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多軸機床實操講義

多軸機床手冊（節選）

第一章 五軸機床應用必備知識

第一節 五軸機床的幾種結構簡介

1.1.1 五軸機床的分類

五軸機床一般為在普通三軸機床的基礎上附加了兩個旋轉軸。又稱為 3+2

軸。

按照旋轉軸的類型，五軸機床可以分為三類：雙轉台五軸、雙擺頭五軸、單

轉台單擺頭五軸。旋轉軸分為兩種：使主軸方向旋轉的旋轉軸稱為擺頭，使裝夾

工件的工作台旋轉的旋轉軸稱為轉台。

按照旋轉軸的旋轉平面分類，五軸機床可分為正交五軸和非正交五軸。兩個

旋轉軸的旋轉平面均為正交面（XY、YZ 或 XZ 平面）的機床為正交五軸；兩個旋

轉軸的旋轉平面有一個或二個不是正交面的機床為非正交五軸。

1.1.2 SKY 五軸機床的三種典型結構

● 雙轉台五軸

兩個旋轉軸均屬轉台類，B軸旋轉平面為 YZ平面，C軸旋轉平面為 XY平面。

一般兩個旋轉軸結合為一個整體構成雙轉台結構，放置在工作檯面上。

特點：加工過程中工作台旋轉並擺動，可加工工件的尺寸受轉台尺寸的限制，

適合加工體積小、重量輕的工件；主軸始終為豎直方向，剛性比較好，可以進行

切削量較大的加工。

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圖 1-1-1 雙轉台結構示意圖

● 雙擺頭五軸

兩個旋轉軸均屬擺頭類，B軸旋轉平面為 ZX平面，C軸旋轉平面為 XY平面。

兩個旋轉軸結合為一個整體構成雙擺頭結構。

特點：加工過程中工作台不旋轉或擺動，工件固定在工作台上，加工過程中

靜止不動。適合加工體積大、重量重的工件；但因主軸在加工過程中擺動，所以

剛性較差，加工切削量較小。

圖 1-1-2 雙擺頭結構示意圖

● 單轉台單擺頭五軸

旋轉軸 B 為擺頭，旋轉平面為 ZX 平面；旋轉軸 C 為轉台，旋轉平面為 XY

平面。

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特點：加工過程中工作台只旋轉不擺動，主軸只在一個旋轉平面內擺動，加

工特點介於雙轉台和雙擺頭之間。

圖 1-1-3 單擺頭單轉台結構示意圖

第二節 加工坐標系與對刀操作的作用

1.2.1 加工坐標系的作用

使用數控機床來加工，編程時必須在所加工的實體或曲面模型上選擇一個基

準點。以這個點為加工原點的坐標系就稱為加工坐標系（或稱工件坐標系）。

三軸機床加工坐標系的基本軸向一般都符合右手定則。軸向如圖所示：當右

手大拇指的方向指向機床 X軸正方向時，那麼食指方向為 Y軸正方向，中指方向

為 Z軸正方向。

圖 1-2-1 右手定則

Z 軸正方向（中

指的方向） Y 軸正方向（食

指的方向）

X 軸正方向（大

拇指的方向）

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五軸機床比三軸機床多了旋轉軸和擺動軸，因此五軸機床的加工坐標系是一

個五維坐標系。其加工坐標系中 X、Y、Z三軸一般都與三軸機床相同，其餘兩軸

則因機床結構類型不同而不同。

在 CAM 軟件中編程時，首先生成加工的刀具軌跡，然後通過後處理生成 G

代碼的加工程序。加工程序中除了 G代碼指令之外，大量的內容為機床各軸坐標

值，這些坐標值都是刀具軌跡上的點相對於加工坐標系中的值。在機床加工時，

機床就會按照這些坐標值確定的位置來運動，通過刀具的切削，精確加工出所需

的工件。

加工坐標系的作用就是確定刀具軌跡的坐標值，使加工刀路可以數值化、程

序化，從而可以實現精確的數控加工。因此，數控加工必須要建立一個加工坐標

系。

1.2.2 五軸機床加工中的對刀操作

對刀操作所做的工作就是將 CAM 軟件的三維圖形中的加工坐標系與實際機

床上的加工坐標系統一起來。如下圖，工件原點（加工坐標系原點）位置是由編

程人員設定的。機床上工件的原點反映的是工件與機床原點之間的位置關係。工

件原點一旦確定一般不再改變。

圖 1-2-2 工件原點與機床原點的關係

三軸機床加工時，在加工件在機床工作台上裝夾好之後，要找到編程時在圖

形中設定為基準點的那一點在機床上的位置，也就是測出這一點的機床坐標值。

五軸機床加工的對刀操作與三軸機床不同，一是操作順序不同，二是五軸比

三軸要多一些內容。三軸機床一般都是先裝夾好工件，再去進行對刀操作。五軸

機床有時要先進行部分對刀操作，然後在裝夾工件。這種情況下，工件裝夾的位

置還需按照對刀的要求進行校正。五軸機床的旋轉軸或擺動軸都是按角度值運動

的，因此五軸機床的對刀還需要校正旋轉軸或擺動軸的零點位置；當機床結構為

雙轉台或雙擺頭時，兩個旋轉軸是相關的（其中一個轉軸跟隨另一個運動），這

時需要測定兩軸的距離或偏心量；當五軸機床含有擺頭結構時，還需要測量擺長

X+

Z+

Y+

機床原點

（0,0,0）

工件原點（對應於

編程原點）

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以及刀具長度。

對三種主要結構類型的五軸機床對刀操作與三軸機床的不同點概述如下：

A．雙轉台機床（工作台回轉、擺動），在工件裝夾之前測量確定兩轉軸軸線和

擺軸軸線的交點、轉台表面到擺軸軸線的距離，還要將轉台校水平，裝夾工

件時校正工件或測量出工件位置偏差。

B．轉台+擺頭機床（工作台回轉，刀具擺動），要在裝夾工件之前測出轉台中

心，裝夾工件時校正工件或測量出工件位置偏差，還要測定擺軸的有效擺長

（有效擺長＝擺軸長＋基準刀具長）。

C．雙擺頭機床（刀具回轉、擺動），要測定擺軸的有效擺長，還要校正擺軸和

轉軸的零度位。

第三節 SKY2006N 型數控系統中的拓展功能—G10 和 G12

1．SKY2006N 型多軸高速數控系統新增功能

進一步改進了多軸聯動加工的關鍵性控制技術；系統在新功能方面增加了

3-D 刀具空間補償功能；改進了皮米插補功能和坐標系尋位補償（G10）功能；

擺軸長度補償功能（加工時在數控系統中設定擺軸長度）；實現 5000程序段的預

處理功能（前瞻控制），滿足了五軸聯動機床高速加工的前瞻控制需求；增加了

五軸加工刀具路徑實時動態跟蹤模擬顯示功能；有力地保證了機床在運動中的精

度控制和操作的方便性。

2．3-D 刀具空間補償原理（G10）

五軸聯動加工中涉及到的刀具補償問題在 SKY2006N 型多軸數控系統中得到了很

好的解決。

C軸和 b軸的偏心

3．G12 補償原理

主軸和 C軸的偏心

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第二章 五軸機床的基本操作

第一節 五軸機床操作的基本特點

必須在熟練掌握 SKY-三軸機床操作的基礎上，才能學習 SKY 五軸機床的操

作。SKY-三軸機床操作請參照 SKY-三軸機床操作手冊。SKY五軸機床的操作的基

本特點如下：

1．SKY 五軸機床的操作與 SKY 三軸機床的操作基本相同，只是在 SKY 三軸

機床的基礎上加了 B、C 兩軸。例如，開機→機床工作→返參的操作：打開總電

源→打開操作面板上的鑰匙開關→雙擊桌面 SKY2008POWER 進入 SKY 數控系統→

旋起緊停按鈕→打開機床工作→按「F4」進入返參方式→按「3」選擇機床原點

功能→按「F6」鍵執行。這些基本操作與 SKY三軸機床的操作完全一樣。三軸機

床返參（回機床原點）過程為 Z、Y、X 三個直線運動軸按次序返回機床原點；五

軸機床返參在此基礎上，增加了旋轉軸 B軸和 C軸返回機床原點。

2．SKY五軸系統中一般擺動軸為 B 軸，旋轉軸為 C軸，單位均為度（°）。

3．一般從旋轉軸的旋轉平面法向正向去觀察，順時針轉動就是正向，逆時

針轉動為負。

4．SKY 五軸機床在對刀操作時需測定擺長：當機床為雙轉台結構時，擺長

為轉台表面到擺動軸軸線的距離；當機床為單擺頭或雙擺頭結構時，擺長為主軸

端面到擺動軸軸線的距離。

圖 2-1-1 擺長示意圖

為了便於理解我們把這

個距離叫做擺長，一般

在雙轉台五軸機床中叫

B 軸的回轉半徑

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第二節 雙轉台機床的對刀操作步驟

2.2.1 雙轉台機床的對刀方法

雙轉台五軸機床的加工坐標，一般可取雙轉台的旋轉軸線的交點作為加工坐

標原點，因此，雙轉台機床的對刀也就是要找到雙轉台旋轉軸線的交點，加工原

點的 X、Y、Z軸坐標均由轉台旋轉軸線交點確定。

1．校正雙轉台

把千分表吸在主軸上，如圖 2-2-1 所示。讓表頭接觸到雙轉台基準面 face1，

保持機床 Y軸位置不變，沿 X軸移動，使表頭接觸 face2，若表頭接觸 face1 、

face2時的讀數不同，則調整雙轉台的位置，直到讀數相同，以使 B軸軸線與機

床 X軸方向平行。完成後固定雙轉台，固定後要注意復檢，防止固定過程中轉台

受力移動。

2．校正 B軸零位（對刀 B軸原點）

一般我們取 C軸轉台（雙轉台上的圓形小轉盤）的旋轉平面為水平面時的 B

軸位置為 B軸零位；校正方法如下：

如圖 2-2-1 所示，千分表吸在主軸上，讓表頭接觸到 C轉台表面，首先沿 X

軸從 B1 到 B2打表，以確認轉台的安裝是否平整，若千分表讀數兩點不同，則需

要重新固定轉台，確保轉台安裝面的清潔，並重新進行步驟 1校正轉台安裝方向；

然後，沿 Y 軸從 A1 到 A2 打表，調整 B 軸角度，使千分表在 A1、A2 兩點的讀數

相同，此時 C軸的旋轉平面校正到了水平位置。轉台水平後把此時 B軸的機床坐

標值輸入到 G55 對話框的 B框中，並按「確定」按鈕保存錄入的數據。

圖 2-2-1 校正雙轉台

3．找 C軸轉台的中心（對刀 X、Y 軸原點）

Y 方向

X 方向

A1

A2

B1

B2

雙轉台的基準面 Face1

Face2

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把千分表吸在刀柄上並保證在表座隨著刀柄在 360範圍內旋轉時不受阻礙。

讓表頭接觸到 C 軸轉台的內孔表面，旋轉刀柄（千分表應隨著刀柄轉動），如果

表的回轉中心和轉台中心不重合，調整 X軸和 Y軸的位置直到二者重合為止（此

時千分表在回轉台內壁任意角度的讀數相等或在允許的誤差之內）。把此時 X 軸

和 Y軸的機床坐標值分別輸入到 G55對話框的 X和 Y框中，並按「確定」按鈕保

存。

4．找出 B、C軸線的交點（對刀 Z 軸原點）

a．測量擺長

使 B 軸運動至 G55 對刀點的位置，X、Y 軸移動至主軸中心與 C 轉台的

中心位置重合（即機床移動至 G55 X0 Y0 B0），在手輪方式下把「相對移動

量 KA」項清零，再讓 B軸擺動-90°，如圖 2-2-2所示：

圖 2-2-2 雙轉台擺長測量

讓刀具的側刃（最好使用尋邊器，防止刀刃刮傷轉台）接觸 C軸回轉台

的表面，把此時「手輪方式」下的「相對移動量 KA」下的 Y 坐標的值記錄

下來，記為 R，這個值再減去刀具半徑就是 B軸的回轉半徑。記為 ZH1. ZH1=

（|R| - 刀具半徑）

b．對 C 轉台高度

刀具側刃

回轉台表面

B 軸回轉半徑

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將 B軸運動至 G55對刀點的位置，用刀尖接觸 C轉台表面，將此時機床

坐標值記為「ZH2」.

c．設定 Z軸原點坐標

G55_Z=ZH2-|ZH1|，將此數值輸入 G55 對話框的 Z 框中並按「確定」按

鈕保存。

5．裝夾工件

現在可以裝夾工件了，在把工件裝夾到旋轉台上，轉動旋轉台，保證工件和

壓板等裝配物件在轉台轉動的過程中不碰撞周邊的任何物體。

6．選定 C軸的基準邊（對刀 C軸原點）

通常在需要進行多軸加工的工件上取一基準邊，把這個基準邊與 X（或 Y）

軸成一特定角度或平行時的 C軸位置作為 C軸的零位。把此時 C軸的機床坐標值

輸入到 G55對話框的 C框中，並按「確定」按鈕保存。

7．找工件基準點與轉台中心點的偏差

使機床 B、C 軸都移動至零位（G55 B0 C0），按照三軸的對刀方法找到工件

上對刀基準點 X、Y、Z 的機床坐標值，輸入到 G54對話框中，並按「確定」按鈕

保存。比較 G54 和 G55坐標參數中 X、Y、Z軸的數值，按照如下公式計算：

將這些數值記錄，告知編程人員。

2.2.2 程序頭、尾的標準格式

M03 S _ 程序啟動的第一個動作就是主軸以給定

的轉速轉動起來，告訴操作人員，程序

已經開始執行

G55 加工坐標系，以下的程序代碼都是相對

於 G55坐標系中的原點坐標來進行相對

切削運動的

G00 B _ C _ B 軸和 C軸定位

G00 X _ Y _ Z _ X Y Z軸定位

G指令代碼程序

M09 冷卻液關

M05 主軸停止

M02 程序結束

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第三節 單轉台單擺頭機床的對刀操作步驟

2.3.1 單轉台單擺頭機床的對刀方法

單轉台單擺頭五軸機床，一般將加工原點取在旋轉工作台（C軸）的旋轉軸

線上，因此對刀時必須找到轉台的中心，加工原點的 X、Y 軸坐標由轉台中心位

置確定，但 Z軸坐標根據工件上的基準而定，與轉台中心無關。

1． 校正擺軸，使主軸垂直於工作台（對刀 B軸原點）

方法一：如圖 2-3-1 所示，在主軸上裝一標準芯棒（或刀桿）；移動 B 軸，

使主軸大概垂直於工作台平面；將千分表吸在工作檯面上，調整表針位置，讓表

針接觸刀桿或芯棒；低速轉動主軸，或用手撥動刀桿或芯棒使主軸轉動，若千分

表讀數隨主軸旋轉而變化，則重新安裝芯棒，直至千分表讀數不隨主軸轉動而變

化或讀數在允許的範圍之內；上下運動 Z軸，觀察千分表讀數變化，調整 B軸，

使千分表讀數不隨 Z 軸上下移動而變化或其 變化在允許的範圍之內，此時主軸

與工作台垂直。把這時機床坐標 B軸的數值輸入到 G55對話框中的 B框中，並按

「確定」按鈕保存。

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圖 2-3-1 擺軸校正方法一

方法二：將千分表吸到刀柄上，並能保證表隨著刀柄在 360 度範圍內自由轉

動時不受任何阻礙。如圖 2-3-2所示：調整表的高度使表頭接觸到工作檯面，然

後旋轉刀柄讓表頭在工作檯面上劃一個整圓，調整 B軸的角度，使千分表在這個

圓的任意位置上讀數基本相等，把此時 B軸機床坐標的數值輸入到 G55對話框中

的 B框中，並按「確定「按鈕保存。

圖 2-3-2 擺軸校正方法二

方法二比方法一更加精確、可靠，推薦使用方法二。

一般情況下，B軸的零位在新機床出廠調試時已經校正，即 B軸機床坐標為

零時，主軸垂直於工作台，但為了確保精度，加工前應復檢一次。

2．轉工作台的旋轉中心（對刀 X、Y軸原點）

如圖 2-3-3，把表吸到刀柄上，並保證表和刀柄 360度範圍內自由轉動時不

受任何阻礙；調整機床 X、Y、Z軸和千分表位置，使得千分表在隨刀柄旋轉一周

時，表針基本能接觸到旋轉工作台的內孔壁；進一步調整 X、Y 軸的位置，直到

千分表的讀數在內壁任意位置基本相等；把此時 X、Y軸的機床坐標值輸入到 G55

對話框的 X、Y框中，並按「確定」按鈕保存。

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圖 2-3-3 測量轉台旋轉中心位置

3．裝夾工件和刀具

把工件固定在旋轉台上，加工時所需要的第一把刀具裝夾到主軸上。

4．選定 C軸的基準邊（對刀 C軸原點）

通常在需要進行多軸加工的工件上取一基準邊，把這個基準邊與 X（或 Y）

軸成一特定角度或平行時的 C軸位置作為 C軸的零位。把此時 C軸的機床坐標值

輸入到 G55對話框的 C框中，並按「確定」按鈕保存。

5．對 Z軸的加工原點

操作人員要知道編程人員把 Z坐標原點設置到了工件上的哪個位置，這裡的

對刀點就對到哪個位置。將 B 軸轉到零位（即主軸垂直於工作台），讓刀尖接觸

工件上的基準點，將這點的機床坐標值輸入到 G55 對話框的 Z 框中，並按「確

定」按鈕保存。

6．找出旋轉台的中心和工件中心的偏差

按照 SKY 三軸操作去找工件的原點，把工件原點的 X、Y 坐標值分別輸入到

G54對話框的 X、Y框中，並按「確定」按鈕保存。比較 G54和 G55坐標參數中 X、

Y軸的數值，按照如下公式計算：

將這些數值記錄，告知編程人員。

7．測定擺長

如圖 2-3-4 所示：找一塊最好是用磨床磨過的墊塊，置於工作檯面，在 B

軸零度（主軸垂直於工作檯面）時，把刀尖移動到墊塊的上表面，再把刀具抬高

一個刀具半徑，記錄下此時機床坐標 Z坐標值，設為 P1,讓 B軸擺動到「90度「或」

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-90 度「，再讓刀具移動到墊塊上表面，記下此時機床坐標的數值，為 P2，

|P1|-|P2|=P (擺長)

圖 2-3-4 測量擺長

把「-P」輸入到 G58對話框的 Z框中，並按」確定「按鈕保存（加工程序中

要用到 G指令來調用這個擺長值），如圖 2-3-5所示。

圖 2-3-5 擺長補正值設定

8．將系統中刀長補正值清零

在 F1自動方式下按「5刀具」，彈出如圖 2-3-6所示的刀具定義對話框，在

刀具長度補償中填入「0」，點「更改」。

在此處記錄測定的

擺長值，一定是負值

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圖 2-3-6 刀具定義對話框

第一次對刀全部完成。

9．換刀後的對刀

第一次對刀所使用的刀具，我們稱為基準刀具（或稱初始刀具）；當主軸上

刀具更換之後，所使用的刀具就不是基準刀具了，稱為當前刀具。

如果了另外的刀具來加工，需要測出當前刀具與初始刀具的長度差值，將這

個差值輸入到如圖 2-3-6的刀具長度補償中，點「更改」保存即可。當前刀具長

於初始刀具的補償值為正值；反之，補償值為負值。

2.3.2 程序頭、尾的標準格式

M03 S _ 程序啟動的第一個動作就是主軸以給定

的轉速轉動起來，告訴操作人員，程序

已經開始執行

G55 加工坐標系，以下的程序代碼都是相對

於 G55坐標系中的原點坐標來進行相對

切削運動的。

G00 B _ C _ B 軸和 C軸定位

G10 P58 H1(RH) 調用擺長和刀具長度補償值

G00 X _ Y _ Z _ B _ C _ X、Y、Z、B、C軸定位

G指令代碼程序

M09 冷卻液關

M05 主軸停止

M02 程序結束

註：

G10：SKY五軸數控系統中特有的專用功能代碼，用來補償擺長和刀長。

此處的刀具編

號和程序代碼

中調用的刀具

號要統一

第一次對刀此

項 一 定 為

「零」，更換刀

具後，刀長差

值輸入到這裡

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P58：是調用在對刀時輸入到 G58中的擺長值的。（如果擺長值輸入到了 G59

對話框中，則此處就應改成 P59）

H1：是調用刀具長度補償對話框中的數值。（如果把刀具長度的變化量輸入

到了第 5號刀中，此處就應改成 H5；如果是比第一把刀具長則應在此

補正值，短了就負值。）

(RH)：R是 Rotary的縮寫，H是 Head 的縮寫，意思是單擺頭單轉台機床。

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第四節 雙擺頭機床的對刀操作步驟

2.4.1 雙擺頭機床的對刀方法

雙擺頭五軸機床，由於沒有旋轉工作台結構，一般加工原點可以根據編程需

要取工件上任意一點作為加工原點。

1． 校正擺軸，使主軸垂直於工作台（對刀 B軸原點）

校正方法與單擺頭五軸機床相同。

2． 校正旋轉軸，使 B軸旋轉軸線與 Y軸平行（對刀 C軸原點）

如圖，將 C 軸旋轉到接近如圖 2-4-1所示的位置（使 B軸旋轉軸線大致與 Y

軸平行），將千分表吸在主軸上；在工作台上放置一個大的標準方箱，移動 X 軸

在方箱側面打表，將方箱側面與機床 ZX 平面校平行；然後，調整 B、C軸的位置，

使千分表可以跟隨 B軸擺動，在方箱側面上劃出半圓軌跡；當 B軸擺動時，若千

分表讀數變化，則調整 C軸角度，直至千分表的讀數變化在允許的範圍內。此時，

B軸旋轉平面同機床 ZX平面平行，B軸軸線與 Y軸平行。把此時 C軸的機床坐標

值輸入到 G55對話框的 C框中，並按「確定」按鈕保存。

圖 2-4-1 雙擺頭 C 軸校正方法

一般情況下，B、C 軸的零位在新機床出廠前的調試中已經校正，即 B 軸的

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機床坐標為零時，主軸垂直於工作台，C 軸機床坐標為零時，B 軸旋轉軸線與 Y

軸平行。但為了確保精度，加工前應復檢一次。

3．裝夾工件和刀具

把工件固定在工作台上，加工時需要的第一把刀具裝夾到主軸上。

4．X、Y、Z 軸對刀

在校正了 B、C軸零點的基礎上，使機床 B、C軸位於零位，採用與三軸加工

一樣的操作方法進行對刀，確定 X、Y、Z軸加工零點，輸入到 G55坐標參數中。

5．測定擺長

如圖 2-4-2 所示：找一塊最好是用磨床磨過的墊塊，置於工作檯面，在 B

軸零度（主軸垂直於工作檯面）時，把刀尖移動到墊塊的上表面，再把刀具抬高

一個刀具半徑，記錄下此時機床坐標 Z坐標值，設為 P1,讓 B軸擺動到「90度「或」

-90 度「，再讓刀具移動到墊塊上表面，記下此時機床坐標的數值，為 P2，

|P1|-|P2|=P (擺長)

圖 2-4-2 測量擺長

把「-P」輸入到 G58對話框的 Z框中，並按」確定「按鈕保存（加工程序中

要用到 G指令來調用這個擺長值），如圖 2-4-3所示。

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圖 2-4-3 擺長補正值設定

6．將系統中刀長補正值清零

在 F1自動方式下按「5刀具」，彈出如圖 2-4-4所示的刀具定義對話框，在

刀具長度補償中填入「0」，點「更改」。

圖 2-4-4 刀具定義對話框

第一次對刀全部完成。

7．換刀後的對刀

第一次對刀所使用的刀具，我們稱為基準刀具（或稱初始刀具）；當主軸上

刀具更換之後，所使用的刀具就不是基準刀具了，稱為當前刀具。

如果了另外的刀具來加工，需要測出當前刀具與初始刀具的長度差值，將這

個差值輸入到如圖 2-4-4的刀具長度補償中，點「更改」保存即可。當前刀具長

於初始刀具的補償值為正值；反之，補償值為負值。

在此處記錄測定的

擺長值，一定是負值

此處的刀具編

號和程序代碼

中調用的刀具

號要統一

第一次對刀此

項 一 定 為

「零」，更換刀

具後，刀長差

值輸入到這裡

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2.4.2 程序頭、尾的標準格式

M03 S _ 程序啟動的第一個動作就是主軸以給定

的轉速轉動起來，告訴操作人員，程序

已經開始執行

G55 加工坐標系，以下的程序代碼都是相對

於 G55坐標系中的原點坐標來進行相對

切削運動的。

G00 B _ C _ B 軸和 C軸定位

G10P58H1(HH) 調用擺長和刀具長度補償值

G00 X _ Y _ Z _ B _ C _ X、Y、Z、B、C軸定位

G指令代碼程序

M09 冷卻液關

M05 主軸停止

M02 程序結束

註：

G10：SKY五軸數控系統中特有的專用功能代碼，用來給補償多擺長和刀長

的。

P58：是調用在對刀時輸入到 G58中的擺長值的。（如果擺長值輸入到了 G59

對話框中，則此處就應改成 P59）

H1：是調用刀具長度補償對話框中的數值。（如果把刀具長度的變化量輸入

到了第 5號刀中，此處就應改成 H5；如果是比第一把刀具長則應在此

補正值，短了就補負值。）

(HH):H是 Head 的縮寫，意思是雙擺頭機床。

20

第三章 五軸編程的概念及相關知識

第一節 五軸編程的概念

3.1.1 多軸編程的概念

首先，多軸機床指的是四軸及軸數多於四的機床。一般多軸機床在具有基本

的直線軸（X、Y、Z）的基礎上增加了旋轉軸（或擺動軸）。在實際加工中，旋轉

軸（或擺動軸）的運動實現了刀軸變化；反過來，在編程時刀軸的變化最終是由

旋轉軸（或擺動軸）的運動來實現的。

其次，多軸加工多用於加工複雜曲面或三軸加工無法完整加工的曲面。如倒

扣的曲面，曲面的上部擋住了下部，使之無法用三軸方法完整加工，若刀軸可以

變化就可以完整加工這些曲面。對於一些複雜曲面，因其形狀複雜，若使用三軸

加工，在加工曲面不同部位時工況相差很大，造成加工的效果的差距也很大，影

響加工質量；若使用多軸加工，則可以在加工不同部位時，使刀軸相應改變，保

證工況相近，從而獲得好的加工質量。

根據以上兩點，我們得出多軸編程的概念。多軸編程就是要控制多軸機床運

動，通過控制 X、Y、Z 三軸之外的機床軸來實現刀軸改變，以加工複雜曲面或三

軸無法完整加工的曲面。

3.1.2 五軸編程的概念

五軸編程屬於多軸編程；五軸機床一般是在 X、Y、Z三軸機床的基礎上增加

了兩個旋轉軸（或擺動軸）。由此，五軸編程即控制五軸機床運動，通過控制兩

個旋轉軸（或擺動軸）來實現刀軸變化，以加工複雜曲面或三軸無法完整加工的

曲面。

3.1.3 五軸編程的基礎

五軸加工就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢

量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削來完成加

工。五軸加工的關鍵是如何合理控制刀軸矢量（刀具軸的軸線矢量）的變化。加

工不同的曲面，為了實現加工需要，刀軸矢量的改變方式是不同的；刀軸矢量的

變化是通過工作台擺動或主軸的擺動來實現的，不同結構類型的五軸機床其運動

學關係是不同的。合理的控制刀軸矢量既要滿足曲面加工的需要，又要使刀軸矢

量變化範圍在所使用的機床可實現的範圍內。因此，五軸機床編程的基礎是理解

刀軸矢量的變化會在實際機床加工中產生何種效果。這就必須先瞭解各種五軸機

21

床的運動學關係：

1．對於工作台回轉/擺動型，必須在工件裝夾好後通過測量確定兩回轉/擺

動軸交點在工件坐標系中的位置矢量；

2．對於刀具回轉/擺動型，必須通過測量確定有效的刀具長度，即回轉軸與

刀具軸線的交點到刀位點的距離，它可以看成是刀位點總的擺動半徑；

3．對於刀具與工作台回轉/擺動型機床，既要通過測量確定有效的刀具長度，

又要在工件裝夾好後通過測量確定工作台回轉/擺動軸線上一點在工件

坐標系中的位置矢量。

3.1.4 五軸編程的原則

合理的控制刀軸矢量，就可以編製出加工所需的五軸程序，但此程序不一定

是最優化的，它只是實現了可以加工，未必能達到很好的加工質量，或加工質量

可以但加工效率低下。要達到理想的加工質量和較高的加工效率，還需遵循以下

原則：

1． 為了提高加工效率，所編製程序應盡量減小機床的運動量；

2． 為了提高加工質量，所編製程序應使刀軸矢量變化均勻，平滑過渡，不

要有突變點；如無法避免刀軸矢量突變，則應考慮分步加工，或盡量減

少刀軸改變量；

3． 如果一個工件存在多個刀路時，各刀路間銜接處，刀軸矢量應平滑過渡；

第二節 多軸後處理使用實例

例一 建造 SKY 四軸雕銑機後處理

1.1 分析機床

使用 UG/Post Builder 為 SKY四軸雕銑機建造一個後處理，首先需要分析機

床。這包含兩項主要內容：機床結構和控制系統。SKY四軸雕銑機，使用 SKY6070

雕銑機床，附加旋轉軸裝置，其旋轉軸為 Y 軸，旋轉平面為 ZX 平面；該機床採

用的是 SKY2003 系列控制系統。在清楚地瞭解機床的結構和機床使用的控制系統

的特點的前提下，才能建造出最優化的後處理。接下來，我們就可以開始為該機

床建造一個後處理了。

1.2設定機床參數

第一步，新建一個後處理，並使之符號 SKY 四軸雕銑機的結構。這需要設

定合理的機床參數。

打開 UG/Post Builder 後處理建造器，點擊 ，在新建後處理頁面中參數

設定如下：

Post Name：SKY-4AXIS-6070DX

Post Output Unit：選擇 Millimeters－公制

Machine Tool：選擇 Mill－銑床，子類型選擇 4-Axis with Rotary Table

22

－4軸轉台

Controller：選擇 Generic－通用的

點擊「OK」，建立新的後處理（圖 1-1）。

進入機床參數設定頁面，首先設定通用參數。這裡的默認值，圓弧輸出為

「Yes」，最大進給率默認值為 10000，機床回零位置為 X0Y0Z0，線性軸位移最小

分辨率為 0.001，這些均符合實際機床要求，不需更改；可以將線性軸行程限制

按照機床實際行程改為：X600、Y700、Z350（圖 1-2）。

在 Fourth Axis 頁面中，第四軸選擇平面設為 ZX，轉軸字頭按照機床系統

設為 A，公差為 0.001，最小旋轉角度為 0.001，最大角度進給為 1500，轉軸方

向為 Normal－符合左手定則，轉軸行程限制可設為-9999－9999；其餘參數保持

原有的默認值，不作修改（圖 1-3）。

到這一步，最重要的機床參數設定已經完成，可以點擊 ，先保存一下這

個後處理，位置可以自己根據需要決定。由於 SKY系統要求的程序格式基本符合

國際標準，如果馬上使用這個後處理，那麼生成的 NC 程序只需修該程序頭的格

式就可以在機床上使用了。為了使生成的程序不需作任何修改，就能直接使用，

下面我們將進一步設定後處理的其它參數。

圖 1-1 建立四軸後處理

23

圖 1-2 機床通用參數

圖 1-3 機床第四軸參數

1.3 設定其它參數

一個後處理的參數除了機床參數外，其它參數有許多，我們並不需要更改每

個參數，只有使生成的 NC程序能夠符合控制系統的要求就可以了。

對於 SKY系統來說，大多數參數使用默認值就可以，只需要對以下五項參數

24

進行修改：

1 在 Program & Tool Path 的 Program 頁面，將「Program Start Sequence」

程序頭中的「％」和「G40 G17 G90 G71」這兩行去掉，加入兩個新的行「G54」

和「S M03」。SKY 系統在程序開頭不需要這兩行，而需要固定加工坐標系「G54」，

保證主軸在工作時正轉「M03 S」。應注意這裡「M03」和「S」的順序，默認順

序是錯誤的，系統要求「M03」在「S」之前，後面我們再修改這個順序。（圖

1-4）

2 在 Program & Tool Path 的 Program 頁面，將「Operation Start Sequence」

操作頭中，「Auto Tool Change」自動換刀的所有行刪除。這種四軸雕銑機床

沒有自動換刀功能，因此去掉自動換刀的指令。

3 在 Program & Tool Path 的 Program 頁面，將「Program End Sequence」程序

尾中的「％」這行刪除，在「M02」前加入一行「M05 M09」。程序尾同樣不需

要「％」，同時確保程序運行結束後，主軸和冷卻關閉。（圖 1-5）

4 在 Program & Tool Path 的 Word Sequencing 頁面，將「S」和「M03」的位置

互換。回到 Program & Tool Path 的 Program 頁面的「Program Start Sequence」

中，可以發現「S M03」行變為了「M03 S」，順序已經改變為符合系統要求的

了。

5 在 Output Setting 的 Other Options 頁面，將「N/C Output Files Extension」

改為「NC」。SKY 系統默認讀取的加工程序後綴名為「.NC」。（圖 1-6）

圖 1-4 程序頭設定

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圖 1-5 程序尾設定

圖 1-6 輸出設定

設定好所有需修改的參數後，按 鍵，保存這個後處理。

例二 建造 SKY 五軸雙轉台龍門式雕銑機後處理

2.1 分析機床

此機床在 SKY80120 龍門雕銑機床的基礎上，附加了雙旋轉工作台，旋轉軸

B 軸旋轉平面為 YZ 平面，C 軸旋轉平面為 XY 平面。機床使用 SKY2003 系列控制

系統。

2.2 建造後處理並設定參數

在新建後處理頁面中參數設定如下（圖 2-1）：

Post Name：SKY-5AXIS-2TABLES

Post Output Unit：選擇 Millimeters－公制

Machine Tool：選擇 Mill－銑床，子類型選擇 5-Axis with Dual Rotary

Tables－5軸雙轉台

Controller：選擇 Generic－通用的

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圖 2-1 新建五軸雙轉台機床後處理

在機床參數－通用參數頁面，將行程限制設為 X800、Y1200、Z500，其餘參

數不變。（圖 2-2）

在機床參數－第四軸或第五軸頁面，點擊「Configure」，在彈出小窗口中設

定第四軸旋轉平面為 YZ 平面，字頭為 B，第五軸旋轉平面為 XY，字頭為 C；公

差設為 0.001（圖 2-3）。

在機床參數－第四軸和第五軸頁面，將轉軸最高進給率設為 2000。Axis

Direction 設為「Magnitude Determines Direction」，由數值大小決定方向。

圖 2-2 機床線性軸行程設定

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圖 2-3 旋轉軸設定

圖 2-4 第四軸轉向和行程

在機床參數－第四軸頁面，將軸向設為「Reversed」，轉軸限位設為-90－110。

該機床第四軸的轉向同左手定則相反，旋轉範圍有限，為-90°到 110°。（圖 2-4）

在機床參數－第五軸頁面，軸向設為「Normal」，轉軸限位設為 0－359.999。

第五軸的轉向符合左手定則，旋轉角度不受限制，可以連續旋轉。（圖 2-5）

機床參數的其它項目使用默認值即可。

圖 2-5 第五軸轉向和行程

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因為使用的都是 SKY2003系列的機床控制系統，所以其它參數的設定與例一

相同，參照例一 建造 SKY 四軸雕銑機後處理的設定即可。

例三 建造 SKY 五軸雙擺頭龍門銑床後處理

3.1 分析機床

SKY 五軸雙擺頭龍門銑床是在 SKY120160 龍門銑床的基礎上進行改造，使用

了旋轉－擺動結構的主軸頭。其旋轉軸為主軸擺頭－B軸，旋轉平面為 YZ平面，

主軸轉台 C軸，旋轉平面為 XY平面，且二旋轉軸之間、旋轉軸和機床零位之間，

均存在偏心量。控制系統與其它 SKY機床相同，仍使用 SKY2003 系列。

3.2 建造後處理並設定參數

在新建後處理頁面中參數設定如下（圖 3-1）：

Post Name：SKY-5AXIS-2HEADS

Post Output Unit：選擇 Millimeters－公制

Machine Tool：選擇 Mill－銑床，子類型選擇 5-Axis with Dual Rotary

Heads－5軸雙擺頭

Controller：選擇 Generic－通用的

圖 3-1 新建五軸雙擺頭機床後處理

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在機床參數－通用參數頁面，將行程限制設為 X1200、Y1600、Z800，其餘

參數不變。（圖 3-2）

在機床參數－第四軸或第五軸頁面，點擊「Configure」，在彈出小窗口中設

定第四軸旋轉平面為 XY 平面，字頭為 C，第五軸旋轉平面為 YZ，字頭為 B；公

差設為 0.001（圖 3-3）。

在機床參數－第四軸和第五軸頁面，將轉軸最高進給率設為 2000。Axis

Direction 設為「Magnitude Determines Direction」，由數值大小決定方向。

圖 3-2 機床線性軸行程設定

圖 3-3 旋轉軸設定

在機床參數－第四軸頁面，將軸向設為「Normal」，轉軸限位設為-110－230。

該機床第四軸的轉向符合左手定則，旋轉範圍有限，為-110°到 230°。（圖 3-4）

在機床參數－第五軸頁面，軸向設為「Reversed」，轉軸限位設為-90－90。

第五軸的轉向同左手定則相反，旋轉範圍有限，為-90°到 90°。（圖 3-5）

30

圖 3-4 第四軸轉向和行程

圖 3-5 第五軸轉向和行程

雙擺頭機床與雙轉台機床的不同之處是需要設定擺長和旋轉軸的偏心量：

在機床參數－第四軸頁面，設定機床零位到第四軸中心距離：X偏置 0.148，

Y偏置-0.168，Z 偏置-366.663；擺長 366.663；轉角偏置 0。（圖 3-6）

在機床參數－第五軸頁面，設定機床第四軸中心到第五軸中心距離：X偏置

-0.148，Y偏置 0.710，Z偏置 0；擺長 366.663；轉角偏置 0.083。（圖 3-7）

以上設定的偏置量和擺長均為經過精確測量而標定的數值，符合實際機床的

結構。

圖 3-6 第四軸偏心及擺長設定

31

圖 3-7 第五軸偏心及擺長設定

機床參數的其它項目使用默認值即可。

在五軸雙擺頭機床的後處理中需要特別注意的一點是：擺長數值會隨著刀

具改變而改變。擺長是擺動軸旋轉中心到加工刀具端面的距離。如果加工刀具

更換了，則必須根據刀具長度變化量，重新修正後處理中擺長數值和設定機床

零位到第四軸中心距離的 Z偏置量，修整過的後處理才能使用。

因為使用的都是 SKY2006N 型系列的機床控制系統，所以其它參數的設定與

例一相同，參照例一 建造 SKY 四軸雕銑機後處理的設定即可。

第三節 雙轉台五軸聯動數控機床的編程及操作

一、對刀

按照第二章中的第一節「雙轉台五軸機床的操作」中的操作步驟：

⑴ 校平雙轉台

⑵ 校正 B軸零位（對刀 B軸原點）

⑶ 找 C軸轉台中心（對刀 X、Y軸原點）

⑷ 找出 B、C軸線的交點（對刀 Z 軸原點如圖 6.1.2）

⑸ 裝卡工件如圖 6.1.1

32

圖 6.1.1

選定 C軸的基準邊，

把此邊用百分表校

到與 X 軸或 Y 軸平

行，或者成一角度。

把此時機床坐標的

C值輸入到 G55中。

用加工所用刀具的

刀尖對此表面，然後

再降一個擺長值，把

此時機床坐標的 Z

值輸入到 G55中。

33

圖 6.1.2

⑹ 找工件加工原點與回轉台中心點的偏差（此例中，我們把工件 X、Y的中

心放在轉台的中心位置，這樣就不用再找二者的差值了。）；把百分表架

吸到主軸上，讓表頭接觸到工件圓柱體的部位。如圖 6.1.3所示：

刀尖點（Z軸）

降到此位置

B、C 軸中心線的交

點。在雙轉台五軸

機床的加工中 Z 軸

的加工坐標必須放

置在此點上。

34

圖 6.1.3

轉動 C軸，讓百分表在圓柱體各個位置的讀數基本相等，否則調整工件

的位置讓表的讀數基本相等。這樣就保證了工件與旋轉台同心。把此時

機床坐標的 X、Y值輸入到 G55 中。

⑺ 選定 C軸的基準邊（對刀 C軸原點）；如圖 6.1.1

工件在軟件中的位置如圖所示：

35

圖 6.1.4

簡化後如圖所示：

36

圖 6.1.5

二、UG 數控編程

在 UG 的多軸編程中，驅動面的製作非常重要，工件上的刀具路徑都要通過

驅動曲面上的驅動路徑來產生。在製作驅動曲面之前我們先分析一下人頭像的形

狀特點，制定加工工藝。人頭像的曲面比較複雜，但其接近於圓柱體形，所以我

們選用螺旋加工的走刀方法。

驅動方式：曲面區域

刀軸控制：垂直於驅動

投影矢量：刀軸

1．根據上面的提示，做驅動面

如圖 6.1.6 所示，在平行於 Z軸和 X軸的方向上作幾條線；製作原則是線條不超

過人頭像的寬度。

在 CAM 軟件中，加工

坐標系和工件的位置

關係，正好相差個擺

長（B軸回轉半徑）

距 離 是

25mm

距 離 是

125mm

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圖 6.1.6

做一圓，與兩條線相切（做驅動曲面中的關鍵步驟），半徑為 25mm。如圖 6.1.7

圖 6.1.7

修剪線條，得到如圖 6.1.8

圖 6.1.8

合併完曲線後，用旋轉曲面生成一個驅動曲面。如圖 6.1.9。驅動曲面已完

成，但是經過我們的分析，這個驅動曲面不能滿足我們的要求。因為人頭的正面

把圓弧和直線合併成一條

樣條曲線，經旋轉後生成

的曲面為一個整面，否則

是兩個面。合併曲線是做

驅動面中關鍵步驟。

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比較凸出，後腦勺也比較凸出，左右兩邊較平。所以應把驅動曲面不等比例縮放

一下，在 UG 中沒有這個功能，我們只能轉到有此功能的軟件中實現我們的要求。

這裡我們把生成的驅動曲面轉換到 Mastercam9.1 裡面來縮放。X、Y、Z 軸分

別按照 0.6、1、1 的比例來縮放，然後再轉到 UG 中作為驅動曲面。縮放後的曲

面如圖 6.1.10 所示。

圖 6.1.9

39

圖 6.1.10

驅動面已經做好了。

2．數控編程

進入加工模塊，選擇「創建操作」，在彈出的對話框中按照圖 6.1.11 所示參

數進行選擇。

圖 6.1.11

可變軸曲面

輪廓銑

多軸加工

40

「確定」後在彈出的對話框中選擇加工部件，既「人頭像」。如圖 6.1.12 所示：

圖 6.1.12

驅動方式中選擇「曲面區域」，如圖 6.1.13 所示：

41

圖 6.1.13

驅動幾何體選擇前面建立好的驅動面，如圖 6.1.14 所示：

圖 6.1.14

選擇好驅動面後注意切削方向和材料方向，如圖 6.1.15 所示：

圖 6.1.15

曲面驅動方式下的其他參數設置，如圖 6.1.16 所示：

42

圖 6.1.16

定義一把 6mm 的球刀，在驅動面上顯示驅動路徑，如圖 6.1.17 所示：

43

圖 6.1.17

在切削項中的參數如圖 6.1.18、圖 6.1.19 所示：

圖 6.1.18

44

圖 6.1.19

非切削參數中設置的參數如圖 6.1.20 所示：

45

圖 6.1.20

主軸轉速、進給和速度的設置根據具體情況和加工條件而定，主要參數如圖

6.1.21 所示：

圖 6.1.21

生成的刀具路徑如圖 6.1.22 所示

主軸轉速 Z軸進刀速度

進給速度

46

圖 6.1.22

人頭像的刀具路徑已經生成（前置處理已經完成），現在可以進行後處理了

（後處理的建造在第五章中有詳細說明，建造時請仔細閱讀）。

三、後處理

1．後處理得選擇

把剛才計算好的刀具路徑進行後處理，選擇自定義的後處理，或由南京四開

公司提供的五軸後處理來進行刀位文件到 G 代碼程序的轉換。如圖 6.1.23 所示：

47

圖 6.1.23

1． 後處理的程序代碼。如圖 6.1.24

選擇自定義的雙

轉台五軸聯動機

床的後處理

48

圖 6.1.24

檢查 G 代碼程序的頭、尾，各軸的運動情況做到心中有數，如果程序代碼沒

有什麼問題，就可以在機床上測試加工程序了。