用於模具和模型製作的五軸數控雕刻機

什麼是五軸數控雕刻機？

首先，我們初步了解五軸路由器的概念。根據加工方式，它們可以分為「3+2軸」、「4+1軸」和「五軸聯動」三種。那麼，我們該如何理解這些類型呢？

從專業角度來看，「3+2」指的是在三軸（X、Y、Z軸）數控路由器的基礎上增加兩個軸。這兩個軸是用於夾持材料的傾斜軸或旋轉軸，分別定義為A軸和C軸。需要注意的是，並非所有五軸數控路由器都稱這兩個軸為A軸和C軸。這與數控系統的定義和旋轉方向有關。它們也可能被命名為A軸和B軸，或B軸和C軸。

「4+1」指的是4軸加1軸，硬體部分相同。 4+1描述的是連動能力。很多人誤以為這意味著分度旋轉卡盤的A軸和C軸中只有一軸可以運動，但事實並非如此。 4+1的真正意義是五軸四連動，即在加工過程中，機床的5個軸中可以同時聯動4個軸，剩餘的1個軸用於定位加工。例如，X、Y、A、C軸可以協同運動，而Z軸保持靜止；或X、Y、Z、A軸可以運動，而C軸則保持靜止。

五軸五連桿意味著五個軸可以同時工作，可以一次完成除夾緊面以外的任何角度和任何曲面的加工任務。

五軸數控雕刻機的結構類型

五軸設計結構有很多種類型，常見的類型有：

• 搖籃式（雙轉台）：工作台上安裝有雙向旋轉軸，繞X軸旋轉的軸定義為A軸，繞Z軸旋轉的軸定義為C軸。由於其對旋轉軸的承載能力和旋轉尺寸有限制，因此適用於加工中小型工件。

• 工作台移動式雙擺頭：在這個結構中，放置工件的工作台是可移動的，而龍門架是固定的。主軸安裝在可繞Z軸旋轉的擺頭上，該擺頭被定義為C軸。此外，擺頭上還有一個可繞X軸旋轉的A軸。五軸雕刻頭可在C軸上360°旋轉，在A軸上±110°旋轉，能夠加工各種複雜形狀的材料。大多數模具產品都是使用這種結構的機器來加工的。

• 單擺頭單旋轉式：此工具機結構包含一個可在工作台上360°旋轉的旋轉軸和一個可在主軸上擺動180°的旋轉軸。這種工具機的旋轉軸結構具有強大的承載能力和較高的旋轉精度。 A、B、C三軸中的任兩個軸均可組合使用，以滿足各種加工需求。它特別適用於加工旋轉型和箱型產品，例如金屬引擎、非金屬人偶、雕像等。

• 橋式龍門結構：此結構由完整的Y軸和Z軸組成，配備可沿X軸方向在固定工作台上擺動的五軸聯動頭，用於加工固定在工作台上的各種複雜形狀工件。此結構運行速度快，適用於大型產品的五軸加工。

上述模型在機械結構上可實現五軸五連桿，但能否真正實現此功能取決於所配備的數控系統是否支援以及是否具有 RTCP 功能。

五軸數控雕刻機的價格

提到五軸設備，很多人潛意識裡會認為這類機器很貴。其實不然。機器的價格取決於加工產品的材料、尺寸和精度要求。小型家用五軸數控雕刻機的價格僅2,600美元。只有大型或金屬加工用的五軸加工中心才非常昂貴。用於非金屬模具加工的五軸數控雕刻機的平均購置價格為32,850美元。此外，還可以選擇具有自動換刀功能的機器，該功能套件的價格為2,300美元。還可以選擇具有雙工作台的機器，這樣在一台機器加工產品的同時，可以提前準備下一台待加工產品的材料，該功能套件的平均價格為4,280美元。

需要注意的是，這台機器的價格上限相對較高。一台高精度大型五軸五連桿金屬加工工具機的平均購置價格為328,570美元。您可以聯絡供應商，根據您的需求取得準確的機器報價。

五軸加工中心的工作原理

首先，五軸CNC工具機的工作方式與一般CNC工具機不同。普通CNC工具機只能在X、Y、Z三個軸上移動，而五軸數控工具機還可以控制兩個旋轉角度，這使其能夠完成更複雜的加工任務，例如三維曲面雕刻、螺旋面加工等。

五軸聯動控制的核心是數控系統，它透過程式精確控制五個軸的同步協調運動。其中，X、Y、Z三個線性軸使刀具能夠出現在工件的前後左右上下方向上。 A、B、C三個軸則可以透過繞這三個線性軸旋轉來實現工件或刀具的角度變化。具體實現方式取決於工具機設計和工件加工要求。在這種類型的工具機中，刀具可以從多個角度加工工件，加工靈活性非常高。此外，由於減少了夾緊次數，加工精度也得到了保證，能夠實現複雜形狀的高精度、高效率加工，適用於高精度複雜零件或模具的製造。

簡而言之，五軸數控工具機的原理是透過控制系統控制五個軸的直線運動和旋轉運動，從而實現工件的多角度加工。它只使用5個聯動軸，因為5個聯動軸是實現任意角度加工所需的最小軸數。連動軸數越少，工具機結構越簡單緊湊，也越容易確保工具機的動剛度和靜剛度。動剛度和靜剛度對於高精度數控工具機至關重要。

一般來說，五軸五連桿加工中心可以實現工件除夾持面以外所有位置的全方位加工。然而，有些特殊工件需要在夾持面上進行加工，因此需要對工件進行重複夾持。為了確保重複夾持的精度，需要一套額外的機械裝置來確保重複夾持的定位誤差。這套裝置包含多個運動軸，但不參與切削運動，屬於輔助軸。這類工具機的軸數超過五個，稱為多軸五連桿工具機，例如七軸五連桿工具機、九軸五連桿工具機等。多軸數控工具機的核心在於連桿軸的數量。通常情況下，同時連動的軸數超過5個，實際意義不大，因為無論工件多麼複雜，5軸5聯動就足以實現高精度全方位加工，且無死角。多軸數控車床中除這5個聯動軸之外的軸均為輔助軸，其主要目的是提高加工效率並確保工件精度，這些輔助軸是否連動並不重要。

三軸、四軸和五軸的比較

三軸數控雕刻機適用於基本的平面切割任務，而四軸數控雕刻機則增加了旋轉功能，可用於圓柱體和三維雕刻。五軸數控雕刻機提供最高的靈活性，可在一次裝夾中同時進行複雜幾何形狀的多方向加工。

3 軸數控銑床

三軸加工是CNC雕刻機中最基本的類型。它使用三個獨立的線性軸（X軸、Y軸和Z軸）直接或間接地控製刀具的運動。它能夠實現水平方向的左右和前後運動，以及垂直方向的上下運動。這使得它能夠完成大多數高精度的基本幾何形狀加工任務，例如二維、二維半圖案雕刻、溝槽加工、曲面銑削和鑽孔。然而，三軸數控雕刻機一次裝夾只能加工工件的一個表面。如果需要加工多個表面或涉及曲面加工，這種類型的機器就無法完成任務。

四軸CNC雕刻機

A 四軸CNC雕刻機 與…相比，它多了一個旋轉軸。 三軸CNC路由器此旋轉軸為四軸數控雕刻機提供了額外的旋轉自由度。透過旋轉工件或刀具，它可以加工材料的多個表面或多個角度，從而擴展了其應用範圍。它常用於加工具有彎曲特徵的幾何形狀，例如雕刻圓柱體表面、切割板材側面和鑽孔。

5 軸數控銑床

五軸機床是在三軸機床的基礎上增加了兩個軸，使其能夠完成更複雜的加工任務。其中，三個直線軸執行直線插補運動，兩個旋轉軸可以在加工過程中動態改變角度，能夠加工各種難以加工的曲面幾何形狀、狹窄的型腔結構以及帶有懸垂特徵的複雜零件，功能非常強大。幾乎所有五軸車床都配備了RTCP功能，可以根據主軸迴轉長度和旋轉工作台的機械座標自動計算補償量。編程時，只需考慮工件的座標即可。當然，五軸加工設備並非完美無缺，其相對較高的價格可能是其推廣過程中面臨的主要挑戰。

3+2軸、4+1軸和5軸聯動機構的區別

這三種類型的機器都是五軸機床，那麼它們之間有什麼區別呢？

3 + 2

3+2軸是兩軸旋轉定位，XYZ軸連動加工，可加工多方向倒角、孔等，但無法直接加工曲面。它是三軸聯動加兩軸旋轉定位，不是五軸聯動，編程更簡單。三軸加工屬於分散式定位加工，可能有定位誤差累積，精度控制較難，適合加工簡單形狀或多面體零件。

4 + 1

4+1軸又稱為五軸四連桿機構。它採用三個線性軸XYZ和一個旋轉軸進行連桿加工，另一個旋轉軸僅用於定位。它可以加工複雜的曲面結構件和葉片等。其連桿軸可同時進行插補運動，因此能夠精確地加工複雜的曲面。在編程時，需要考慮複雜的刀具空間軌跡，並使用數學演算法計算路徑，加工精度高，可以減少刀痕，適用於高精度複雜零件的加工。

五軸聯動

五軸聯動機構透過三個線性軸（X、Y 和 Z 軸）和兩個旋轉軸的協同運動，實現了同步加工。這種加工方法能夠處理複雜的曲面和直紋面。

然而，在實際加工中，在滿足加工要求的前提下，聯動軸的數量與工件的穩定性和品質成反比。這意味著，如果4+1或3+2軸的加工方式能夠生產出合格的產品，其工件品質通常優於五軸聯動加工的工件。但是，某些複雜形狀的工件只能透過五軸聯動加工才能實現。因此，五軸連動加工並非總是優於其他加工方式；選擇合適的加工方式才是最佳選擇。

市場上，高達95%的產品並不需要五軸連動。通常情況下，3+2軸固定軸加工足以滿足至少70%的五軸加工場景，而4+1軸連動的應用範圍更廣，可達95%以上。真正需要五軸連動的情況可能不到5%，例如加工特別深的倒角或極其複雜的曲面。此外，從粗加工到精加工，五軸聯動可能僅用於少數特徵加工和精加工工序。

相較之下，4+1軸連動方式不僅應用更廣泛，而且結構相對簡單，穩定性更好，加工精度更高。此外，它還具備與五軸連動相同的刀尖追蹤功能，使其成為批量和大規模生產的理想選擇。當然，五軸聯動也有其不可取代的優勢。它能夠加工3+2軸或4+1軸聯動方式可以加工的所有工件，還能解決這兩種方式無法完成的任務。因此，在一些高端製造領域，五軸連動的地位是不可動搖的。

什麼是RTCP？

什麼是RTCP？ RTCP是「刀具中心點旋轉」（Rotation of Tool Center Point）的縮寫，通常被稱為刀尖追蹤功能。在五軸工具機複雜的工作條件下，數控系統的理論控制點與實際刀尖位置之間往往存在空間偏差。為了確保刀尖能夠嚴格依照數控程序設定的軌跡進行精確運動，數控系統必須具備自動修正控制點的能力。此功能在業界有多種名稱，例如TCPM（刀具中心點管理）、TCPC（刀具中心點控制）和RPCP（繞零件中心點旋轉），雖然名稱各異，但其本質都是保持刀具中心點與工件表面實際接觸點之間的精確位置恆定。

例如，如果將工具機的第四軸定義為A軸，第五軸定義為C軸，且C軸安裝在A軸上，則此結構特性決定了A軸的旋轉運動必然會影響C軸。類似地，當加工放置在工具機工作台上的工件時，如果刀中心被編程為開槽，由於旋轉軸座標的變化，三個線性軸（X軸、Y軸和Z軸）的座標也會相應變化，從而產生相對位移。為了消除這種位移，工具機需要對其進行補償，而RTCP（旋轉中心定位系統）正是為此而設計的。

對於配備RTCP技術的工具機，控制系統會始終將刀具中心保持在程式設定的預期位置。在夾緊工件時，操作人員無需將工件與旋轉工作台的中心線精確對準，即可自由夾緊。工具機會自動補償夾持及其他因素造成的偏移，不僅縮短了夾緊時間，也提高了加工精度。 RTCP技術的支援也使程式設計過程更加獨立和簡潔。程式設計人員無需考慮工具機複雜運動姿態和刀具長度變化對加工軌跡的影響，只需關注刀具與工件之間的相對運動關係。複雜的計算和補償工作由控制系統自動完成。此外，RTCP也簡化了後處理流程，只需輸出刀尖的座標和向量資料即可滿足後續加工和品質控制的要求。

RTCP 和非 RTCP 的區別

下面，我們簡要解釋一下配備 RTCP 功能的五軸工具機與不配備該功能的五軸機床之間的差異。

具有 RTCP 功能的五軸機床：在這種類型的機床中，一旦設定了刀尖沿各軸的進給速度，每個軸將根據刀尖的實時位置調整其加速度或減速度，從而確保刀尖在整個加工路徑中運動得更加平穩流暢，進而提高加工過程的質量和速度。

不具備RTCP功能的五軸工具機：操作此類工具機時，我們只能為每個軸設定速度上限。其他軸會根據加工位置的變化被動減速，但這種減速是基於預設規則，而非根據刀尖的即時位置進行動態調整。當多個軸協同工作時，由於缺乏像RTCP這樣的智慧協調機制，刀尖位置的速度會出現一定程度的不均勻性，導致加工效果相對較差，整體加工時間延長。

如何在不使用 RTCP 的情況下對 5 軸進行程式設計？

對於這類機床，程式設計主要依賴協同程式設計和後處理技術。其核心目標是解決五軸聯動加工過程中線性軸與旋轉軸之間的座標偏移問題。在編程初期，操作人員需要精心規劃刀具路徑，並明確定義工具機第四軸和第五軸之間的位置關係，以補償旋轉軸運動對線性軸座標的影響。經過這樣的處理，產生的程式不僅包含XYZ軸的進給點，還包含了XYZ軸所需的補償量。

然而，這種程式方法存在諸多缺陷。從加工效果來看，其加工精度仍無法達到理想水平，加工效率也相對較低。產生的程式通用性極差，且需要耗費大量人力。此外，由於不同工具機的旋轉參數有差異，後處理文件也極為複雜，造成了生產管理極大的不便。更換機床或刀具時，必須重新進行CM編程或後處理工作。因此，手動五軸編程幾乎是不可能的任務。另外，由於缺乏RTCP功能，許多五軸工具機的進階功能無法應用。以五軸刀具補償功能為例，對於沒有RTCP功能的機床，在夾持工件時，必須確保工件位於工作台的旋轉中心位置。這個過程需要大量的夾持和對準時間，即便如此，也難以保證夾緊精度，即使採用分度定位，操作也會非常繁瑣。

五軸數控雕刻機應用

五軸數控雕刻機廣泛應用於航太、汽車製造、家俱生產、模具加工、醫療器材、造船、手工藝品製造等各個領域。

• 模具製造業： 五軸數控雕刻機因其能夠在一次裝夾中加工複雜的三維曲面，而被廣泛應用於模具製造領域。它們是生產射出成型模具、泡棉模具、汽車模具和精密工業模具的理想選擇。多軸運動可實現光滑的表面光潔度和高精度加工，從而減少人工拋光和二次加工的需求。

• 航空航太和汽車產業： 在航空航太和汽車製造領域，五軸數控雕刻機用於生產輕量化結構件和複雜的曲面零件。這些機器可以加工鋁、複合材料和工程塑膠等先進材料，因此適用於高精度零件的原型製作和小批量生產。

• 3D雕塑與藝術雕刻： 五軸數控雕刻機常用於大型藝術項目，例如雕像、人物雕塑、宗教雕塑和裝飾藝術品。其多角度雕刻功能可製作高度精細逼真的3D模型，在確保藝術品質的同時，顯著縮短手工雕刻時間。

• 海洋與船舶模型： 在船舶產業，五軸數控雕刻機被用於製作船體模型、螺旋槳模具和遊艇零件。該機器能夠加工大型複雜曲面，使其成為船舶設計原型製作和模型生產中不可或缺的工具。

• 工具和原型製造：五軸數控技術廣泛應用於研發和原型製造領域。它使工程師能夠快速生產複雜的功能零件、測試設計方案並縮短開發週期。這使其對產品開發中心和工業設計公司極具價值。

• 客製化高端製造： 對於需要非標和高度客製化零件的行業，例如高檔家具、建築裝飾和工業設計工作室，五軸數控雕刻機提供了最大的靈活性。它們使製造商能夠創造出傳統三軸或四軸機床無法實現的獨特設計。

五軸數控路由器編程軟體比較

數控程式設計是數控加工的靈魂和大腦，因此選擇合適的程式設計軟體至關重要。然而，市面上的程式設計軟體種類繁多，常常讓初學者感到不知所措。

以下我們將討論四款主要的主流程式軟體——UG、Mastercam、Powermill、Hypermill，並解釋它們各自的優點和缺點，幫助您在眾多軟體中找到最適合您的一款。

UG(NX)

在主流程式軟體領域，UG 的市佔率極高。它常用於產品和模具領域的程式設計工作。 UG 隸屬於德國西門子公司，收購後更名為 NX。

優點： UG整合了繪圖、設計、程式設計、鈑金加工和有限元素分析等模組，經常被拿來與各領域的軟體進行比較，充分證明了其全面的功能。自NX12.0版本以來，UG在收購Moduleworks的專業五軸技術並對程式模組進行重大改進後，其三維和多軸刀具路徑功能取得了快速發展。經過頻繁的更新與優化，UG的功能如今已可與主流專業CAM軟體相媲美。在二維刀具路徑方面，平面銑削中動態銑削刀具路徑的整合顯著提高了計算速度；在2.5D刀具路徑方面，底壁銑削功能強大且便捷；在三維刀具路徑方面，導引曲線刀具路徑的持續優化為精細光滑的曲面加工提供了強有力的支持。此外，UG的同步建模功能能夠更快速且有效率地輔助繪圖和建模，在同步建模領域佔據主導地位。

缺點： UG的缺點也相當明顯。其功能複雜，學習門檻高，通常需要幾個月甚至一兩年的時間才能熟練。好在用戶眾多，有相對豐富完整的課程可供學習。此外，UG程式設計需要設定的參數很多，對於不使用程式模板的使用者來說，設定過程較為繁瑣。多軸程式設計中許多功能的命名和解釋不夠直觀，學習難度也較高。而且，在IPW毛坯管理方面還有改進優化的空間。

攝錄機

這款軟體起源於美國，現已被山特維克集團收購。該軟體在用戶基數方面遙遙領先，其直覺的介面也非常容易上手。

優點： 它在3-5軸車床、車銑複合車床等領域具有強大的優勢。在二維刀具路徑方面，其動態處理能力極具代表性。線框程式設計是它的強項，這源自於其極其強大的選擇功能。無論是二維線段或三維實體邊，都能進行直覺便捷的操作。在三維刀具路徑方面，其智慧整合刀具路徑具有劃時代的意義。它整合了等距平行梯度投影等加工方法，為使用者提供了非常便捷的表面精加工刀具路徑選擇。在多軸編程方面，它引進了Moduleworks公司的多軸技術，並且始終保持著前沿的功能應用。例如，其多軸粗加工和多軸去毛邊功能及細節均處於目前編程軟體的領先水準。軟體易於上手，操作直覺便捷。此外，編程過程中需要設定的參數比UG軟體略少。如果您專注於專業的程式設計工作，那麼這款軟體非常適合您。在相同的學習時間內，Mastercam 通常比 UG 花費的時間更少，也更容易掌握。

缺點： 它的缺點在於建模和同步建模功能不夠強大，對複雜圖形進行建模和修改相當困難。

發電廠

它誕生於英國，後來被美國工業巨頭歐特克公司收購。它常用於模具領域的程式設計和處理，幾乎已成為模俱生產行業必備的軟體。

優點： 這款軟體擁有極強的刀具路徑運算速度和防過切功能，專注於高效加工複雜形狀和曲面，在高速切削和模具加工領域表現卓越。透過高效的刀具路徑計算，它可以優化加工時間、減少刀具磨損，並提供豐富的加工策略。此外，它還支援多種模擬功能，幫助使用者優化加工流程。同時，它也具備非常便利的刀具路徑修剪功能。如果您從事模具編程工作，掌握這款軟體至關重要。

缺點： 初學者需要投入更多時間來熟悉它。與功能全面的多功能軟體相比，Powermill 更專注於加工部分，其設計功能相對較弱。

炒作

它源自德國，隸屬於德國OpenMind公司。作為五軸編程市場的領導企業，它為多軸編程中的刀具軸提供了極其簡便的控制。整個模型在編程過程中參與計算，避免了乾涉和漏切。

優點： 它被譽為「五軸編程之王」。其五軸刀具路徑設計出色，適用於多軸加工。尤其在五軸編程方面，它擁有強大的實力。其二粗加工工單功能強大，刀具路徑整齊美觀。仿真建模的安全性在所有軟體中首屈一指。它率先提出超弦加工的概念並將其應用於實際生產，在超弦加工領域，這款軟體早已遙遙領先於其他軟體。其目前在市場上推廣的數位孿生和虛擬化身等概念也處於技術前沿。它的刀具路徑工單設定選項相對較少，方便使用者上手，且智慧化程度較高。

缺點： 這款軟體的缺點也很明顯。其選擇模組和建模模組功能單一，在修改和建模複雜模型（例如二維設計或簡單的三維建模）時，需要依賴其他軟體。此外，市面上相關的學習教學較少，軟體後處理功能也相對封閉，導致其使用率較低。

每款軟體都有其擅長的領域。即使某些特定功能並不完美，在熟練的程式設計師手中也能取得良好的效果。如果您時間和精力允許，我們建議您在提升工藝能力後，學習其他軟體以拓展思維。透過學習運用各種軟體來提升認知能力，也是加深技術認知、突破科技瓶頸的一種途徑。然而，CAM軟體只是工程師的工具。真正的技術提升還需要製程經驗的累積以及對設備和配件應用認知的全面提升。

如果您有更好的見解或正在使用某些軟體，請與我們聯絡。