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[交流分享] 五轴加工的RTCP技术详解

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发表于 2019-3-10 17:16:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
一点儿背景

  十数年前,一汽为模具加工招标五轴机床,据说当时去了不少国际大牌厂商,招标现场有外商提出他们的产品好,有RTCP功能,在坐的国内厂商和业内专家一时语塞,几乎无人知晓RTCP为何方神圣,最后还是国内最早从事数控研究的某高校知名教授现场指点迷津,才为国内业界挽回局面。但一直到十几年之后的“十一五”数控重大专项出台前后,RTCP概念才开始得到国内数控业界和学界的广泛关注。

  差不多两年,一业内企业在媒体上高调宣称其具有自主知识产权的高端数控系统具有RTCP和极高段数的前瞻功能,问及RTCP和前瞻的精髓是什么时,也就噤声不语了,不知是不愿说,还是没法说。

  今年年底“十一五”数控重大专项的高端数控系统的五家中标企业:华中、广数、高精(蓝天)、航天、光洋都将进行项目验收,届时RTCP将不可避免地称为验收的焦点之一,八仙过海,各显神通,验收原则上不会不过,但实效如何,国产的RTCP能否稳健走向市场,并为用户创造价值,大家仍需拭目以待。



个人对RTCP的理解

  一台数控机床有五个联动轴并不能就此简单地称之为五轴机床,同样,一套数控系统能控五个轴,也不能就此声称为五轴数控系统,判断一台数控机床是不是五轴机床,一套数控系统是不是真正的五轴系统,首先必须看其是否具备RTCP功能,Fidia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的缩写,字面意思是“旋转刀具中心”,业内往往会稍加转义为“围绕刀具中心转”,也有一些人直译为“旋转刀具中心编程”,其实这只是RTCP的结果。PA的RTCP则是“Real-time Tool Center Point rotation”前几个单词的缩写。海德汉则将类似的所谓升级技术称为TCPM,即“Tool Centre Point Management”的缩写,刀具中心点管理。还有的厂家则称类似技术为TCPC,即“Tool Center Point Control”的缩写,刀具中心点控制。

  从Fidia的RTCP的字面含义看,假设以手动方式定点执行RTCP功能,刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点将维持不变,此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点处的法线上,而刀柄将围绕刀具中心点旋转,对于球头刀而言,刀具中心点就是数控代码的目标轨迹点。为了达到让刀柄在执行RTCP功能时能够单纯地围绕目标轨迹点(即刀具中心点)旋转的目的,就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移,这样才能够在保持刀具中心点以及刀具和工件表面实际实际接触点不变的情况,改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线之间的夹角,起到发挥球头刀的最佳切削效率,并有效避让干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心点(即数控代码的目标轨迹点)上,处理旋转坐标的变化。

  不具备RTCP的五轴机床和数控系统必须依靠CAM编程和后处理,事先规划好刀路,同样一个零件,机床换了,或者刀具换了,就必须重新进行CAM编程和后处理,因而只能被称作假五轴,国内很多五轴数控机床和系统都属于这类假五轴。当然了,人家硬撑着把自己称作是五轴联动也无可厚非,但此(假)五轴并非彼(真)五轴!

Fidia C20数控系统宣传样本关于RTCP的描述

(以下文字面由本人参照英文样本翻译,不够贴切之处请不吝指正)

RTCP功能可以直接在机床上针对双摆铣头和双转台管理刀具的空间长度补偿。

这样一来,五轴刀路的编程就可以不必在数控代码生成之前就考虑该如何在刀路中体现数控机床的刀具或者工作台的轴心及其偏差。



RTCP具有一下特点:

   1.针对刀具的实际切削点执行进给控制;

   2.针对五个轴的前瞻控制;

   3.可处理垂直、倾斜和存在偏心的铣头;

   4.“虚拟主轴”:将某个轴定向到刀具轴线上执行钻削和回退操作;

   5.针对五轴的坐标旋转和(或)坐标变换;

   6.参考坐标系(G194)的旋转:应用于加工程序以及那些来自JOG或手轮的运动;



  RTCP功能也可以用于三轴加工程序:在保持刀具与工件的实际接触点不变的前提下,以手动方式改变铣头或工作台的姿态角。



RTCP和HMS

  RTCP功能和HMS铣头标定系统相结合是五轴铣削领域独一无二的成果技术,非常有助于提高刀尖运动精度。

  HMS(节选)

  HMS铣头量测系统用于量测和校验双摆铣头和双转台的连续运动和定位数据,配备有连接到数控系统的三只传感器和专门的测量管理软件。软件实时处理输入数据,并功能校验和修正几何误差、位置精度,以及铣头和转台的RTCP参数。

HMS是一款高精度量仪,可替代采用标准刻度盘的传统校验方法。其优点包括:

  1.极大地降低校验时间(仅半个小时而不是一整天)

  2.量测铣头和转台的全部位置(而不仅仅是正交位置)

  3.量测RTCP参数

  4.自动在数控系统中插入修正值

摘自“金属加工世界”《五坐标高速铣削加工与编程的关键技术》

  文中“四、五坐标高速铣削后处理程序开发”之“1.五轴机床旋转刀具中心编程RTCP(Rotation Tool CentrePoint)”一小节内容如下:

  五坐标机床及其加工编程,常用RTCP功能对机床的运动精度和数控编程进行简化,下面对RTCP(Rotation Tool Centre Point 旋转刀具中心)编程进行简要说明。

  非RTCP模式编程:为了编程五坐标的曲面加工,必须知道刀具中心与旋转主轴头中心的距离:这个距离我们称为转轴中心(pivot)。根据转轴中心和坐标转动值计算出X、Y、Z 的直线补偿,以保证刀具中心处于所期望的位置。运行一个这样得出的程序必须要求机床的转轴中心长度正好等于在书写程序时所考虑的数值。任何修改都要求重新书写程序。对于FIDIA C20数控系统G96 激活RTCP,G97 禁止RTCP

  RTCP模式编程:选件RTCP 的运行原理是当存在此选项时,控制系统会保持刀具中心始终在被编程的XYZ位置上。为了保持住这个位置,转动坐标的每一个运动都会被XYZ 坐标的一个直线位移所补偿。因此,对于其它传统的数控系统而言,一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移;而对于FIDIA 数控系统(当RTCP 选件起作用时),是坐标旋转中心的位移,保持刀具中心始终处于同一个位置上。在这种情况下,可以直接编程刀具中心的轨迹,而不需考虑转轴中心,这个转轴中心是独立于编程的,是在执行程序前由显示终端输入的,与程序无关。通过计算机编程或通过PLP 选件被记录的三坐标程序,可以通过RTCP 逻辑,以五坐标方式被执行。对于这种特殊的应用方法,必须要求使用球形刀具。这些转动坐标的运动,可以通过JOG 方式或通过手轮来完成,所以在某些加工条件下,允许所使用的刀具,其长度值小于用于三坐标加工的刀具。



国外关于RTCP的实际应用价值的两则讨论和观点



以下文字由本人亲自翻译(不够贴切之处请不吝指正):

【1】很多数控系统具备一种叫做“刀具中心管理”的实用功能,该功能可以被称作 RTCP,TCPC或者TCPM,具体称呼往往因数控系统的制造商而异,无论是哪个牌子的数控系统,该功能都会起到一些大致相同的作用,“刀具中心管理”最关键的功能就是允许数控系统在五轴加工模式下按照装夹偏差在线调整数控代码的执行,因而可以把同一个后处理代码应用于整批零件。

  好处是操作工不必把工件精确地和转台的轴心线对齐,工件安装后用探头进行测量,将轴心偏差存入数控系统的指定寄存器并在加工过程中随数控代码一起应用。该功能可以降低铣床因工件装卡造成的空闲时间,使机床有更多的时间用于金属切削。与购置第二套托盘和工作台,在加工第一个托盘上的工件时,同期装卡后续工件的方法相比,该方法更为经济。

更有甚者,“刀具中心管理”功能还允许降低同一系列零件的装夹精度,既不必精确实现与机床的定位关系,也不必精确实现与同批次的其它零件的相对定位关系。这样一来,我们不仅能够减少装夹工件的劳动量和机床空闲时间,而且该控制功能还可以降低夹具成本和准备时间,甚至可以免除工件的安装定位面。



【2】一般说来RTCP和TCPM就是一回事。不过这类功能的实际效果并不只是在手册上说说,而是已经集成在数控制造商提供的软件和固件系统当中,不过制造商显然不会明确地告诉你他们该如何实现“刀具中心点控制”算法。

“刀具中心点控制”这一技术概念中至少应包含以下几个不同的功能:

1.在数控系统内执行的多坐标运动学变换。这样做的好处之一是CAM软件的后置处理无需执行这一数学运算,另一个好处是旋转轴的中心偏差可以记录在机床数控系统的寄存器列表中,该功能最大的好处是一个数控加工程序可以在工厂中不同的机床上使用,尽管这些机床的轴心偏差各不相同。要是在过去(其实并不久远),想在不同的机床上加工同一个零件,你就必须在CAM的后置处理中使用不同的轴心偏差,生成不同的数控代码,尽管这些机床出自同一个制造商而且拥有相同的动态特性。

  与此同时,进给速度也是由数控系统的内部算法直接控制刀具实际加工点的轨迹运行速度,这一做法与过去用CAM软件以“时间反算”模式计算每个程序块所需的运行时间(即进给率)的方法截然不同。

2.“刀具中心管理”一般都包含夹具偏心处理功能。机床配备的探头可以在线测量零件的装夹位置,位置偏差则累加到前面提及的轴心偏差上。

   由此带来的又一好处是同一系列的零件可以装夹到同一台机床上,由探头测量定位情况,以同一套数控代码加工所有零件。最终用户不必为了把零件中心定位到可接受的细小误差容限之内而花费额外的时间去“敲打”调整零件。



【后记】读过这两段讨论才明白,原来RTCP不仅仅是为技术而技术的噱头,这一点与国内对RTCP的技术本身的热衷和炒作大相径庭。只有实用的、能够切实为用户带来便利、并为用户创造超越于技术的价值的技术才是好技术。比如“前瞻”技术,俗称“超前读”,5~6年前还是国内数控厂商热潮的概念,如今已经炒不起来了,因为有不少厂家早已籍前瞻技术实实在在的在为用户创造价值了,还炒什么炒,赶紧做才是赚钱的出路。国内RTCP却仍处在玩概念、谈性能、讲功能的初级阶段,离实用尚远,但这并不妨碍RTCP技术是一项实用价值颇巨的好技术的论断。希望国内数控系统和机床厂商能够早日认识到这一点,把RTCP做实、做透、在产品上做开来,为用户创造更多超越于RTCP技术本身的实实在在的价值。说俗了,就是能帮用户通过RTCP技术赚到更多的钱,只有客户能赚到钱,厂商才有钱可赚,国内高端数控产品才有出路、有机会、有钱赚。否则国内高端数控永远只能是传说、永远只是拿来给政府和股市说事儿的噱头。



原帖中几段翻译内容所对应原文如下:

【Fidia C10-C20】

RTCP

Applied to bi-rotary heads and roto-tiltingtables, the RTCP function manages tool length compensation in space, directlyfrom the machine tool.

A 5-axis tool path can therefore beprogrammed without having to consider the pivot that will be inserted in the NCtool table before the program is executed.



RTCP characteristics:

■controlled feed at the tool tip

■look ahead on 5 axes

■management of orthogonal, angular and eccentric heads

■“virtual quill”: manages an axisoriented in the tool direction for executing drilling and release movements

■rotation and/or translation on 5 axes

■rotation of the reference system (G194): applied to programmedmovements and to those executed by jog or by means of the handwheel



The RTCP function can also be used for3-axis programs: by orientating the head or table manually, the tool tip ismaintained in contact with the part.



RTCP and HMS

Combining the RTCP function with the HMShead calibration system is a winning and unique formula in 5-axis millingtechnology, with clear benefits for accuracy of movement at the tool tip.



HMS

The HMS system is a device designed formeasuring and checking continuous and indexed bi-rotary heads and roto-tiltingtables. Equipped with 3 sensors connected to the CNC, the HMS system is managedby a specific measurement software. By processing incoming data in real time,the software is able to check and correct geometric error, positioning accuracyand the RTCP parameters for the heads and tables.



HMS is a high-precision instrument andprovides an alternative to the traditional checking method using dial gauges.It has many advantages:

■a drastic reduction in checking time (half an hour rather thanan entire day)

■measurement of all head and/or table positions (not justorthogonal positions)

■measurement of RTCP parameters

■automatic insertion of correction values in the CNC.



【1】http://www.moldmakingtechnology.com/articles/010704.html

Most CNC controls have a utility functioncalled tool center point management. Depending on the control manufacturer,this function may be named RTCP, TCPC or TCPM. The utility performs manyfunctions with similar behavior no matter the controller. The key functionperformed by tool center point management systems is to allow the CNC controlto accept fixture offsets and adjust NC data—on the fly—while working infive-axis mode; thereby, allowing one set of post-processed data to work for anentire batch of parts.



The benefit is that an operator need notalign a workpiece precisely to the rotary table centerline. A part can bemounted and probed, and the offsets from center can be loaded into the controlregisters and processed with the NC data during operation. This function canreduce idle time on a milling machine while mounting a part and have themachine tool focus on chip removal. This is a more economical approach thanpurchasing a secondary pallet and table to allow part mounting while the parton the first pallet is being machined.



Taken one step further, the tool centerpoint management allows a series of parts to be mounted without being preciselylocated on the machine or without being precisely mounted relative to theremainder of the production lot. So not only can we reduce the labor formounting parts and the machine idle time, this control function can reduce thecost and preparation time for mounting fixtures and otherwise non-criticalmounting surfaces on the workpiece.



【2】http://www.cnczone.com/forums/showthread.php?t=82998

Generically speaking they are the same. Butthe actual performance of these functions is not in a manual, but inside thesoftware/firmware of the control manufacturers. And they don‘t seem to tell youexactly how they accomplish the mathematics for tool center point control.



There are a few different functions thatmay be included in the "tool center point" technology concepts.



1. Kinematic transformations (multi-axis)are performed inside the CNC control. A benefit of this is that the CAMsoftware postprocessor need not perform this math. The second benefit is thatpivot offsets are held within the machine control register tables. The bigbenefit of this function is that one NC program can be applied to differentmachines in your shop that may have different pivot offsets. In the old days(not so long ago), you would have to include the pivot offsets in the CAMpostprocessor, and then need different NC code to run the same part on machineAand machineB (same maker and kinematics).



Together with this, feedrate is controlledat the tool tip using math inside the control. This latter point is in contrastto historical "inverse time" modes where the CAM software had tocalculate a time (feedrate) for each block.



2. Tool center point management oftenincludes fixture offsets. A part is placed on the machine tool. The local isdetermined by on-board probes. The position offsets are added to theabove-mentioned pivot offsets.



The benefit again is that serial parts canbe put on the same machine, located by probe, and one set of NC instructionscan cut all parts. The end-user need not spend extra hours "tapping"in a part so that it is located on center within an acceptably small tolerance.
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