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工 具機事業是國家製造業水平的象徵,而五軸及複合加工機是製造業的最高境界,其控制技術難度最大且應用面最廣,它集結電腦數值控制、高性能伺服驅動和精密加 工技術於一體,應用於複雜曲面的高效率且精密加工。五軸加工系統對國家的航太、軍事、醫療等設備行業,有著舉足輕重的影響力。

近年來, 隨著電腦輔助設計(CAD)及電腦輔助製造(CAM)系統發展快速,國內多家工具機廠商,紛紛推出五軸及複合加工機,大大降低製造業應用成本。更加凸顯機 械設備製造業在社會技術進步和產業升級中無可替代的基礎作用。然而五軸及複合加工機漸漸成為機械業發展主流。其公司於2009 台灣TIMTOS展發表五軸加工機Vcenter-X300與車銑複合加工機Vturn-X200。

其中Vturn-X200搭配FANUC 31i-A5控制器,可支援多軸及多路徑。FANUC致力於開發五軸加工機能符合高速、高精度及高效率加工,藉由智能化的控制、軟體功能的提升與關鍵硬體零組件技術的整合應用,讓五軸加工機能發揮的更為極致。

所謂的五軸加工是指在機台上至少有五個坐標軸組成,包含三個直線座標(X、Y、Z)及兩個旋轉座標(A、B、C),如圖所示。其可分為三種類型說明:

1. 刀具迴轉型:

旋 轉軸座標運動全部集中於刀具側,加工都由具旋轉和擺動功能的主軸頭來完成。此結構體優點是適合於加工複雜曲面的大型、重型殼體件。其缺點是運動部件質量 大,慣性力大,不適宜於用過高的進給速度和加速度加工。雖然主軸頭與機台質量較大,但因刀具重量相對較小。當刀具改變時,對運動部件影響不大且機台比較穩 定。

2. 平台迴轉型:

旋轉軸座標運動全部集中於工件側,加工都由具旋轉和擺動功能的工作台來完成。此結構體由於其刀具不擺動而剛性較強,因此適合於重切削及高速切削,但也因工作台運動靈敏度無法高於刀具側,因此使用於多面加工零件。

3. 混合型:

此結構體的機台產品很多,應用也最廣且最普遍。旋轉軸座標運動各自分佈於工作台與刀具側。此型式工作台能承受較大重量且可以採用標準交換工作台,而主軸頭結構比刀具迴轉型簡單,現今多為中型五軸加工機及車銑複合機所採用。

FANUC五軸加工機能包含著座標系轉換、刀具補正、平滑面加工等種類,其詳細內容說明如下:

種類

機能

座標系轉換

傾斜面加工指令 (TWP)

Tilted Working Plane command

刀具補正

刀具中心點控制 (TCP)

Tool Center Point control

3D切削補償(3DCRC)

3-Dimensional Cutter Compensation

平滑加工面

奈米平滑加工面

Nano Smoothing 2

手動操作

3D手動進給

3-Dimensional Manual Feed

誤差補償

刀具軸方向熱變形補償

Thermal Growth Compensation along tool vector

工件設定誤差補償

Work-piece setting Error Compensation

1. 傾斜面加工指令

傾斜面加工採用Euler angle作說明,程式指令能將正規平面(X-Y),自動轉換成傾斜加工面,然而控制刀具軸方向與傾斜加工面垂直。而加工時,由機械座標定義工件座標再轉換至傾斜面座標,三者座標系可由程式G碼切換。

2. 刀具中心點控制

刀具中心點控制依據刀具長度作補償,當程式控制旋轉軸運動,不間斷計算刀具軸補償量。甚至程式執行當中控制刀具中心點沿著加工路徑且配合進給率,改變刀具軸偏擺位移。

        FANUC在2008日本JIMTOF展進階發表了平滑化TCP技術。因路徑不平坦造成控制點路徑及刀具姿勢因加減速變化產生不平滑,反而增加了加工時間。然而此機能對旋轉軸位置作微量補償,產生平滑的控制點路徑且縮短加工時間。

3. 3D切削補償

在五軸加工NC程式中,刀具長度補償功能仍然有效,而刀具半徑補償卻會失效。因旋轉軸運動時,刀具半徑隨著擺動角度而變化,其過去作法常以CAM軟體計算刀具軌跡,造成整個加工過程效率不佳,因而3D切削補償就可彌補此缺陷。

4. 奈米平滑面加工

增加旋轉軸補償且延續Nano smoothing機能,路徑依據刀具姿勢作變化而更佳平滑,達到高速高精度功能。將常見CAM轉出的程式路徑作修飾,其點與點之間不平整部分平滑化且縮短加工時間。

5. 3D手動進給

此機能包含五種模式刀具軸方向、刀具軸直角方向、刀尖中心旋轉、平台垂直方向和平台水平方向,分別於手輪模式與快速進給模式進行。依據所需的加工情況作手輪移動,在傾斜加工面鑽孔時,刀具位於工件內部停止,此時必須沿著刀具軸方向移動退避刀具,方可保障刀具安全。

6. 刀具軸方向熱變形補償

針對機台旋轉軸作有關於熱對刀具伸縮的補償機能,刀具軸方向在旋轉狀態下的補償。設定刀具熱變形值配合訊號與PMC控制等執行補償量。

7. 工件設定誤差補償

工件放置在機器工作台上而位置不理想且工件移動不易,此機能可偏移工件座標至理想程式位置點上,座標系與刀具參數會自動計算調整至符合工件設定誤差。而且與旋轉軸相關機能TCP、TWP與3DCRC皆可涉及工件設定誤差補償功能。

複 合化的目標是在機台上利用一次夾持來完成大部分或全部切削加工,以保證工件的位置精度,提高加工效率。然而在這製造優勢下,延伸出干涉碰撞檢查、加工面品 質提升、製造時間縮短、刀具使用壽命提高等目標。其因五軸加工程式編輯抽象,還需仰賴CAD/CAM軟體與後處理器的發展,以及FANUC持續對軟硬體與 智能化等方向的發展。

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