矢量编程简化五轴加工工艺

由于这一车间最大的五轴加工中心上的CNC系统采用矢量坐标作为程序输入，而不是采用传统的G代码，因此复杂工件可以轻易地从一台机床转移到另一台机床上进行加工。

Desemco公司（位于乔治亚州Marietta市）作为航空航天工业中非常优秀的一个五轴加工车间，它可承担从设计到最终生产的全部加工项目。这家由15人组成的公司以其具有竞争力的价格、一流的生产质量和优异的按时交货纪录，赢得了附近一家航空航天制造商和其他航空航天及国防承包商的加工业务。

Desemco公司的专长是从事航空航天工业复杂工件的高精度加工，这些工件由镍铁合金一类的航空级铝合金、钛合金和高强度合金材料制成。其加工的典型工件包括纵梁、舱壁、叶轮和窗户垫圈的模具。

对于加工这么多类型的零件而言，采用具有五轴加工能力的机床是必不可少的。某些几何形状，例如像复杂的轮廓和底部切槽，简直是无法加工生产的，除非刀具或工件可以与其他3根直线运动轴同时协调地联动旋转运行。在其他情况下，如无法接近零件的5个加工面，那么工件必将需要进行多次的调试设置，因而会影响机床的生产时间，甚至危及加工精度。

出于这个原因，Desemco公司已投入巨资购置五轴加工中心。其中体积最大和加工能力最强的是两台来自OKK公司的机床：KCV1000和VP600。KCV1000型机床通常配有一个很长的工作台和行程可以延伸到的137in（1in=25.4mm）的X轴。这台机床具有加工专门为飞机设计的较长和较大工件的能力。购置这台机床是一个重要的市场战略性决定，因为极少的加工车间需要这样大尺寸的机床，其超长的X轴，也使得Desemco公司能够在工作台的不同区段上设置几个较小的工作区。机床的这种灵活性为作业调度和生产计划提供了极大的战术价值。该机床属于“刀具旋转”类机型。旋转轴位于主轴加工头内。

图1 配有一特长工作台的五轴加工机床具有很大的灵活性，既可以通过一次性装卡调试加工一个大型零件，
也可在工作台的不同区段上设置加工几个更小的零件

相比之下，VP600型机床属于“工作台旋转”类机型。其旋转轴由一个装有耳轴的旋转工作台组成。除了处理在长工作台机床上开始堆积的较小五轴加工件之外，VP600型机床业还可以锁住其旋转轴，作为一台功能强大的三轴铣床使用。

遗憾的是，购置两台不同配置的五轴机床给预期的灵活性造成了一个障碍。原先适用于在刀具旋转型机床上后处理加工的传统G代码CNC程序，无法在工作台旋转的机床上使用。为了将工件从一台机床上转移到另一台机床上加工，Desemco公司的编程人员将不得不为第二台机床购置适当的后处理器，并将其应用于原先由Mastercam公司提供的五轴编程软件所生成的刀具路径数据。

当Desemco公司找到这家为第一台OKK机床开发后处理器的本地经销商Mastercam公司时，他们提出了一个不同的方法。Mastercam公司认为，该机床的FANUC CNC系统有一款软件，可以使他们直接处理五轴矢量坐标，作为CNC程序的输入。

在概念上，这种“矢量编程”可以避开两个困难。因为由CAM系统生成的矢量坐标（X、Y、Z、I、J及K）将只确定与零件几何形状有关系的刀具运动方向，因此它们属于“中性类机床”。也就是说，需要将这些坐标转变成机床特定运动指令的转换值和计算值还没有得到应用。这使得矢量编程易于携带：一台机床上的输入可以携带或传送到另一台机床上，只需做少量的修改或无需修改。

除了能够解决不兼容的G代码程序问题之外，矢量编程对某些后处理器问题的解决也是非常有效的。有了矢量输入，执行一个零件的程序时，通常由后处理器执行的复杂数学问题，现在可以在CNC系统中进行处理。这意味着后处理器只具有一个应用基本数据格式约定的简单翻译器功能。此外，同样的后处理器，现在可用于任意OKK机床上的程序。任何特定机床的旋转轴指令，例如像基准复位指令，都可由储存在单个控制系统内的宏指令进行处理。

这听起来像一个不错的想法，但要将这个想法实现，需要一个团体的共同努力，这里将涉及到CAM软件经销商、CNC系统供应商、当地的机床经销商和Desemco公司的技术人员。只有通过共同合作，才能够使矢量编程成为一个成功的现实。

Desemco公司的销售主任Grant Salmon先生认为，他的车间是到目前为止的最大的受益者：“当我们将便携式CNC技术向我们最大的航空航天客户演示时，给他们留下了深刻的印象。他们看到了我们的五轴加工具有更大的灵活性和安全性。这给了他们更大的信心，清楚我们有能力处理复杂的工件，并能够按时完成任务。”Salmon先生根据这一增强的五轴加工能力，也看到了其车间业务的发展潜力。Salmon先生表示：“我们还打算购置一台更大的五轴龙门式机床。对于这样的机床来说，具有矢量编程的功能是绝对需要的，只有这样，机床才能适应车间灵活的加工策略。”

图2 OKK KCV1000型机床的旋转轴主轴加工头

追根溯源

Jimmy Wakeford先生是Barefoot CNC公司的总裁，是Mastercam公司的经销商。通过与Watson先生的合作，他确信其编程部门的Mastercam五轴加工软件可设置用于生成相应的矢量坐标，并使后处器具有发送为机床准备程序的能力。他还与Eric Dechant先生和Todd Horton先生密切合作，前者是FANUC FA美国公司地区办事处负责机床生产率程序的地区经理；后者是Phillips公司Jeffreys Manufacturing Solutions分公司的亚特兰大地区销售工程师，该公司是该地区负责OKK系列产品的机床经销商。他们一起解决有关某些机床参数可变设定值的各种细节问题和每台机床上FANUC CNC系统所固有的运动极限问题。

2012年1月，Desemco公司将矢量编程完全融入到其操作之中。五轴加工机床操作员将已完成的CNC程序，从该车间网络的文件服务器上下载到矢量格式之中，现在这种做法已成他们的常规工作。一个程序需要在车间编辑的情况非常罕见，他可以改变代码，重新运行一个零件，然后将改变的程序返回给服务器。由于同样的程序可以在任何一台OKK机床上使用，将工件从一台机床转移到另一台机床，无需编程部门的帮助。

CNC系统中的应用技术

Dechant先生说，矢量编程的主要应用技术在于CNC系统。早在2000年的时候，FANUC公司就开始提供了支持某种格式的矢量编程。他解释说，随着越来越多的厂商采用五轴加工技术，制造商开始引进新的机床设计与不同的主轴配置，人们对矢量编程的兴趣也越来越大。最初，当FANUC公司推广这一系列控制系统（FANUC系列30i/31i/32i-Model A CNC系统）时，将重点放在由该公司开发的先进功能上，以提高五轴加工的生产效率。矢量编程选项补充了其他的CNC功能，例如像自动工具中心点（TCP）的控制、刀具位置的控制（TPC）以及TCP的极微量调节和高速稳定性。所有这些功能都应用复杂的软件程序来调节刀具的位置和方向，以达到更加顺畅和更快的加工效果。

在准备零件的五轴加工程序时，通过将通常为后处理器保留的转换值和计算值合并在一起，矢量编程就可以更进一步。通常情况下，五轴CAM软件可生成两组相应的几何坐标。X、Y和Z代表了3D空间中一系列的密集点，它几乎接近刀尖与工件表面之间的整个行程。而I、J和K坐标则代表在给定长度上的刀具另一端行程。X、Y、Z和I、J、K坐标一起构成了确定刀具位置和方向的矢量值。

在过去，后处理器的工作是从CAM系统（通常是CL数据或类似的格式）中获取数据，然后将其转换成可以在某一特定机床上使用的代码。除了特定机床上的刀具长度、直径、枢轴长度、零件位置和任何机械误差之外，该后处理器还将处理线性轴和旋转轴位置所需的所有计算值。程序是为“特定机床”设计的，这些变量中的任何变化需要返回到编程部门重新做起。

有了今天的CNC系统的先进功能，这种情况将不会再次发生。矢量编程将后处理器的某些关键功能转移到了CNC系统。这使得来自CAM系统的X、Y、Z坐标和I、J、K坐标能够作为一个CNC的数控程序输入方式进行输入。因为该输入基于零件几何形状的基础之上，而不是机床的几何形状，因而仍然保留着其便携性特点。

还必须了解的是，矢量编程在FANUC 300iS-A控制系统上以及在OKK机床的310iS-A5控制系统上是非常有效的，因为它集中了有关刀具的控制功能。Dechant先生说：“它们作为一个工具包一起工作，以提高五轴加工的生产成果。”

众多的优点

Salmon先生说，矢量编程对Desemco公司产生了众多的战术和战略价值。反过来说，该车间的成功，对参与该项目的供应商也产生了一个积极的涟漪效应。

提供一个相对比较简单的后处理器，针对OKK五轴机床中的其中一台机床，用FANUC控制系统准备CNC程序。还希望相同的后处理器能够用于配有该车间可能购置类似控制系统的其他五轴加工机床上。这个后处理器的更新，将确保所有目前的五轴编程与最新技术保持与时俱进。采用流水线作业排除故障，后处理时间大大缩短。这有利于编程部门节约更多的时间，以便在CNC发放给车间使用前，进行彻底的验证和优化。Salmon先生说，这一点是非常重要的，因为Desemco公司已成为 CGTech公司Vericut模拟和优化软件的一个广泛用户。

因为比较简单的后处理器可以进行彻底的测试和调试，并可获得一致性更好和更有预见性的加工效果，质量问题大大减少。同样，在CNC中执行的后处理器功能是不会变化的。一旦将最优值和最佳设置值输入到机床以后，其后处理的结果将始终是相同的。Salmon先生报告说，这对改善加工时间的作用虽然微不足道，但却具有实质性意义，由于程序的优化，这将有利于超越和加速加工周期时间。

Salmon先生确信，由于采用矢量编程，五轴的运动越流畅就越能提高表面质量，但他也承认，这一点还未能予以验证。矢量编程是采用一个市场的微分器进行区别的，Desemco公司已成为该项技术的领头羊。客户的信心在不断增加，因为该车间承担的工作任务并不是依赖任何一个主轴的实用性。该车间对安装一台更大型化五轴龙门铣床的计划具有更大的信心，因为后处理器发生延误或困难的情况似乎是不可能的。作为一种生产资源，这台机床的灵活性将得到保证。

一个全球性的大转移

Dechant先生认为Desemco公司将不是唯一的案例，以矢量格式作为CNC的输入使用程序的概念并不是其专有的方式，FANUC公司提供这种能力作为五轴机床用户的一个选项并不是独此一家。“然而，采用配有这种先进技术的CNC系统只是走出了第一步。”他解释说，“为了达到实施它的目的，必须掌握CNC系统背后的专业知识，这是至关重要的。”Dechant先生建议所有的五轴加工车间更密切地注意这一情况。

同样，Salmon先生渴望更广泛地推广使用这种技术。“我们大家从这个国家航空航天供应商的强大基础上获益匪浅。对我们来说，尤其重要的是，矢量编程使我们的重点集中在加强从设计到生产的无缝连接的工作能力之上。”他说。