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五軸五聯動系統的RTCP功能的個人理解

    十數年前,一汽為模具加工招標五軸機床,據說當時去了不少國際大牌廠商,招標現場有外商提出他們的產品好,有RTCP功能,在坐的國內廠商和業內專家一時語塞,幾乎無人知曉RTCP為何方神圣,最后還是國內最早從事數控研究的某高校知名教授現場指點迷津,才為國內業界挽回局面。但一直到十幾年之后的“十一五”數控重大專項出臺前后,RTCP概念才開始得到國內數控業界和學界的廣泛關注。 
差不多兩年,一業內企業在媒體上高調宣稱其具有自主知識產權的高端數控系統具有RTCP和極高段數的前瞻功能,問及RTCP和前瞻的精髓是什么時,也就噤聲不語了,不知是不愿說,還是沒法說。 
今年年底“十一五”數控重大專項的高端數控系統的五家中標企業:華中、廣數、高精(藍天)、航天、光洋都將進行項目驗收,屆時RTCP將不可避免地稱為驗收的焦點之一,八仙過海,各顯神通,驗收原則上不會不過,但實效如何,國產的RTCP能否穩健走向市場,并為用戶創造價值,大家仍需拭目以待。 

個人對RTCP的理解 

一臺數控機床有五個聯動軸并不能就此簡單地稱之為五軸機床,同樣,一套數控系統能控五個軸,也不能就此聲稱為五軸數控系統,判斷一臺數控機床是不是五軸機床,一套數控系統是不是真正的五軸系統,首先必須看其是否具備RTCP功能,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫,字面意思是“旋轉刀具中心”,業內往往會稍加轉義為“圍繞刀具中心轉”,也有一些人直譯為“旋轉刀具中心編程”,其實這只是RTCP的結果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個單詞的縮寫。海德漢則將類似的所謂升級技術稱為TCPM,即“Tool Centre Point Management”的縮寫,刀具中心點管理。還有的廠家則稱類似技術為TCPC,即“Tool Center Point Control”的縮寫,刀具中心點控制。 
從Fidia的RTCP的字面含義看,假設以手動方式定點執行RTCP功能,刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將維持不變,此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上,而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉,對于球頭刀而言,刀具中心點就是數控代碼的目標軌跡點。為了達到讓刀柄在執行RTCP功能時能夠單純地圍繞目標軌跡點(即刀具中心點)旋轉的目的,就必須實時補償由于刀柄轉動所造成的刀具中心點各直線坐標的偏移,這樣才能夠在保持刀具中心點以及刀具和工件表面實際實際接觸點不變的情況,改變刀柄與刀具和工件表面實際接觸點處的法線之間的夾角,起到發揮球頭刀的最佳切削效率,并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點(即數控代碼的目標軌跡點)上,處理旋轉坐標的變化。 
不具備RTCP的五軸機床和數控系統必須依靠CAM編程和后處理,事先規劃好刀路,同樣一個零件,機床換了,或者刀具換了,就必須重新進行CAM編程和后處理,因而只能被稱作假五軸,國內很多五軸數控機床和系統都屬于這類假五軸。當然了,人家硬撐著把自己稱作是五軸聯動也無可厚非,但此(假)五軸并非彼(真)五軸!

Fidia C20數控系統宣傳樣本關于RTCP的描述 

(以下文字面由本人參照英文樣本翻譯,不夠貼切之處請不吝指正) 

RTCP功能可以直接在機床上針對雙擺銑頭和雙轉臺管理刀具的空間長度補償。 
這樣一來,五軸刀路的編程就可以不必在數控代碼生成之前就考慮該如何在刀路中體現數控機床的刀具或者工作臺的軸心及其偏差。 

RTCP具有一下特點: 
1.針對刀具的實際切削點執行進給控制; 
2.針對五個軸的前瞻控制; 
3.可處理垂直、傾斜和存在偏心的銑頭; 
4.“虛擬主軸”:將某個軸定向到刀具軸線上執行鉆削和回退操作; 
5.針對五軸的坐標旋轉和(或)坐標變換; 
6.參考坐標系(G194)的旋轉:應用于加工程序以及那些來自JOG或手輪的運動; 


RTCP功能也可以用于三軸加工程序:在保持刀具與工件的實際接觸點不變的前提下,以手動方式改變銑頭或工作臺的姿態角。 

RTCP和HMS 
RTCP功能和HMS銑頭標定系統相結合是五軸銑削領域獨一無二的成果技術,非常有助于提高刀尖運動精度。 

HMS(節選) 
HMS銑頭量測系統用于量測和校驗雙擺銑頭和雙轉臺的連續運動和定位數據,配備有連接到數控系統的三只傳感器和專門的測量管理軟件。軟件實時處理輸入數據,并功能校驗和修正幾何誤差、位置精度,以及銑頭和轉臺的RTCP參數。 
HMS是一款高精度量儀,可替代采用標準刻度盤的傳統校驗方法。其優點包括: 
1.極大地降低校驗時間(僅半個小時而不是一整天) 
2.量測銑頭和轉臺的全部位置(而不僅僅是正交位置) 
3.量測RTCP參數 
4.自動在數控系統中插入修正值 

摘自“金屬加工世界”《五坐標高速銑削加工與編程的關鍵技術》 

文中“四、五坐標高速銑削后處理程序開發”之“1.五軸機床旋轉刀具中心編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)”一小節內容如下: 


五坐標機床及其加工編程,常用RTCP功能對機床的運動精度和數控編程進行簡化,下面對RTCP(Rotation Tool Centre Point 旋轉刀具中心)編程進行簡要說明。 
非RTCP模式編程:為了編程五坐標的曲面加工,必須知道刀具中心與旋轉主軸頭中心的距離:這個距離我們稱為轉軸中心(pivot)。根據轉軸中心和坐標轉動值計算出X、Y、Z 的直線補償,以保證刀具中心處于所期望的位置。運行一個這樣得出的程序必須要求機床的轉軸中心長度正好等于在書寫程序時所考慮的數值。任何修改都要求重新書寫程序。對于FIDIA C20數控系統G96 激活RTCP,G97 禁止RTCP 
RTCP模式編程:選件RTCP 的運行原理是當存在此選項時,控制系統會保持刀具中心始終在被編程的XYZ位置上。為了保持住這個位置,轉動坐標的每一個運動都會被XYZ 坐標的一個直線位移所補償。因此,對于其它傳統的數控系統而言,一個或多個轉動坐標的運動會引起刀具中心的位移;而對于FIDIA 數控系統(當RTCP 選件起作用時),是坐標旋轉中心的位移,保持刀具中心始終處于同一個位置上。在這種情況下,可以直接編程刀具中心的軌跡,而不需考慮轉軸中心,這個轉軸中心是獨立于編程的,是在執行程序前由顯示終端輸入的,與程序無關。通過計算機編程或通過PLP 選件被記錄的三坐標程序,可以通過RTCP 邏輯,以五坐標方式被執行。對于這種特殊的應用方法,必須要求使用球形刀具。這些轉動坐標的運動,可以通過JOG 方式或通過手輪來完成,所以在某些加工條件下,允許所使用的刀具,其長度值小于用于三坐標加工的刀具。 

國外關于RTCP的實際應用價值的兩則討論和觀點 

以下文字由本人親自翻譯(不夠貼切之處請不吝指正): 

【1】很多數控系統具備一種叫做“刀具中心管理”的實用功能,該功能可以被稱作 RTCP, TCPC或者TCPM,具體稱呼往往因數控系統的制造商而異,無論是哪個牌子的數控系統,該功能都會起到一些大致相同的作用,“刀具中心管理”最關鍵的功能就是允許數控系統在五軸加工模式下按照裝夾偏差在線調整數控代碼的執行,因而可以把同一個后處理代碼應用于整批零件。 
好處是操作工不必把工件精確地和轉臺的軸心線對齊,工件安裝后用探頭進行測量,將軸心偏差存入數控系統的指定寄存器并在加工過程中隨數控代碼一起應用。該功能可以降低銑床因工件裝卡造成的空閑時間,使機床有更多的時間用于金屬切削。與購置第二套托盤和工作臺,在加工第一個托盤上的工件時,同期裝卡后續工件的方法相比,該方法更為經濟。 
更有甚者,“刀具中心管理”功能還允許降低同一系列零件的裝夾精度,既不必精確實現與機床的定位關系,也不必精確實現與同批次的其它零件的相對定位關系。這樣一來,我們不僅能夠減少裝夾工件的勞動量和機床空閑時間,而且該控制功能還可以降低夾具成本和準備時間,甚至可以免除工件的安裝定位面。 

【2】一般說來RTCP和TCPM就是一回事。不過這類功能的實際效果并不只是在手冊上說說,而是已經集成在數控制造商提供的軟件和固件系統當中,不過制造商顯然不會明確地告訴你他們該如何實現“刀具中心點控制”算法。 
“刀具中心點控制”這一技術概念中至少應包含以下幾個不同的功能: 
1.在數控系統內執行的多坐標運動學變換。這樣做的好處之一是CAM軟件的后置處理無需執行這一數學運算,另一個好處是旋轉軸的中心偏差可以記錄在機床數控系統的寄存器列表中,該功能最大的好處是一個數控加工程序可以在工廠中不同的機床上使用,盡管這些機床的軸心偏差各不相同。要是在過去(其實并不久遠),想在不同的機床上加工同一個零件,你就必須在CAM的后置處理中使用不同的軸心偏差,生成不同的數控代碼,盡管這些機床出自同一個制造商而且擁有相同的動態特性。 
與此同時,進給速度也是由數控系統的內部算法直接控制刀具實際加工點的軌跡運行速度,這一做法與過去用CAM軟件以“時間反算”模式計算每個程序塊所需的運行時間(即進給率)的方法截然不同。 
2.“刀具中心管理”一般都包含夾具偏心處理功能。機床配備的探頭可以在線測量零件的裝夾位置,位置偏差則累加到前面提及的軸心偏差上。 
由此帶來的又一好處是同一系列的零件可以裝夾到同一臺機床上,由探頭測量定位情況,以同一套數控代碼加工所有零件。最終用戶不必為了把零件中心定位到可接受的細小誤差容限之內而花費額外的時間去“敲打”調整零件。

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