAM с TRAORI не зависит от длины инструмента: система учитывает длину сама. Программу с посчитанными положениями осей пришлось бы пересчитывать при каждой смене длины.
• Heidenhain — M128 или расширенная FUNCTION TCPM, где отдельно задают трактовку подачи, углов и интерполяции ориентации.

TCP — это коррекция на длину, которая работает с наклонным инструментом. Поэтому длины должны быть измерены точно: ошибка длины при наклоне даёт ошибку уже по нескольким осям.

Когда хватает 3+2, когда нужна непрерывная

Для крыльчаток Sandvik Coromant называет условия успеха: 5-осевой станок с хорошей динамикой при одновременной работе осей, специализированный модуль CAM и инструмент под материал. Профиль лопатки быстрее всего обрабатывают боковой стороной фрезы с большой осевой глубиной — если позволяют деталь, CAM и инструмент.

Правило простое: если поверхность можно обработать трёхосевой траекторией из нескольких фиксированных положений — берите 3+2. Программа проще, её легче проверить, риск ошибки ниже.

Что даёт 5 осей

• Короче инструмент. Наклон детали или головы позволяет дотянуться до глубокой стенки фрезой с меньшим вылетом. По Sandvik Coromant, при вылете больше четырёх диаметров склонность к вибрациям заметно растёт — а каждый миллиметр вылета стоит режимов.
• Меньше установов. Пять сторон за один установ — меньше переустановок, меньше накопления ошибок базирования между операциями. FANUC прямо называет это одной из причин перехода цехов на 5 осей.
• Меньше оснастки. Вместо набора угловых приспособлений — одно закрепление на нулевой системе или в 5-осевых тисках.

Ограничения: столкновения и симуляция

Каждая поворотная ось добавляет положения, в которых шпиндель, патрон или голова задевают стол, тиски или саму деталь. Руководства прямо предупреждают о рисках:

• Heidenhain: оси с зубчатой муфтой (Hirth) при повороте выходят из зацепления — отведите инструмент перед сменой угла;
• Heidenhain: после включения станок пытается восстановить наклонное состояние, которое было при выключении, — проверьте его;
• у Fanuc G53.1 поворачивает оси, не учитывая, где сейчас инструмент. GibbsCAM рекомендует выводить в постпроцессоре явные перемещения поворотных осей перед G53.1, чтобы исключить лишние развороты.

Как нуль детали и коррекции задаются в трёхосевой программе — в статье «Системы координат и коррекции инструмента». Как CAM и постпроцессор выводят 5-осевые траектории — в статье «CAM и постпроцессор».