智能装备与系统五轴数控机床为什么选择五轴而非六轴联动

在工科生心中,通常会有这样一个概念:三维空间中的物体具有6个自由度。比如说,一个物体的六个自由度分别是沿着X、Y、Z三个轴的直线移动,以及绕这三个轴旋转,这些旋转方向遵循右手螺旋定则。

然而,由于这个概念的影响,有人可能会误以为“实现空间任意方向加工”的机床必须拥有6个自由度或6个轴。但事实上,尽管空间物体有6个自由度,但并不意味着能实现任意角度加工的机床就必须包含6个轴。这是问题的关键。

传统三轴机床在处理包含复杂表面或多孔结构品种时,要使刀具从各方面接触到产品,需要使用特殊夹具,并且还要进行多次操作变换。而五轴联动数控机床可以通过单次装夹完成高速、高精密加工。

因此,我们知道的是,不论是三轴还是五轴数控机床,其核心在于如何描述和控制刀具(或测头)的位置和姿态。这里,“姿态”指的是刀具(或测头)相对于工作坐标系中某点位置所需旋转的情况,而不是简单地沿着X、Y、Z三个直线运动。

我们来看一下三维空间中的两个不同的坐标系统——球面坐标系和直角坐标系。在球面坐标系中,可以用经纬度来表示任何一点,而这些经纬度即对应了两组独立的参数,它们共同决定了该点在地球上的确切位置。同样,在描述五轴数控机床中的刀具(或测头)姿态时,我们只需要考虑两个独立参数,即A、B两个旋转角,以便确定其在三维空間中的具体位置,从而实现任意方向接近被加工工件。

最后,我想补充一点关于欧拉角的问题。在图形学中,用欧拉角描述飞机等对象的空间姿态往往涉及三个独立参数:偏航(yaw)、俯仰(pitch)以及翻滚(roll)。然而,在讨论刀术矢量时,只需关注两个独立参数即可,因为我们不关心绕主軸方向翻滚的情况,只需考慮偏航(yaw)与俯仰(pitch)就足够了。这也是为什么只有两个自由度足以定义一个给定的刀术矢量,从而指导我们的数控系统准确控制器械运动至预设位姿状态。

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