AB摆角五坐标机床

A、B摆角的数控五坐标铣床特点及使用数控加工厂林君奇[摘要] A、B摆角的数控五坐标铣床在沈飞集团公司数控加工厂有十一台，比A、C 摆角和B、C摆角的数控五坐标铣床略微多一点。

它的机床结构特点及使用中要注意的一些事情，目前还没有完整的文章来论述它。

这种A、B摆角结构的五坐标铣床不适宜高速铣切削，随着数控高速五坐标铣床的发展，可能会越来越少。

但其它类型的五坐标数控铣床会越来越多。

研究这种结构的五坐标铣床，为发展其它类型的五坐标数控铣床有着十分重要的意义，数控加工厂目前也十分需要这方面知识。

关键词：五坐标数控铣床 A、B摆角转心距程序转换非线性误差五坐标联动数控铣是数控技术中难度最大的数控技术。

涉及机械、电器、数学、力学等各科领域的知识也比较多。

随着机械制造业的发展，它的应用范围也越来越广，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密技术于一体，加工质量要求很高的复杂曲面。

高效、精密、自动化、数字化定义是它的特点。

它所加工的零件有许多，从效率和质量上说，是三坐标数控铣切方式无法代替的。

尽管我们引进的俄罗斯项目绝大多数是三坐标加工的零件，那只能说明他们上个世纪八、九十年代的生产水平。

由于五坐标联动数控铣那些重要的实用价值，及技术复杂性，五坐标联动数控铣加工系统一直是欧、美等西方国家严格封锁的项目。

前苏联从日本人手中购得五坐标联动加工系统，制造出低噪音的潜艇推进器，使美国反潜艇装置失效。

引起西方世界大为不满。

即所谓的“东芝事件”。

沈飞集团公司开始四坐标数控加工距今已有廿四个年头了。

运用四坐标数控铣床加工零件的经历，给五坐标数控加工打下了很好的基础。

一九八二年七月我们开始在北京航空工艺研究所加工歼八原型机的整体一框。

运用五坐标数控铣床加工航空类变斜角零件已经有廿年历史了。

体现了沈飞集团公司数控加工技术有一定的实力。

1.简述多坐标数控铣床的种类一般说坐标数多于三的数控铣床就可称为多坐标数控铣床了。

其实这种定义，没有说出其真正的意义。

真正意义应该说，有了旋转坐标的数控机床才叫多坐标数控铣床。

因为有的机床，虽然多了一个两个坐标，其实只是刀具仅沿着Z或X或Y轴作了附加运动。

多坐标数控铣床种类非常多，有机床主轴旋转的，有机床工作台旋转的，有工作台翻转的。

有旋转中心在主轴端面上方的，有旋转中心在主轴端面下方的。

有A、B结合的，有B、C结合的，有A、C结合的。

有两个旋转中心重合的，有两个旋转中心分离的。

有A为第一转动角，B为第二转动角的，有B为第一转动角，A为第二转动角的。

有正交结合的，有非正交结合的。

……等等，数不胜数。

目前还出现了万向节式的，主轴悬挂式的，又分为固定悬挂，非固定悬挂。

结构如此复杂多变的机床种类，在这里实在是无法研究，下面介绍几种机床都是沈飞集团公司正在使用的，或曾经使用过的。

1.1.四坐标数控铣床沈飞集团公司曾经购置过齐齐哈尔第二机床厂设计生产的Q2SK243型四坐标联动龙门数控铣床。

这是“齐二机床”一九七六年八月出厂的产品。

虽然它各项指标都远远落后于当今出品的任何一款数控铣床，但是它是我国最先开始生产的多坐标数控铣床。

为我们认识多坐标数控铣提供许多必要的基础知识。

图一A、B、C摆角，国际通用的规定是（参考图一）：A 摆角，绕X 轴；B 摆角，绕Y 轴；C 摆角，绕Z 轴。

它们正负方向的判断是右手握拳，大拇指指向所对应的轴向，其它四指的指向即该摆角的正向。

通过图一中的+A和-A，我们也可看出，X 的正方向是指向我们视前方的。

一九七八年沈飞公司又引进了瑞士生产的NIV1800 型数控龙门铣，它和Q2SK243 型铣床一样都是工作台移动的龙门铣。

瑞士生产的NIV1800 型数控龙门铣，除了精度、功率、控制机的处理能力……等许多方面与齐齐哈尔生产的Q2SK243 型数控龙门铣床不同，或高过Q2SK243 型许多。

但最明显的不同点是：Q2SK243 型铣床的主轴旋转中心在主轴端面的上方，而瑞士生产的NIV1800 型数控龙门铣的主轴旋转中心在主轴端面的下方；另外Q2SK243 型铣床的主轴是不可伸缩的，而NIV1800 型数控龙门铣的主轴是可伸缩的，它的主轴是活塞式套筒装置，可伸缩一百毫米。

下面做一些总结比较它们的优缺点：主轴旋转中心在主轴端面的上方，旋转中心距离主轴系统的重心比较近，机械的惯性距小，随动误差小，要求摆角坐标的电机功率小。

主轴旋转中心在主轴端面的下方，旋转中心距离主轴系统的重心比较远，机械的惯性距大，随动误差大，要求摆角坐标的Q2SK243 型铣床的主轴旋转中心在主轴端面的上方。

由于当年的认识水平，控制机的处理能力，机械制造业的设计和生产技术能力，都比较低。

机床的主轴旋转中心在主轴端面的上方，并且距离铣刀的前端很远。

这样，非线性误差就加大（后面论述），就不能进行满意的变斜角加工（不仅仅是这些原因，但其它原因不是这篇论文所论述的内容，所以不赘述了）。

当我们引进瑞士生产的NIV1800 型四坐标联动龙门数控铣后，这方面的认识就清楚了。

到引进V1-2000.2T 型五坐标联动数控铣后，我们的认识就更清楚了。

NIV1800 型铣床的主轴套筒可调，一般情况铣刀的刀端都可调到理论数据面（见上。

而Q2SK243 型铣床因其主轴是不可伸缩的就不能做调整，铣刀长短不同就要编写不同程序。

这在当年是非常不易做到的。

“非线性误差”和“主轴长度不能调整”是它在当年致命的两大缺点。

现在这两个问题，都可以靠机床控制机的软件模拟插补解决。

当年设备简单，数控机床的程序编制就复杂，现在设备先进，数控机床的程序编制就简单了。

1.2.五坐标数控铣床1.2.1.V1-2000.2T一九八二年沈飞公司引进了法国生产的V1-2000.2T型五坐标联动数控龙门铣。

它的主轴套筒可伸缩40毫米，由电动按钮操作，分粗调和精调两个按钮（瑞士NIV1800是手动摇把操作的）。

主轴转动中心在主轴端面上方。

控制机是MACS508系统。

1.2.2.FPF-D-N/C-5一九九六年沈飞公司从巴西引进了三台西班牙生产的FPF-D-N/C-5型五坐标联动数控龙门铣。

它的主轴套筒也可伸缩40毫米，但是转心距是由传感器自动对出的，因为它一个横梁上有三个主轴，转心距必须一致，所以要自动对转心距。

控制机是NUM760F 系统。

1.2.3.RAMMATIC1001一九九九年沈飞公司从意大利引进了三台RAMBAUDI公司生产的RAMMATIC1001型立式五坐标联动数控铣。

它的主轴套筒是不可伸缩的。

但控制机是SIEMENS 840D，该控制机可以将主轴的旋转中心模拟到沿主轴中心线上下几米任意位置。

这就是所谓的“RTCP”(ROTATING TOOL CENTER POINT)功能。

主轴是不可伸缩的多坐标联动数控铣，“RTCP”功能是十分必要的，当采购多坐标数控铣床时尤其要关注这个问题（后面论述）。

1.2.4.以上三种数控铣床的对转心距的处理越来越先进由于对转心距的处理越来越先进，使得工人操作越来越方便。

程编员编制程序也简单了。

零件的质量也提高了。

零件在试切调整时也容易了。

但是“RTCP”的概念开始是由西班牙生产的FPM-60型叉式五坐标联动数控龙门铣带进沈飞的。

为了与A、B摆角的数控铣床进行比较，下面也介绍一下FPM-60。

1.2.5.FPM-60为了能更多了解A、B摆角的数控铣床，介绍一下FPM-60。

一九九五年沈飞公司引进了西班牙生产的FPM-60型叉式五坐标联动数控龙门铣。

它的主轴套筒是不可伸缩的，主轴是叉式结构，B、C摆角。

控制机是FIDIA CNC20。

控制机可以有模拟主轴旋转中心位置的“RTCP”功能，是从这台机床看到并逐步认识清楚的。

关于A、C 摆角和B、C摆角的五坐标数控铣床，也有许多内容要讨论，不是本文的论题，拟在另外的文章中论述。

1.2.6.A、B摆角数控铣床与叉式主轴的多坐标数控铣床的比较A、B 摆角的数控铣床，它们的主轴部件一般来说都比较大而沉重，Z向行程也比较短，A、B摆角的范围比较小，一般不超过±30度。

不适宜设计高速数控铣床。

叉式主轴的A、C 或B、C摆角的龙门数控铣床，除去滑枕部分，主轴部件一般比较小而轻，Z 向行程也比较长，立柱可设计成高架桥式的，减少随动误差，所以可设计成数控高速铣床。

A、B 摆角的数控铣床，因为它的旋转轴和铣刀轴没有重合的机会，并且A、B摆角的范围没有超过90度（设计上也不太可能超过90度）。

所以一个刀轴矢量只能计算出一对A、B摆角。

反过来，一对A、B摆角也只能计算出一个刀轴矢量。

刀轴矢量和A、B摆角的计算是互逆的。

一个带刀轴矢量的刀位点（我们可定义为“全参数刀位点”）到下一个刀轴矢量变化了的刀位点，其走刀路线也是唯一的。

叉式五坐标联动数控龙门铣因为它的旋转轴和铣刀轴有重合的机会，并且C摆角的范围超过了360度。

所以有时一个刀轴矢量能计算出一对A、C或B、C摆角来。

刀轴矢量和A、C或B、C摆角的计算不是互逆的。

一个带刀轴矢量的刀位点到下一个刀轴矢量变化了的刀位点，其走刀路线有时不是唯一的，需要另外一个开关指令，指导它。

这个问题目前沈飞公司还没有软件来解决，只能靠人脑分析判断，据说其他兄弟厂也没解决。

2.多坐标数控铣床的一些概念A、B摆角的数控五坐标铣床在沈飞集团公司数控加工厂有十一台，比A、C摆角和B、C摆角的数控五坐标铣床略微多一点。

它的机床结构特点及使用中要注意的一些事情，目前还没有完整的文章来论述它。

这种A、B摆角结构的五坐标铣床不适宜高速铣切削，随着数控高速五坐标铣床的发展，可能会越来越少。

但其它类型的五坐标数控铣床会越来越多。

研究这种结构的五坐标铣床，为发展其它类型的五坐标数控铣床有着十分重要的意义，数控加工厂目前也十分需要这方面知识。

为了后面论述方便先看看几图三和图四，两款数控铣床都是龙门式的，但是图三中A角摆动不受B角影响，是固定旋转轴，B角的旋转轴受A角影响。

当A角为○时，B角的旋转轴平行Y轴。

当A角不为○时，B角的旋转轴与Y 轴就有夹角A。

若A角能够达到90度时，则B角就绕Z轴旋转了，就C角一样了。

图四中的A、B摆角正好和图三中的相反。

它的B角是不受A角影响的。

图五是A、B摆角立式多坐标数控铣床。

它的B角也是不受A角影响的。

图六是叉式五坐标联动数控龙门铣，是A角还是B角，图中是表示不出来的。

这要看C角为○时主轴叉口方向，当C角为○时叉口方向为X向，主轴绕Y轴，此类铣床定为B、C 摆角的数控铣床，否则，当C角为○时叉口方向为Y向，主轴绕X轴，此类铣床定为A、C摆角的数控铣床。

为了加强交流，必须统一一些基本概念。

下面叙述这些概念。

2.1.导动面、检查面、零件面导动面、检查面和零件面，最早产生于自动编程系统——接近于日常英语的数控语言APT语言（Automatically Programmed Tools）APT language，国内航空工艺研究所的用汉语拼音缩写作为词汇的“SKC-3”语言编程系统也用这个概念。