西门子840D_五轴编程教程

原理介绍目录:1.1介绍1.2模具加工的需求1.33轴，3+2轴或5轴铣削加工方式1.4运动形式1.5CNC独立编程1.6刀具半径补偿原理1.7什么是框架结构1.8精度,速度和表面精度1.9模具加工CNC程序的结构1.10刀具定向在5轴加工中运用11.1介绍5轴加工是为复杂工件，特别是在刀具和模具的加工，是以CAD-CAM-CNC的一整套处理为基础的。编写本手册旨在给CAM工作站的CNC编程员以及机床操作工提供更多的帮助和指导，使编程和实际加工更能有机的结合起来。自动精修SINUMERIK840D控制系统具有强大的功能，在大大简化5轴编程工作及加工过程的同时，可以更有效地提高加工精度。21.2刀具加工及模具加工的需求模型结构加工模具的设计标准已经日益被人们所关注,加工效率,加工精度以及简洁的外观造型愈发变得重要了。设计过程要靠CAD系统，而复杂表面的加工程序则来源于CAM工作站。涡轮及涡片加工由西门子公司生产的SINUMERIK840D控制系统可以满足刀具和各种模具加工的要求。在传统的21/2D范围内，3轴和5轴的高速加工过程具有相同性能：1.具有良好的操作性能2.友好的编程界面3.在CAD-CAM-CNC的处理循环中具有优越的适应性4.最大程度的提高机床品资阀门加工3现代铣削加工中心的5轴加工模具表面加工质量，加工速度已经变越来越重要了：复杂表面的加工加工三维曲线表面时能获得最佳的切割条件X…有孔的倾斜面使用3+2个轴可以在任意位置进行几何图形加工Y(刀具轴的角度设置可以发生变化)…深槽加工可以进行深槽的铣削加工Z5轴动态加工除3个直线轴X,Y,Z以外,还可以使用2个旋转轴A,B或C轴.4机床运动在加工区域中,直线轴X,Y和Z轴向刀具位置趋近可以使用两个旋转轴，如B和C来改变刀具的方向设置。理论上讲，可以用3个直线轴和2个旋转轴按需求的刀具方向趋近工区域中的任意一点。刀具方向的矢量元素CNC编程在CNC编程中，需要使用X，Y，Z坐标设置某一个位置。见左图，我们建议您使用方向矢量A3，B3和C3来设置刀具方向，而无须使用移动坐标系。有些模具在整个加工过程都不需要改变刀具方向。而在大多数情况下，需要刀具在横移过程中改变刀具方向，这就是说5轴同时加工，除了3个直线轴以外，还需要插入2个旋转轴。今天的5轴控制系统，正如SINUMERIK840D可以直接在机床上和调整CAM中的加工参数编制具有固定的刀具方向的程序加工带角度的孔和槽。1.33轴,3+2轴或5轴的铣削加工造型相同的凸曲线表面可以使用3轴加工,而加工较深槽或平凡改变曲率的表面时就要使用5轴加工.5本控制系统可以满足所有加工要求.如果在整个切削路径上刀具方向始终保持不变,刀片的切削条件就不会很好.在这些机床中,刀具的方向或工作台的位置可改变。左图中刀具处于最佳的加工状态中,而如果把刀具抬到工件最顶端或移置工件旁边,就会大大降低加工条件。为了得到适宜的加工条件，工作台需要旋转,加工一个完美的曲面,常常需要把工作台旋转好几次以期达到最佳的加工效果。特点：获得最佳的刀具加工方向，同时还可以完成刀具的直线运动，这样在整个加6工路径中都可以获得最优良的加工条件1.4移动的物体和移动的方式5轴铣床的设计理念75轴机床可以在5轴方向上控制刀具运动:3个相似的直线轴和2个旋转轴,这两个旋转轴有不同的运动方式,在这里显示的是最普遍的情况。机床生产厂家为了满足不同的加工需求，逐渐开发了许多运动模式，而使用SINUMERIK840D控制系统可集中进行运动转换，也可以控制某些特殊的运动方式。在这里，我们不再讨论六脚拖动机床(虚拟轴机床)。主轴头有2个旋转轴X键槽加工Y梯形槽加工*工作台上的2个旋转轴Z旋转/回转加工[梯形槽加工*主轴头上的一个旋转轴工作台上的一个旋转轴\*注：如果这个旋转轴不与某个直线轴垂直，就可以把这个旋转轴看成一个加工梯形槽的轴。与运动方向无关的编程操作由于机床会有不同的运动方向，加工同样的工件表面时，不同的机床运动会产生完全不同加工效果，示例2的加工方法更为合适。8示例：加工一个圆柱体表面。X主轴运动/主轴头运动的顺序加工一个圆周，用X/Y轴延圆柱体的半径移动，在整个运动过程中，刀具必须绕Z轴旋转，这样刀具就可以一直保持与加工表面垂直。Y工作台的运动顺序z绕A轴旋转90ozC轴旋转到+90o，再转动90ozY轴在直线方向上移动在机床上使用SINUMERIK840D进行编程时，不必考虑机床运动和刀具长度，您所要考虑的只是刀具和工件间的相对移动，其他工作都可以交给控制系统来完成。下面描述怎样协调机床操作及运动。机床轴运动中刀具长度所产生的影响示例：在5轴加工中，刀具的长度会直接影响机床的运动此示例说明刀越长，轴的横向移动距离就越大。每次换刀时，都要求在CAM系统中重新计算CNC程序。用SINUMERIK840D进行编程时，只要刀具偏移功能为有效，就无须考虑刀具的长度，系统会自动对刀具长度进行监测。注：由于刀具长度的原因，即使CNC程序中所有数值都在加工区域范围内，也会出现轴移动时，超程或碰到限位开关，这就需要区分“整体”加工区域和“局部”加工区域。9直线轴运动时方向变化所产生的影响通过改变刀具方向就可以把简单的直线运动转换成复杂的曲线运动。让刀具处于一条直线，就可以铣出一条直线，而无须调整方向了。如果改变方向，刀具的运行路径就会是曲线的，系统会自动补偿这条曲线，让直线运动产生换向。1.5CNC独立编程该示例显示使用5轴加工时，CNC程序并不能确定机床或刀具的运动，这就是SINUMERIK840D具有5轴转换功能的优越性。TRAORI-调用5轴转换功能当然,我们都希望CNC程序能够满足所有的机床运动功能,这就是我们以下要介绍的补偿功能.SINUERIK840D中的TRAORI指令z根据机床的运动方向,用CNC程序编辑相关的位置和方向数据来形成刀具横移运动z计算横移运动时要考虑刀具的长度示例:在CNC程序中,改变刀具方向而没有其它横移运动时,就可以使用A3,B3，C3进行编程,而与机床运动无关.不使用TRAORI指令控制系统不考虑刀具长度,刀具围绕轴的中心旋转,刀尖将移出固定点.使用TRAORI指令。控制系统尽改变刀具方向,刀尖将停留在固定点,它会自动计算，在X,Y,Z轴上产生的补偿运动。在CAM系统中的CNC程序中可以调用TRAORI指令,使CNC程序简单化包括X,YZ的接近点和刀的方向矢量A3,B3,C3。也就是说,CNC程序尽包含几何数据和刀具方向数据。10CNC程序示例Swivel.MPF;程序名N01TRAOPI;调用5轴转换功能N02T1F1000S10000M3;加工数据,刀具,速度等N03G54;零偏移N04G0X0Y0Z5;起始点A3=0B3=0C3=1;刀具与Z轴平行N05G1Z-1;横移指令,进给N06X10Y0A3=1C3=1;在X/Z平面中,直线运动带刀具45O定向N07TRAFOOF;5轴转换功能关闭N07M30;程序结束在该示例中,铣削的直线从X0到X10,刀具定向角度从90O转换成45O使用TRAOPI指令编辑一条直线时,无须考虑机床的实际运动,刀具会准确到达结束点,刀尖的运行路径是一条直线。1.6刀具的半径补偿原理刀具补偿功能可以在CNC编程时不考虑刀具半径因素,在21/2D范围内的半径补偿功能为通常概念,但在3D范围内,特别是用5轴加工时,就完全不一样了。刀具半径对用CUT3DF进行端面铣削的影响在用CUT3DF进行端面铣削中的半径补偿时,要确定刀具的几何路径和补偿方向,一般情况下,根据表面形状,刀具方向以及刀具的几何形状来计算补偿方向的.垂直度是相对于曲面法线或曲面法线矢量而言的,根据当前刀具方向和与工件表面的垂直度来进行计算.在特殊情况下,例如,使用球面刀具时：补偿方向必须与正在运行的路径表面相垂直,也就是说补偿方向由表面上的切点矢量X,矢量Y来确定。SINUMERI840D系统中的补偿选择功能允许使用曲面法线矢量元素来计算刀具的偏移量。原来,很少有哪个CAM系统可以给每个程序段提供曲面的法线矢量。11一般来讲,标准刀具(由CAM程序计算求得的半径)可修整的半径量是很小的,很小的刀具半径修整量就可以产生凹凸的加工效果,但如果休整量过大,刀具可能会与工件轮廓相碰撞。如果曲面法线,刀具半径和刀尖的几何图形均为已知,而刀具半径补偿(CUT3DF)功能为有效,SINUMERIK840D系统就可以计算新的刀具切点PE了.左图显示了控制系统使用的所有尺寸数据和与刀尖相关的几何数据.①端面铣削②带拐角的端面铣削③圆柱体的型腔铣削FN曲面法线TCP刀尖PE切点TB路径切线VK补偿矢量5轴铣削圆周表面时,刀具补偿功能的作用（CUT3DCC）示例用一个较小的刀具铣槽①标准刀具(由程序确定的刀具)②带较小半径的刀具③加工面-内表面④局限表面，槽的底面⑤加工表面的修整⑥局限表面的修整用5轴进行圆周铣削加工时的补偿功能如果选择带较小半径的刀具,而不使用原来确定的刀具,SINUMERIK840D会计算出新的加工路径.系统不仅要计算加工面⑤方向上的所需要的补偿量,同时还需要刀具运动方向⑥上的进给量。12在许多结构元件加工中，特别是航天工业中，常会使用到这种功能。在此示例图中，加工面③方向上的半径补偿完成以后，小半径刀尖TCP和标准刀具在同一个面上，它们的长度是相同的。同时，刀具可以做轴向运动⑥，使刀具切点刚好和刀具的极限相接触，调整铣削方向上的刀具来完成槽座方向上的补偿。1．6使用刀具补偿概述我们已经了解了SINUMERIK840D标准刀具的半径补偿功能：G40可以使刀具半径补偿功能无效，G41为圆周铣削路径左向补偿，G42为圆周铣削路径右向补偿。G450/G451为外角铣削的补偿功能。SINUMERIK840D有不同的补偿功能，前面我们已经介绍了一些，在SINUMERIK840D中可以用G41/G42使刀具半径补偿功能有效，用G40使该功能无效。请见SINUMERIK840D的文件：CUT2DCUT2DF21/2D外圆铣削用G17-G19确定补偿面的21/2D范围补偿根据FRAME来确定补偿面的21/2范围补偿CUT3DCORIDORIC3D外圆铣削路径切线和刀具方向垂直补偿。铣削外角时，插入的圆弧段不进行刀具方向改变。直线段刀具方向运动是执行的。移动路径带圆弧时，在圆弧处刀具方向运动按比例执行。CUT3DFSCUT3DFFCUT3DF平面铣削方向恒定（3轴）。用G17-G19来确定坐标系中的Z轴上的刀具面，而FRAME没有变化。方向恒定（3轴）。由FRAME确定刀具在当前坐标系Z轴上的方向。用带刀具定向变量的5轴功能。CUT3DCCCUT3DCCD带局限表面的3D外圆铣削（外圆/平面组合体的加工）根据加工表面轮廓编辑NC程序。根据刀尖运行路径编辑NC程序。用G41/G42激活补偿功能，如：CUT3DCG41131.7什么是结构功能(FRAME)？坐标系机床坐标系①中基准点和零位偏移（G54，G55）是类似的概念。工件结构可使用偏移，旋转，镜像及比例的坐标系。工件结构是用当前工件坐标系②中设置坐标值和角的起始点来描述目标位置。工件结构包括：y基本结构(基本偏移)y可设置的结构(G54…G59)y可编辑的结构坐标系和横移运动用5轴机床在加工区域中对可偏移,可旋转的表面进行加工.根据工件结构只能设置可偏移的工件坐标系,再通过旋转在倾斜面上设置坐标系.所有的横移指令都是相对于工件坐标系而言的。使用结构功能当激活可设置的零位偏移功能时（G54，G55），工件坐标系会处于工件的零点位置。14除一些特殊的机床运动以外，都可以把轴调整为与机床轴相平行。使用结构功能（FRAME）后，这个坐标系就可以在加工区域进行偏移设置，任意位置旋转。示例斜面加工例如要在斜面上加工一个孔，这是当坐标系①旋转到斜面时，可以简单通过调用钻循环对孔进行加工编程。1．8精度速度和表面加工质量CAD-CAM-CNC-处理链CAD-CAM许多加工复杂表面的CNC程序都来源于CAM系统,而CA