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五轴加工的RTCP技术【原创+整理】
十数年前, 一汽针对模具加工进行五轴机床招标, 当时据说有不少国际大牌厂商前往, 在招标现场, 有外商声称他们的产品优越, 具备RTCP功能, 当时在场的国内厂商以及业内专家一时间都陷入沉默, 几乎没有人知道RTCP究竟是什么, 最后是国内最早开展数控研究的某高校的知名教授在现场进行指导，才为国内业界扭转了局面。不过一直到十几年后的“十一五”数控重大专项推出前后, RTCP概念才开始受到国内数控业界和学界的广泛关注。
将近两年时间, 一家处于业内的企业, 在媒体之上, 十分高调地宣称彼具有自主知识产权的高端数控系统, 具备RTCP以及极高段数的前瞻功能, 当被问及RTCP和前瞻的精髓究竟是什么的时候, 就闭上嘴巴不再言语了, 不清楚是不愿意说, 还是没有办法说。
今年年底, “十一五”数控重大专项里, 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, 都要进行项目验收, 到那时, RTCP将不可避免地成为验收中焦点之一, 各方会各展所能, 验收原则上不会不通过, 不过实际效果怎样, 国产的RTCP能否稳健迈向市场, 且为用户创造价值, 大家仍需拭目以待。
个人对RTCP的理解
不能够仅仅因为一台有着五个联动轴的数控机床, 就轻易地将其称作五轴机床, 同时, 也不能仅仅因为一套能够控制五个轴的数控系统, 就宣称它是五轴数控系统, 要判定一台数控机床究竟是不是五轴机床, 一套数控系统到底是不是真正的五轴系统, 首先就一定要看它是不是具备RTCP功能, Fidia的RTCP是“Tool Point”的简称, 从字面意义来讲是“旋转刀具中心”, 在业内常常会稍微进行转义成“围绕刀具中心转”, 还有一些人直接翻译为“旋转刀具中心编程”, 实际上这仅仅是RTCP的结果。PA的RTCP是“Real-time Tool Point ”前面几个单词的缩写, 海德汉将类似的那种所谓升级技术称作TCPM, 也就是“Tool Point ”的缩写, 是刀具中心点管理, 还有的厂家把类似技术叫做TCPC, 同样是“Tool Point ”的缩写, 是刀具中心点控制。
单从Fidia的RTCP的字面意思来瞧, 先是假设运用手动的方式去定点做RTCP功能, 如此一来, 刀具中心点以及刀具跟工件表面的实际接触点将会保持不变, 在这个时候, 其中刀具中心点会落在刀具与工件表面实际接触点所在处的法线上, 并且刀柄会围绕刀具中心点进行旋转, 就球头刀而言呢, 这里边的刀具中心点就是数控代码里的目标轨迹点。为了实现刀柄在执行RTCP功能时, 能单纯围绕目标轨迹点, 也就是刀具中心点旋转的目的, 就得实时补偿因刀柄转动导致的刀具中心点各直线坐标偏移, 如此才能在维持刀具中心点、刀具与工件表面实际接触点不变的状况下, 改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处法线的夹角, 进而发挥球头刀最佳切削效率, 还能有效避让干涉等。因而, RTCP好像更多地处于刀具中心点之上 , 此中心点也就是数控代码的目标轨迹点 , 它在此基础上处理旋转坐标方面的变化。
五轴机床以及数控系统, 若不具备RTCP, 那就必然得依靠CAM编程跟后处理, 要事先规划好刀路, 对于同样一个零件而言, 一旦机床更换了, 或者刀具更换了, 那就必须再次进行CAM编程以及后处理, 所以只能被叫做假五轴, 国内有许多五轴数控机床以及系统都属于这类假五轴。当然了, 人家坚持把自己称作是五轴联动也没什么不可以, 但这种（假）五轴并非那种（真）五轴！
Fidia C20数控系统宣传样本关于RTCP的描述
（以下这段文字的内容是本人依据英文样本去进行翻译得出的, 其中存在不够准确恰当的地方, 还请各位能够毫不吝啬地给出指正）
RTCP的功能, 能够在机床上实现, 直接针对双摆铣头, 以及双转台, 来对刀具的空间长度进行补偿。
如此这般, 五轴刀路的编程, 便无需于数控代码生成之前, 去思索该怎么在刀路里展现数控机床的刀具, 以及工作台的轴心, 还有其偏差。
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.执行钻削操作时, 把“虚拟主轴”中的某个轴, 朝着刀具轴线的方向进行定向, 之后还要执行回退操作。
5.针对五轴的坐标旋转和（或）坐标变换；
6.带有参考坐标系（G194）的旋转, 其应用范围呢，既包括加工程序方面, 也涵盖那些源自JOG或者手轮部位的运动。
用于三轴加工程序的RTCP功能, 能于保持刀具与工件实际接触点不变的情形下, 以手动方式去改变铣头的姿态角, 还能在此前提下改变工作台的姿态角。
RTCP和HMS
RTCP功能与HMS铣头标定系统相互结合, 这是在五轴铣削领域, 独一无二的成果技术, 它极为有助于提升刀尖运动精度。
HMS（节选）
用于量测和校验双摆铣头以及双转台连续运动和定位数据的HMS铣头量测系统, 配备了三只连接到数控系统的传感器以及专门的测量管理软件, 该软件能实时处理输入数据, 并且对几何误差、位置精度, 连带铣头和转台的RTCP参数进行功能校验和修正。
HMS是一款具备高精度的量仪, 能够替换掉运用标准刻度盘的已有传统校验方法, 它所拥有的优点包含:
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”里, “1.五轴机床旋转刀具中心编程RTCP( Tool Point)”这一小节, 内容是这样的:
当涉及五坐标机床以及其加工编程时, 常常会运用RTCP功能, 以此来对机床的运动精度予以简化, 同时也对数控编程进行简化, 接下来, 针对RTCP（也就是Tool Point旋转刀具中心）编程展开简要的说明。
在非RTCP模式下进行编程时, 为了实现五坐标的曲面加工, 就必须清楚刀具中心与旋转主轴头中心的距离, 而这个距离, 我们将其称作转轴中心, 也就是pivot。依据转轴中心以及坐标转动值, 计算出X、Y、Z的直线补偿, 以此确保刀具中心处于所期望的位置。运行一个按照这样方式得出的程序, 必须要使得机床的转轴中心长度恰好等同于在书写程序时所考虑的数值。一旦有任何修改, 那就要求重新书写程序。对于FIDIA C20数控系统而言, G96用于激活RTCP, G97则用于禁止RTCP。
编程序采用RTCP模式时, 选件RTCP运行原理是, 当有此选项之时, 控制系统会让刀具中心一直处在被编程的XYZ位置上。为保持这个位置, 转动坐标的每个运动都会被XYZ坐标的一个直线位移补偿。所以, 对于其他传统数控系统来说, 一个或多个转动坐标的运动会致使刀具中心产生位移；而对于FIDIA数控系统（当RTCP选件发挥作用时）, 是坐标旋转中心出现位移, 让刀具中心始终处于同样的位置上。这种情形下, 能直接去编程刀具中心的轨迹, 不用对转轴中心予以考虑, 这个转轴中心是独立于编程范畴的, 它是在执行程序之前由显示终端输入进去的, 和程序没有关联。借助计算机编程或者借助PLP选件被记录下的三坐标程序, 能够凭借RTCP逻辑, 以五坐标的方式去执行。针对于这种独特的应用方法, 必须得要求使用球形刀具。可以通过JOG方式来完成这些转动坐标的运动, 也可以通过手轮来完成这些转动坐标的运动, 所以在某些加工条件之下, 允许所使用的刀具, 其长度值比用于三坐标加工的刀具小一些。
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】许多数控系统拥有一项名为“刀具中心管理”的实用功能, 此功能又能称作RTCP, 或者TCPC, 亦或是TCPM, 具体的称呼常常因数控系统的制造商而有所不同, 不管是何种牌子的数控系统, 该功能都会发挥一些大致一样的作用, “刀具中心管理”最为关键的功能便是准许数控系统在五轴加工模式下依照装夹偏差在线调整数控代码的执行, 所以能够将同一个后处理代码应用于整批零件。
益处在于, 操作工无需把工件去精准地和转台的轴心线对齐, 工件安装好了之后, 用探头来进行测量, 把轴心偏差存入数控系统的指定寄存器里, 并且在加工过程当中跟数控代码一起去应用。这个功能能够降低铣床因为工件装卡了而造成的空闲时间, 让机床拥有更多的时间用于金属切削。跟购置第二套托盘和工作台, 在加工第一个托盘上的工件之际, 同期装卡后续工件的方法相比较, 此方法是更为经济的。
更为甚者, “刀具中心管理”功能具备允许降低同一系列零件装夹精度的特性, 这种特性表现为既不需要精确达成与机床的定位关系, 又不需要精确达成与同批次的其它零件的相对定位关系。如此这般, 一方面我们能够减少装夹工件所耗费的劳动量以及机床出现的空闲时间, 另一方面该控制功能能够降低夹具成本以及准备时间, 甚至还能够免除工件拥有的安装定位面。
【2】一般提到的RTCP这个东西, 和TCPM它是同样的事物。可是呢, 针对这类功能而言, 其实际所显现出来的效果, 并非仅仅是在手册之上简单地去讲述一番而已。而是它已经被融入到了由数控制造公司所提供出来的、用于软件以及固件方面的系统当中去情形。然而, 数控制造商明显是不会清清楚楚地向你表明, 关于他们实际究竟是怎样去达成“刀具中心点控制”这样一种算法行为的。
在“刀具中心点控制”这个技术概念里头, 至少年包含下面几个不一样的功能:
1.多坐标运动学变换是在数控系统之中执行的, 如此去做存在着一个好处, 那便是CAM软件的后置处理并不需要执行这一数学运算, 另外还有一个好处, 旋转轴的中心偏差能够被记录于机床数控系统的寄存器列表里, 该功能具备的最大好处是, 一个数控加工程序能够在工厂里不同的机床上加以使用, 即便这些机床的轴心偏差是各不相同的。倘若处于往昔（实则并非太过遥远之时）, 若欲于各异的机床上对同一零件予以加工, 那你定然得于CAM的后置处理里运用不同的轴心偏差, 进而生成不同的数控代码。尽管这些机床皆出自同一制造商, 且具备相同的动态特性。
同一时间, 还有一点要说明的是, 进给速度靠数控系统内部算法直接操控刀具实际加工点轨迹运行速度, 这种做法根本不同于以往借助CAM软件按“时间反算”模式算出每个程序块所需运行时间（也就是进给率）的方式。
2.通常情况下, “刀具中心管理”一般都涵盖夹具偏心相应处理功能。在进行此项操作时, 机床所配备的探头能够在线测量零件的装夹位置, 随后, 位置偏差会累加到前面所提及的轴心偏差之上。
因这而带来的另一个好处是, 同一系列的零件能够装夹到同一台机床上, 借助探头来测量定位状况, 运用同一套数控代码对所有零件进行加工。最终用户无需为了将零件中心定位到可接受的细微误差容限范围以内, 而去费劲地花费额外的时间来“敲打”调整零件。
