在工科领域,人们往往会被一个概念所吸引:三维空间中的物体拥有6个自由度。想象一下这样一副坐标系,它采用的是右手坐标系,每个自由度代表沿着X、Y、Z轴的直线移动和绕这三个轴旋转。然而,这并不意味着所有机床都必须具备6个自由度或6个轴才能完成任意角度的加工。
传统的三轴加工机床在处理复杂表面或具有多孔结构的零件时,需要通过特殊夹具来调整刀具的位置,并且可能需要多次更换工作台来实现所需的切割角度。而五轴联动数控机床则能够在单次装夹下进行高速、高精确性的复杂形状加工。
关键在于,刀具(或测头)能否从任意方向接近待加工材料,这是实现任意角度加工的根本原因。机床通过控制刀具(或测头)的位置和姿态来完成材料处理(或测量)。因此,我们需要关注如何描述这些位置和姿态。
三轴数控机床虽然可以改变刀具(或测头)的位置,但其姿态保持不变。在立式三轴机床中,刀塔始终沿着Z轴方向运动,而X、Y、Z三个直线軸上的坐标值足以确定其位置和姿态。
相比之下,五轴数控机床是在基础上增加了两个旋转軸,即A、B两軸。这两个额外軸允许我们改变刀具(或测头)的姿态,使得它可以从任何方向接触到材料。此时,由于有两个额外の旋转軸,我们可以通过它们之间形成的一个单位向量——称为“刀锥矢量”——来描述这个变化过程。
这个单位向量定义了一个球面,其中每一点对应一个特定的刀锥矢量。当我们想要将某点定位到球面上时,可以使用经纬度系统或者笛卡尔坐标系。无论哪种方法,只要知道两组参数,就能确定点位并描述出所需的切割路径。
最后,一些人可能会将这种描述与图形学中的欧拉角进行比较。但这里有一个区别:飞行器通常用欧拉角(偏航、俯仰、翻滚)来表示,因为它们涉及到三个独立变换。而对于工具中心点来说,只需考虑两个变换即可。这就是为什么只有两个参数就能完全描述工具中心点的情况。