3.1.1 刀轴控制
在刀轴控制对话框里，用户可以定义路径输出类型、刀轴的倾斜方式、刀具和驱动曲面的接触点以及机床加工角度限制范围等，其设置对话框如图3-3所示，下面对此对话框中的参数进行详细说明。
1.输出格式
当使用五轴TP时，刀轴控制对话框下的输出格式有五轴、四轴和三轴三种格式选择。
（1）五轴
使用这种格式输出时，刀轴在机床摆动范围内不受限制，可以进行五轴五联动加工，如图3-4a所示，刀具既旋转又摆动，选用这种格式，需要机床支持五轴五联动。
（2）四轴
使用这种格式输出，刀轴在机床摆动范围内有一个角度轴受到限制，最多是五轴四联动加工，如图3-4b所示，刀具可以旋转，但不能摆动。
选择四轴格式时，会出现如图3-5所示的对话框，其中“X轴”“Y轴”和“Z轴”指定的是第四旋转轴，比如，第四轴是绕着X轴旋转，就勾选“X轴”即可，应根据机床实际情况来设置。
其中“锁定第五轴”适用于带有固定摆头（或者角度头）的四轴机床，主轴和第四旋转轴的角度在“锁定第五轴”后面的文本框中填写，这同样可以用于五轴机床，只不过一个旋转轴摆过一定角度后不再摆动，此种格式用在五轴四联动机床中。
图3-3 刀轴控制
（3）三轴
使用这种格式输出，刀轴在机床摆动范围内有两个旋转自由度受限制，只能是在Z轴方向进行加工，如图3-4c所示，刀具既不能旋转也不能摆动。
图3-4 加工输出格式
a）五轴输出 b）四轴输出 c）三轴输出
2.最大角度步距
用来限制五轴轨迹上两个路径点之间的最大角度增量值，如图3-6所示，这个数值给得越小，计算出来的刀路轨迹点就越多，加工效果就越好，但加工时间也越长。
图3-5 指定第四轴
图3-6 最大角度步距
3.刀轴将…
此选项用来定义刀轴倾斜方式，如图3-7所示，一共有12个选项，下面对这12项进行详细介绍。
（1）不倾斜，保持和曲面垂直
刀具在加工过程中，在每一个刀具路径点的位置，刀轴方向始终和该点的曲面法向一致，如图3-8所示，最典型的应用是使用刀具端面加工平面。
图3-7 刀轴倾斜方式
图3-8 不倾斜，保持和曲面垂直
（2）相对铣削方向倾斜
刀具在加工过程中，刀轴可以根据编程设置的角度沿着铣削方向进行前、后或者左、右倾斜，由图3-9所示的两个角度参数进行控制，当用球刀加工曲面时，采用此设置可以避免刀尖加工曲面。其中两个选项介绍如下：
图3-9 相对铣削方向倾斜
● 铣削方向上的前倾角：输入的角度就是刀具沿着铣削方向前倾或者后倾的角度，正值使刀轴沿着加工方向倾斜，负值则相反，如图3-10所示；
● 铣削方向上的侧倾角：输入的角度就是刀具沿着铣削方向左倾或者右倾的角度，在定义侧倾角时，正值使刀轴向左边倾斜（沿加工方向看），负值则相反，如图3-11所示。
图3-10 前倾角
图3-11 侧倾角
当使用“相对铣削方向倾斜”策略时，会出现一个“侧向倾斜定义”参数选项，如图3-12a所示。当使用平行于曲线铣时，其后最多可以有7个子选项供编程者使用，如图3-12b所示，这些选项和上面步骤（2）设置的侧倾角一起影响刀轴的倾斜方向，下面对这7项参数含义介绍如下：
1）引导曲面的标准方向。刀轴方向和驱动曲面的标准方向一致，加工直纹面和多个ISO方向不一致的面时，这是一个很好的选项，如果相邻的两个面的U和V方向不一致，此功能可以使刀轴在两个面加工过渡阶段不至于摆动太大。
单击图3-12a上的“高级”按钮，会出现一个如图3-13所示的窗口。图中各选项介绍如下：
图3-12 侧向倾斜定义
a）侧向倾斜定义参数 b）侧向倾斜定义参数的7个选项
图3-13 相对于铣削方向倾斜的高级选项
● 前倾角渐变值：输入的角度值可以叠加到开始设置的前倾角上，从每一刀的开始到终止输入的角度值是逐步加上去的，例如，设置的前倾角为20°，前倾角渐变值为5°，那么开始加工时前倾角为20°，加工到最后便是20°+5°=25°；
● 侧倾角渐变值：输入的角度值可以叠加到开始设置的侧倾角上，使用方法同前倾角渐变值；
● 侧向倾斜展开距离：用来控制在加工两个ISO方向不同的交叉面时刀轴的变化程度；
● “允许反转侧向”选项：如图3-14所示，勾选这个选项可以使刀具在前进方向上向左、右倾斜；
● 直纹面半径限制值：通过输入一个半径限制值，系统可以把近似直纹面的曲面当成直纹面来加工，在保证零件精度的情况下达到比较好的效果，例如在竖直方向半径为“2000”的曲面，如果直纹面半径限制值为“1999”，则这个面会被当成直纹面来加工；
● 对齐刀轴至平坦曲面边：刀具在初始或结束加工时刀轴方向不是和曲面ISO方向一致，而是沿着曲面的边的，如图3-15所示；
图3-14 刀具的倾斜方向
图3-15 对齐刀轴至平坦曲面边
● 自扭曲曲面改善侧向倾斜定义：使用侧刃加工比较扭曲的曲面时，勾选此项可以优化刀路轨迹。
2）垂直于下边线：刀轴始终和选择的下边线垂直，也就是说下边线的弯曲程度将影响刀轴的倾斜方向。如图3-16所示，如果使用平行于曲线铣削工艺，底部的下边线是刀路平行的曲线，刀具在不同位置时刀轴总是和下边线垂直。
3）垂直于每个位置上的铣削方向：加工时刀轴方向始终和刀路轨迹垂直，如图3-17所示，如果使用平行于曲线铣削工艺，底部的下边线是刀路平行的曲线，刀具在不同位置时刀轴总是和当前刀路轨迹垂直。
图3-16 垂直于下边线
图3-17 垂直于每个位置上的铣削方向
4）垂直于每条轮廓上的铣削方向：系统会找到和切削轮廓垂直的矢量，并使刀轴方向和此矢量一致，逼近有四种类型，分别是“根据一个矢量”“根据两个矢量”“光顺”和“局部光顺”，如图3-18所示。
图3-18 刀轴逼近矢量类型
5）使用主轴主方向：利用定义机床的主轴方向作为刀轴倾斜的参考。如图3-19所示，主轴方向是大箭头指示的方向，加工时刀轴总是定在这个方向上。
6）使用自定义方向：使用定义的方向矢量来确定刀轴方向，可以在出现的对话框中输入两点坐标差值，或者单击对话框中按钮
，选择直线来定义一个方向矢量，如图3-20所示。
图3-19 使用主轴主方向
图3-20 使用自定义方向
7）使用倾斜直线定义：使用事先定义好的直线确定刀轴的方向，刀轴方向是随着这些直线方向变化的，选取这些直线时，要单击如图3-21所示的按钮“倾斜线”去选择。
图3-21 使用倾斜定义刀轴
图3-22a所示的选项是设置一个倾斜直线的最大捕捉距离，当刀路轨迹点和倾斜直线的距离小于这个值时，所选择的直线才会对刀轴有影响，如图3-22b所示。
图3-22 倾斜直线设置及效果
a）倾斜直线的捕捉距离 b）直线对刀轴的影响
（3）根据角度倾斜
可以使刀轴与曲面的法向和选定的轴或直线倾斜一定角度，如图3-23所示，倾斜轴可以是X轴、Y轴或Z轴，也可以是在几何零件上创建的直线，输入的角度可以是正值，也可以是负值，假设曲面法向和选定的轴或直线形成了一个平面，刀轴将在此平面上进行倾斜。
图3-23 根据角度倾斜
根据角度倾斜选项下还有几个参数，各个参数含义如下：
1）极坐标限制：实际是极端限制，一般勾选这个选项，可以使刀具在摆动时不会超过选定的倾斜轴或者直线，避免机床摆动太大角度。
2）刀具交叉于倾斜轴：勾选这个选项，就会迫使刀轴的延长线和倾斜轴或者直线相交。
3）反向刀具：只有“刀具交叉于倾斜轴”选项被勾选时才出现，如图3-24所示，其表示刀具向另一方向倾斜。
（4）以固定角度倾斜至轴
与“根据角度倾斜”选项设置的刀轴方式相反，使用这个选项可以使刀轴以给定的固定角度从选定的倾斜轴向曲面法向倾斜，如图3-25所示，倾斜轴可以是X轴、Y轴或Z轴，也可以是在几何零件上创建的直线，假设曲面法向和选定的轴或直线形成了一个平面，刀轴将在此平面上倾斜。
图3-24 反向刀具
图3-25 以固定角度倾斜至轴
（5）绕轴旋转
刀轴在曲面法向的基础上，绕着给定的轴或直线旋转给定的角度，其参数如图3-26所示，环绕的轴可以是X轴、Y轴或Z轴，也可以是在几何零件上创建的直线。
假设设置的旋转角度为45°，选择的旋转轴是Z轴，如图3-27所示，刀轴方向绕着Z轴旋转了给定的45°角。
（6）通过点倾斜
加工过程中刀轴方向通过选择的点，如图3-28所示。单击“倾斜点”按钮会出现如图3-29所示对话框，可以通过输入坐标值来指定倾斜点，也可以单击新出现的按钮
拾取几何点。
图3-26 绕轴旋转
图3-27 绕轴旋转示例
图3-28 通过点倾斜
对话框上有一个“倾斜角度”参数，通过它可以在原来刀轴方向上再增加一个倾斜角度，角度倾斜可以选择从点向轴倾斜或是从轴向点倾斜，这里的轴可以选择X轴、Y轴、Z轴或者直线，如图3-30所示。
图3-29 “点”对话框
图3-30 倾斜角度
（7）通过曲线倾斜
刀具在加工过程中，刀轴将按照一定倾斜方式指向所选定的曲线，如图3-31所示，共有6种不同的倾斜类型，它们的用途介绍如下：
1）靠近点：刀轴方向是当前刀具路径点到曲线的最短距离点的连线方向，如图3-32所示。
图3-31中的“倾斜角度”参数，可以使刀轴按照给定的角度离开倾斜线，如图3-33所示。
2）由曲线组成的角度：其工作原理见表3-1。
图3-31 通过曲线倾斜
图3-32 靠近点
图3-33 倾斜角度
表3-1 由曲线组成的角度工作原理
（续）
3）由主轴和主方向组成的角度：类似于“由曲线组成的角度”倾斜类型，不同的是在“倾斜角度”参数里定义刀具倾斜时，刀轴要从主轴指向倾斜线方向，如果这个角度设置为“0”，则刀轴方向就会和主轴方向（一般是Z轴方向）平行。
下面的例子体现了“由主轴和主方向组成的角度”控制刀轴时“倾斜角度”对刀轴方向的影响，图3-34a显示“倾斜角度”设置为“0”的刀轴方向，刀轴方向始终和主轴方向（Z轴）一致。图3-34b显示和主轴方向（Z轴）的“倾斜角度”为“10”的刀轴方向。
图3-34 倾斜角度的影响
a）倾斜角度对刀轴影响示例1 b）倾斜角度对刀轴影响示例2
4）由始至终：这种倾斜类型经常用在弯管类零件的加工中，弯管加工经常是Z轴方向等高加工，Z轴方向加工的层数由最大Z轴方向步距决定，此时系统将在倾斜线上虚拟地生成和层数相等的点，以便每层刀轴的方向通过对应线上的点。在加工弯管时倾斜线必须处于导动面的上面，而且刀轴开始倾斜的起始端点要在正确的位置。
如图3-35所示，加工最大步距为10mm，而且加工曲面共有10层，因此曲线上会有10个点，每一个层的切削刀轴都会对应曲线上的点，这个例子是从上到下对应的。
5）自动曲线：系统自动计算出控制刀轴方向的倾斜线而不是人为拾取倾斜线，如图3-36所示。在加工深腔零件或者高的凸模时会用到这个设置选项，固定倾斜角度默认是“0”，如果主轴是Z轴方向，那么刀轴的方向就平行于主轴方向。图3-37所示的衰减距离是曲面和曲线之间的距离，可以输入一个数值或者刀具半径的百分比。
图3-35 由始至终
图3-36 自动曲线
图3-37 衰减距离参数
6）从每个轮廓的起点至终点：刀路轨迹上的每一个点的刀轴方向是逐渐沿着倾斜线移动的，在刀路轨迹上的起始点，刀轴开始向倾斜线的起始位置倾斜，在刀路轨迹的中间点，刀轴就会向倾斜线的中点倾斜，在刀路轨迹上的终点，刀轴就会向倾斜线的终点倾斜，每个刀路点的刀轴方向都会对应倾斜线上确定的点，如图3-38所示。
（8）通过直线倾斜
刀具在加工过程中，刀轴方向将逼近所选择的直线方向进行加工，如图3-39所示。使用这个选项时，刀轴控制窗口会出现“使用通过倾斜功能”参数，此参数后面有三个选项将影响刀轴的方向：“所有直线以距离赋值”“始终靠近两直线”和“总是靠近曲面”。
1）所有直线以距离赋值：控制刀轴的多个直线方向不同时，刀轴的倾斜方向是这些线的平均方向，就是说刀轴方向不会和任意一个直线的方向相同，如图3-40a所示。
2）始终靠近两直线：沿着刀具路径，刀轴方向是逼近用来控制刀轴方向相邻两直线的，刀轴的方向和直线的方向一致。如图3-40b所示。
图3-38 从每个轮廓的起点至终点
图3-39 通过直线倾斜刀轴
图3-40 所有直线以距离赋值和始终靠近两直线
a）所有直线以距离赋值 b）始终靠近两直线
3）总是靠近曲面：采用此倾斜功能，刀轴在倾斜直线位置都会保持完美的平行铣加工，常用在根部圆角加工，例如叶片根部圆角，如图3-41所示。
（9）从点向外倾斜
刀具在加工过程中，刀轴方向始终从一个几何点向外倾斜，这个点一定要处在驱动曲面的下方。如图3-42所示，此点的选取可以通过输入坐标值或通过拾取已经创建的点来确定。“刀轴控制”对话框中也有一个“倾斜角度”参数，通过它可以在原来刀轴方向上再增加一个倾斜角度，角度倾斜时可以选择从点向轴倾斜或是从轴向点倾斜，这里的轴可以选择X轴、Y轴、Z轴或直线。
图3-41 总是靠近曲面
图3-42 从点向外倾斜
（10）从曲线往外倾斜
刀具在加工过程中，刀轴的倾斜方向是从曲线向外倾斜，如图3-43所示，曲线必须在导动面的下方，刀轴的倾斜有5种类型可以选择：“靠近点”“由曲线组成的角度”“由主轴和主方向组成的角度”“自始至终”和“从每个轮廓的起点和终点”。
图3-43 从曲线往外倾斜
1）靠近点：刀轴方向是当前刀具路径点到曲线的最短距离点的连线方向。
2）由曲线组成的角度：工作原理类似“靠近点”这种倾斜类型，不同的是在使用倾斜角度参数时，刀轴中心线从倾斜线向主轴方向倾斜。
3）由主轴和主方向组成的角度：工作原理类似“曲线组成的角度”这种倾斜方式。不同的是刀轴倾斜时刀具从主轴向曲线方向倾斜，主轴向倾斜线的倾斜角度由“固定倾斜角度”参数来设置，如果设置为“0”，则刀轴的方向和主轴（Z轴方向）平行。
4）自始至终：如图3-44所示，系统在曲线上生成若干点，点数和切削层数相等，每一个切削层上的刀轴方向都指向曲线上的对应点，弯管类零件的加工是其典型应用。
5）从每个轮廓的起点和终点：系统将在倾斜线上生成若干点，点数和刀路轨迹点数相等，刀路点和倾斜线对应点的连线就是刀轴的方向，如图3-45所示。
图3-44 自始至终
图3-45 从每个轮廓的起点和终点
（11）相对于叶轮铣削层的倾斜
刀轴初始方向和叶轮流道面垂直，刀轴可以根据设置的“完全前倾角”和“完全侧倾角”进行前后或者左右摆动，在此基础上还可以在局部地方设置局部前倾角进行叠加，如图3-46所示，主要用于对叶轮的加工。
图3-46 相对于叶轮铣削层的倾斜
图3-47显示的是附加前倾角参数设置和叶轮部位对应关系。加工过程中，箭头所指的三个地方容易发生过切，在前、后缘边和辅叶片边设置附加前倾角可以避免过切。
（12）相对于接触点倾斜
倾斜方式如图3-48所示，此倾斜方式还有两个参数控制刀轴方向，一个是铣削方向的前倾角，另一个是铣削方向的侧倾角。
4.接触方式
用来控制刀具和导动曲面的接触点，不同的接触点会生成不同的刀路轨迹，最多有五个选项：“自动”“使用刀具中心”“使用半径”“使用前端”和“用户自定义点”，如图3-49所示。
图3-47 附加前倾角参数
图3-48 相对于接触点的倾斜
图3-49 接触方式选项
（1）自动
自动模式是系统自动寻找刀具和导动面的接触点，如图3-50所示，刀轴方向被限制在70°以内，刀具在70°以内加工时，系统选择的是刀心接触，当在极限位置70°时，刀具则在圆角接触驱动面，系统是根据情况自动调整的。
（2）使用刀具中心
这个功能是使刀具的中心（端面的回转中心处）和驱动曲面接触，如图3-51所示，如果设置倾斜刀轴选项使刀轴方向改变时，刀具就会绕着接触点倾斜，此时刀具可能就会切入驱动面，为了避免造成干涉，一定要把编程窗口上的干涉检查功能打开，让刀具移出驱动面。
图3-50 自动
图3-51 使用刀具中心
（3）使用半径
如图3-52所示，类似自动控制接触点选项，系统总是维持刀具和驱动面相切，不同的是，对于牛鼻刀具，此选项不会使刀具中心和导动面接触。
（4）使用前端
如图3-53所示，类似于刀具中心选项，刀具总是以一个固定的点和曲面接触，刀轴方向的变化总是绕着这个点来旋转，刀具也有可能切入到驱动面，同样需要设置编程窗口上的干涉检查功能，使刀具沿着刀轴方向退出。
图3-52 使用半径
图3-53 使用前端
（5）用户自定义点
可以使用“前后移动”和“侧向移动”这两个参数来定义刀具和曲面的接触点，如图3-54所示。注意：使用球刀编程时没有此选项。
图3-54 用户自定义点
● 前后移动：在加工方向上移动接触点，移动的数值可正、可负，相对加工方向正值使刀具前移一段距离，负值使刀具后移一段距离，如图3-55a所示；
● 侧向移动：在加工方向的侧向移动接触点，移动的数值可正、可负，相对于加工方向正值使刀具左移一段距离，负值使刀具右移一段距离，如图3-55b所示。
5.限制
此功能用来限制刀轴在一定的角度范围之内摆动。单击限制按钮会出现图3-56所示的对话框，其中可以对4种不同的场合进行限制。
图3-55 前移和侧移
a）前后移动 b）侧向移动
图3-56 “限制”对话框
（1）刀具在XZ平面内的角度
对刀具绕着Y轴旋转的机床进行限制，如图3-57a所示，可以用XZ平面的2个角度来限制刀具方向，“b1”设置的是起始角度，“b2”设置的是终止角度，刀轴只能在这两个角度之间摆动。
例如立式五轴摇篮式加工中心，旋转轴是“B”“C”轴（“B”轴是绕着Y轴转，“C”轴是绕着Z轴转），假设机床硬件不允许绕着Y轴的旋转角度“B”超过±90°，那么编程时上述参数“b1”要输入“0”，“b2”输入“180”才可以。
（2）刀具在YZ平面内的角度
对刀具绕着X轴旋转的机床进行限制，如图3-57b所示，可以用YZ平面的2个角度来限制刀具方向，“a1”设置的是起始角度，“a2”设置的是终止角度。
（3）刀具在XY平面内的角度
对刀具绕着Z轴旋转的机床进行限制，如图3-57c所示，可以用XY平面的2个角度来限制刀具方向，“c1”设置的是起始角度，“c2”设置的是终止角度。
（4）锥形限制
如图3-58所示，可以把刀具方向限制在“w1”和“w2”两个圆锥之间，“w1”和“w2”两个圆锥的回转轴线可以是X、Y、Z轴，自定义方向或使用引导曲线，可以如图3-59所示设定角度。
图3-57 平面内限制角度
a）刀具在XZ平面内角度 b）刀具在ZY平面内角度 c）刀具在XY平面内角度
图3-58 锥形限制
图3-59 锥形限制参数
提示：
● 有些机床的摆角行程受到空间上的限制，此时编程要按照上面介绍的方法设置合理范围，设置的范围必须和机床实际吻合，否则在机床加工时机床可能会报警；
● 有时候为了工艺要求也进行摆角限制，比如为了避免刀轴摆动太大主轴碰到工件或者夹具，在保证加工要求的情况下进行适当的角度限制。
6.通用方向
当使用球刀或者棒糖式刀具编程时，在刀轴控制对话框中会出现“通用方向”参数，后面有两个选项供选择：“在所有轮廓”和“在单一轮廓”。勾选“在所有轮廓”选项，则在所有轮廓切削时刀轴方向都一致；勾选“在单一轮廓”选项，则刀轴在每个轮廓切削时刀轴方向不一致。