Пятиосевой обрабатывающий центр: компоновки, 3+2 и непрерывная обработка, TCP, калибровка

Как устроены пятиосевые центры стол-стол, голова-стол и голова-голова, чем 3+2 отличается от непрерывной пятиосевой обработки, зачем стойке функция TCP, почему нужен свой постпроцессор и калибровка кинематики.

14 мин чтения

Коротко

Пятиосевой ОЦ — три линейные оси X, Y, Z и две поворотные. Инструмент можно подвести к детали почти под любым углом, деталь обрабатывается с пяти сторон за одну установку.
Компоновки три: стол-стол (обе поворотные оси у стола), голова-стол (одна у головы, одна у стола) и голова-голова (обе у головы, деталь стоит).
3+2 — оси наклона выставили угол и стоят, режут три линейные оси. Непрерывная пятиосевая — все пять осей движутся одновременно. Корпусам обычно хватает 3+2, лопаткам и крыльчаткам нужна непрерывная.
Функция TCP в стойке держит вершину инструмента на траектории, пока поворачиваются оси. Без неё программа привязана к размерам конкретного станка.
Пятиосевому станку нужны свой постпроцессор, симуляция с моделью станка и регулярная калибровка кинематики — проверка, где на самом деле лежат оси поворота.

Назначение

Пятиосевой центр выбирают, когда деталь нужно обработать с нескольких сторон или под углом и при этом не переставлять её. Каждая перестановка — это время наладчика и риск ошибки базирования. На пятиосевом станке деталь закрепляют один раз, а нужную сторону к инструменту подводят поворотные оси.

Пятиосевой обрабатывающий центр с открытой дверью: шпиндель над поворотно-наклонным столом, справа пульт ЧПУ. — Компактный пятиосевой обрабатывающий центр: под вертикальным шпинделем поворотно-наклонный стол, который подводит к инструменту нужную сторону детали.Фото: Glenn McKechnie (Graibeard), CC BY-SA 2.0, кадрировано · источник

Вторая задача — сложные поверхности: лопатки, крыльчатки, формообразующие детали пресс-форм. Здесь инструмент должен всё время стоять к поверхности под нужным углом, и без двух поворотных осей это не сделать.

Компоновка и оси

Три компоновки пятиосевого ОЦ. Стол-стол: деталь в наклонной люльке на поворотном столе. Голова-стол: голова наклоняется, стол вращается. Голова-голова: обе поворотные оси у головы, деталь неподвижна. Буквы осей зависят от конкретного станка. Схема не в масштабе.

Поворотные оси обозначают по ГОСТ 23597-79: A — поворот вокруг оси, параллельной X, B — вокруг Y, C — вокруг Z. Какие две буквы будут у конкретного станка, зависит от компоновки. Например, ISO 10791-2 для вертикальных центров рассматривает столы, которые вращаются вокруг вертикальной оси C′ и наклоняются вокруг горизонтальной — A′ или B′. Штрих означает, что поворачивается деталь, а не инструмент; в программе и паспорте станка ось обычно пишут без штриха.

Стол-стол, или трунион (от английского trunnion — цапфа). Шпиндель вертикален и не наклоняется. Деталь стоит на круглом поворотном столе (ось C), а стол сидит в люльке, которая качается на цапфах (ось A или B).

Sandvik Coromant описывает эту схему так: шпиндель неподвижен по углу, четвёртая и пятая оси — в столе. Размер и масса детали ограничены люлькой: она наклоняет деталь вместе с приспособлением.

Рабочая зона пятиосевого станка: стол-люлька с крепёжной плитой и тисками между двумя опорами. — Стол-люлька на цапфах между двумя опорами: на нём крепёжная плита с тисками, и люлька наклоняет деталь вместе с приспособлением.Фото: Maschinologen, CC BY-SA 4.0 · источник

Голова-стол. Шпиндельная голова наклоняется (обычно ось B), стол с деталью вращается (ось C). Sandvik Coromant описывает этот вариант как станок с головой на 90°: четвёртая ось (B) у шпинделя, пятая — в столе. Деталь только крутится, а не наклоняется, поэтому такой стол обычно принимает более тяжёлую деталь, чем люлька.

Голова-голова. Обе поворотные оси у головы: она поворачивается вокруг вертикали и наклоняет шпиндель. Деталь стоит на неподвижном столе. Так строят станки под крупные и тяжёлые детали, в том числе портальные (урок 4).

3+2 и непрерывная обработка

Слева 3+2: деталь повёрнута так, что наклонная грань встала перпендикулярно инструменту, поворотные оси стоят, работают X, Y, Z. Справа непрерывная пятиосевая: инструмент меняет наклон вдоль траектории, движутся все пять осей. Схема не в масштабе.

3+2 (позиционная обработка). Поворотные оси выставляют деталь или голову под нужным углом и останавливаются. Дальше станок режет как обычный трёхосевой. HEIDENHAIN описывает это так: программист пишет обработку в обычной плоскости, а станок выполняет её в наклонённой. Так обрабатывают корпуса с отверстиями и плоскостями под разными углами.

Непрерывная пятиосевая. Поворотные и линейные оси движутся одновременно, инструмент всё время стоит к поверхности под заданным углом. Это нужно для лопаток, крыльчаток, сложных поверхностей, фасок по пространственному контуру. Программу для такой обработки, как правило, готовят в CAM.

Подробно о выборе между ними — в статье «Обработка 3+2 и непрерывная 5-осевая».

Основные узлы

Поворотные оси. Это либо поворотный стол и люлька, либо поворотная голова. Важно, может ли ось работать непрерывно или только фиксируется в позициях, какой у неё диапазон углов и что она выдерживает: для стола — массу детали, для головы — силы резания.

Функция TCP. Когда поворотная ось движется, вершина инструмента описывает дугу вокруг центра поворота. Функция стойки TCP (Tool Center Point — центральная точка инструмента) пересчитывает движения линейных осей так, чтобы вершина шла точно по траектории. У FANUC она называется Tool Center Point Control (G43.4), у HEIDENHAIN — TCPM (развитие функции M128); встречается и название RTCP. Суть одна.

HEIDENHAIN подчёркивает: стойка сама делает все компенсирующие движения линейных осей, которые возникают от поворотов.

Без TCP CAM-система должна заранее знать точные размеры станка и выдать программу в его осях. FANUC перечисляет, что тогда приходится хранить в CAM и постпроцессоре: кинематику станка с центрами поворота, положение детали на столе и геометрию инструмента. Поменялось что-то одно — программу пересчитывают. С TCP программа описывает путь вершины инструмента относительно детали, а пересчёт под конкретный станок делает стойка.

Постпроцессор. Для пятиосевого станка он сложнее, чем для трёхосевого: переводит положение и наклон инструмента в углы поворотных осей именно этой компоновки. FANUC отмечает, что пересчёт для станка с люлькой и для станка с поворотной головой разный. Если стойка не берёт пересчёт на себя, постпроцессор приходится делать заново под каждую комбинацию станка и стойки. С TCP постпроцессор проще, и один пост может обслуживать разные станки.

Калибровка кинематики. Стойка считает движения по модели станка: где лежат оси поворота относительно линейных осей. FANUC подчёркивает: нужны измеренные значения, а не номинальные из конструкторской документации, и они меняются со временем — от износа и после столкновений.

Поэтому оси поворота периодически проверяют щупом в шпинделе по эталонной сфере на столе. Так работают, например, KinematicsOpt у HEIDENHAIN и AxiSet Check-Up у Renishaw. В брошюре Renishaw приведён совет проверять оси и после установки станка у заказчика: перевозка, монтаж и другой фундамент могут сбить геометрию.

Защита от столкновений. При поворотах голова, шпиндель и стол могут задеть деталь, тиски или друг друга. HEIDENHAIN отмечает: CAM-программа может учесть инструмент и деталь, но без симуляции с моделью станка не видит его узлов. Поэтому важны симуляция программы и функции контроля столкновений в стойке — у TNC 640 это опция DCM.

Типовые детали

корпуса с отверстиями и плоскостями под разными углами (обработка 3+2);
детали, которые надо обработать с пяти сторон за одну установку;
лопатки, крыльчатки, моноколёса (непрерывная пятиосевая);
формообразующие детали пресс-форм и штампов с крутыми стенками и глубокими карманами;
медицинские и авиационные детали сложной формы;
детали, где наклон даёт взять фрезу короче и снизить вибрации.

Какие параметры смотреть в КП

Параметр	Что он значит для клиента
Компоновка (стол-стол, голова-стол, голова-голова)	Какой размер и массу детали станок примет и сможет ли её наклонять
Ходы X, Y, Z и диапазоны углов поворотных осей	Хватит ли ходов, чтобы дотянуться до детали в наклонном положении: при повороте нужен запас хода
Диаметр стола и допустимая нагрузка, в том числе при наклоне	Для стола-стола это главное ограничение по детали
Поворотные оси: непрерывные или позиционные	Позиционные хватают для 3+2, для лопаток и крыльчаток нужны непрерывные
Функции стойки: наклонная плоскость, TCP, контроль столкновений	Многие из них — опции, которые включает производитель станка. Проверьте, что они есть в поставке
Калибровка кинематики и щуп	Чем и как часто проверять оси поворота у себя в цехе
Постпроцессор и модель станка для симуляции	Есть ли проверенный постпроцессор под CAM клиента и модель станка для симулятора
Шпиндель и магазин	Как у вертикального ОЦ: обороты, момент, конус, ёмкость магазина

На что смотреть при выборе

Если детали корпусные с отверстиями под углами → почти всегда хватает 3+2; непрерывные оси — не главный аргумент.
Если детали небольшие и сложные → компоновка стол-стол: деталь можно повернуть к инструменту любой стороной.
Если детали тяжёлые или крупные → голова-стол или голова-голова: деталь не наклоняют.
Если в цеху нет пятиосевого CAM и постпроцессора → закладывайте их в проект и обучение программиста вместе со станком.
Если клиенту важна точность на наклонных поверхностях → обсудите калибровку кинематики и проверки поворотных осей при приёмке.
Если станок будет работать без оператора → контроль столкновений в стойке и симуляция обязательны.
Если клиент хочет проверить станок резанием → ISO 10791-7 описывает образцы-свидетели; образцы M3 (усечённый конус) и M5 (свободная поверхность) предназначены только для пятиосевых центров.

Вопросы клиенту

Пришлите модели деталей: что именно нужно обрабатывать под углом — отверстия и плоскости или сложные поверхности?
Какие размеры и масса детали вместе с приспособлением?
Сколько установок сейчас на деталь и где возникают ошибки при перестановке?
Какой CAM у программиста, есть ли пятиосевой модуль и опыт?
Есть ли симулятор и модель станка для него?
Какие допуски на взаимное положение поверхностей с разных сторон?
На какой стойке работают операторы?

Чего не обещать

«Пятиосевой станок — значит, программа простая». Наоборот: нужен пятиосевой CAM, свой постпроцессор, симуляция и опытный программист.
«Точность сохранится сама». Оси поворота смещаются от износа, нагрева и после столкновений. Без периодической калибровки точность на наклонных поверхностях уходит.
«Программу перенесём на любой пятиосевой станок». Программа в осях станка привязана к его кинематике. Переносить проще программы с TCP, но ходы и компоновка всё равно должны подходить.

Как объяснить клиенту

«Пятиосевой станок поворачивает деталь или голову, и вы обрабатываете деталь с пяти сторон за одну установку — без перестановок и ошибок базирования».
«Для корпусов с отверстиями под углом хватает режима 3+2: оси выставили угол и стоят. Непрерывная пятиосевая нужна для лопаток и сложных поверхностей».
«Компоновку выбираем по детали: маленькие сложные — стол-стол, крупные и тяжёлые — с поворотной головой».
«Вместе со станком нужны постпроцессор, симуляция и обучение программиста — заложим их в проект».
«Оси поворота периодически проверяют щупом по эталонной сфере прямо на станке — так точность на наклонных поверхностях не уходит незаметно».