提高加工質(zhì)量和工效，充分滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的要求是制造技術(shù)發(fā)展永恒的主題。迄今為止，所有制造技術(shù)的研發(fā)、改進(jìn)和創(chuàng)新，無一不是直接或間接地在此主題的驅(qū)動下進(jìn)行的，五軸加工機(jī)床的產(chǎn)生、應(yīng)用和發(fā)展也不例外。它既是為了加工某些具有特殊要求的復(fù)雜形面的大型工件而出現(xiàn)的，也是為了提高對這些形面的加工精度、質(zhì)量和工效才得到應(yīng)用和發(fā)展的。

         五軸加工的優(yōu)點 

         所謂五軸加工這里是指在一臺機(jī)床上至少有五個坐標(biāo)軸(三個直線坐標(biāo)和兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))，而且可在計算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調(diào)運(yùn)動進(jìn)行加工。這樣的五軸聯(lián)動數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有以下優(yōu)點：  

         可以加工一般三軸數(shù)控機(jī)床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續(xù)、平滑的自由曲面。如航空發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)的葉片，艦艇用的螺旋推進(jìn)器，以及許許多多具有特殊曲面和復(fù)雜型腔、孔位的殼體和模具等，如用普通三軸數(shù)控機(jī)床加工，由于其刀具相對于工件的位姿角在加工過程中不能變，加工某些復(fù)雜自由曲面時，就有可能產(chǎn)生干涉或欠加工(即加工不到)。而用五軸聯(lián)動的機(jī)床加工時，則由于刀具/工件的位姿角在加工過程中隨時可調(diào)整，就可以避免刀具工件的干涉并能一次裝夾完成全部加工；  

         可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率。例如，三軸機(jī)床加工復(fù)雜曲面時，多采用球頭銑刀，球頭銑刀是以點接觸成形，切削效率低，而且刀具/工件位姿角在加工過程中不能調(diào)，一般就很難保證用球頭銑刀上的最佳切削點(即球頭上線速度最高點)進(jìn)行切削，而且有可能出現(xiàn)切削點落在球頭刀上線速度等于零的旋轉(zhuǎn)中心線上的情況，如圖1中所示的刀位a處。這時不僅切削效率極低，加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，而且往往需要采用手動修補(bǔ)，因此也就可能喪失精度。如采用五軸機(jī)床加工，由于刀具/工件位姿角隨時可調(diào)，則不僅可以避免這種情況的發(fā)生，而且還可以時時充分利用刀具的最佳切削點來進(jìn)行切削，或用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點接觸成形的球頭銑刀，甚至還可以通過進(jìn)一步優(yōu)化刀具/工件的位姿角來進(jìn)行銑削，從而獲得更高的切削速度、切削線寬，即獲得更高的切削效率和更好的加工表面質(zhì)量，圖3所示便是以不變位姿角和以優(yōu)化位姿角銑削相同自由曲面的效果比較的一例。不難看出采用不變位姿角(Sturz法)銑削葉片的表面粗糙度要比采用優(yōu)化位姿角(P銑削法—Starrag公司的專利)銑削葉片的表面粗糙度低一級，而所用的時間，前者還比後者多30%～130%； 

表面質(zhì)量等級  平均Ra值  

N8  1.6-3.2μm  

N7  0.8-1.6μm  

N6  0.4-0.8μm  

N5  0.2-0.4μm 

         符合于工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工的機(jī)床發(fā)展方向。因為隨著科技的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對產(chǎn)品的性能、質(zhì)量要求也更高，形式更多樣化和個性化。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，充分滿足使用者的多方要求，如節(jié)能、省材、輕便、美觀、舒適等，現(xiàn)代產(chǎn)品，不僅是航空、航天產(chǎn)品和運(yùn)載工具(如汽車、船、艦等)，而且也包括精密儀器、儀表，醫(yī)療、運(yùn)動器械，以及家用、辦公用的電器和兒童玩具等產(chǎn)品的零件，都愈來愈多地采用由整體材料鏤銑而成，而且其上還包含有許多各種各樣的復(fù)雜曲面和斜孔、斜面等。這些零件，如用傳統(tǒng)機(jī)床或三軸數(shù)控機(jī)床來加工，必須用多臺機(jī)床，經(jīng)過多次定位安裝才能完成。這樣不僅設(shè)備投資大，占用生產(chǎn)面積多，生產(chǎn)加工周期長，而且精度、質(zhì)量還難于保證。為了解決這些問題，就要發(fā)展能集中工序進(jìn)行高精、高效和復(fù)合加工的機(jī)床，以期能實現(xiàn)工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工。這已成為當(dāng)今機(jī)床發(fā)展的大趨勢，而配備上高速加工能力的五軸機(jī)床，完全符合這一發(fā)展要求的趨勢，而且還可能是最佳的方案選擇。因為它不僅具有現(xiàn)代生產(chǎn)加工設(shè)備所要求具有的主要功能，而且一臺五軸機(jī)床的工效約相當(dāng)于兩臺三軸加工機(jī)床，甚至可以省去更多機(jī)床。  

         五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點 

         五軸加工機(jī)床與一般機(jī)床的最大區(qū)別在于它除了具有通常機(jī)床的三個直線坐標(biāo)軸外，還有至少2個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，而且可以五軸聯(lián)動加工。

          而五軸加工機(jī)床之間的區(qū)別，除了有立式、臥式之分外，則主要還在于他們實現(xiàn)五軸運(yùn)動的結(jié)構(gòu)型式和五個運(yùn)動的分配(配置)上。一般而言，五軸機(jī)床有三種結(jié)構(gòu)型式和三種運(yùn)動配置方式，這兩者的組合，就可以得到有9種可能的五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型。為便于敘述，我們分別用Aij來代表各種不同的結(jié)構(gòu)類型，

         如日本豐和機(jī)公司的Millac 853 PE-5X工作臺固定式五軸立式加工中心和濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司開發(fā)生產(chǎn)的龍門移動式大型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床。他們的特點都是工件/工作臺不動，五個運(yùn)動都由具有旋轉(zhuǎn)和擺動功能的主軸頭(即刀具一側(cè))來完成。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，優(yōu)點是適合于加工具有復(fù)雜形面的大型、重型殼體件，如飛機(jī)龍骨、翼梁、大型發(fā)動機(jī)殼體等。缺點是運(yùn)動部件質(zhì)量大，慣性力大，不適宜于用過高的進(jìn)給速度和加速度加工。不過運(yùn)動部件的質(zhì)量雖大，但較恒定，因為刀具重量相對較小，改變刀具時，對運(yùn)動部件重量變化影響不大，故機(jī)床的運(yùn)動特性還是比較穩(wěn)定的。另一缺點是帶A、C軸功能的主軸頭部件設(shè)計和制造要求高，難度大。特別是采用蝸輪/蝸桿和齒輪傳結(jié)構(gòu)時，主軸頭體積較大。

         A12型是傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床，但五個坐標(biāo)運(yùn)動均集中在工件一側(cè)來完成。一種簡單易行的實施方案是在一臺三軸數(shù)控的升降臺立式銑床上再裝上一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，工件裝在回轉(zhuǎn)工作臺上完成四軸運(yùn)動(尚不是五軸加工)，主軸頭則可以固定不動。

         A13型也是傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床，但五個坐標(biāo)運(yùn)動分別配置在刀具一側(cè)和工件一側(cè)來完成。這種結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床產(chǎn)品很多，應(yīng)用也最廣，最普遍。在這A13型中，又可按二個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸的配置方式進(jìn)一步分為三種結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床。第一種除工件一側(cè)至少有一個移動坐標(biāo)軸外，二個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸均由刀具一側(cè)的復(fù)合主軸頭來實現(xiàn)，這主要為大、重型機(jī)床所采用，比如工作臺移動式五軸聯(lián)動的龍門銑床或加工中心。第二種是二個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸分別由主軸頭擺動和工作臺回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，此種型式工作臺能承受較大重量且可以采用標(biāo)準(zhǔn)交換工作臺，而主軸頭結(jié)構(gòu)又比第一種簡單，現(xiàn)多為中型五軸加工機(jī)床所采用.第三種二個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸都在工作臺一側(cè)，大多是在原三軸控制機(jī)床基礎(chǔ)上配備數(shù)控擺動、回轉(zhuǎn)工作臺發(fā)展而成，系中、小型五軸加工機(jī)床采用較多的一種結(jié)構(gòu)型式，其缺點是工作臺成為剛度相對薄弱的環(huán)節(jié)，特別是在需要工作臺有較高的轉(zhuǎn)動進(jìn)給速度和加速度時，所承受的工作重量受到一定限制。圖6所示為瑞士Mikron公司在三軸控制高速銑削加工中心HSM 400的基礎(chǔ)上改變工作臺類型發(fā)展起來的五軸聯(lián)動加工機(jī)床HSM 400U。 

         A21型的典型結(jié)構(gòu)是以Stewart平臺結(jié)構(gòu)原理為基礎(chǔ)的并聯(lián)機(jī)床。一般刀具主軸安裝在Stewart結(jié)構(gòu)的活動平臺上，并通過6根可控的伸縮桿來控制刀具的空間位姿并完成五軸運(yùn)動，工件則安裝在固定的底座平臺上不動。A21型的代表性產(chǎn)品如美國G & L公司的VARIAX新概念機(jī)床、俄羅斯的KUM-750精密加工中心、日本大隈公司帶APC和ATC的PM-600五軸加工中心。

         并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床與傳統(tǒng)(串聯(lián)結(jié)構(gòu))機(jī)床比較，其主要的優(yōu)點是：

         運(yùn)動部件質(zhì)量輕，運(yùn)動慣性小，更有利于實現(xiàn)高速度和高加速度的加工；

         主軸部件具有重復(fù)性，通用性高，適于專業(yè)化生產(chǎn)；

         比剛度高，且容易通過預(yù)加載荷來提高機(jī)床的綜合剛度；

         理論精度較高，一般加工誤差不會大于6根伸縮桿運(yùn)動誤差的平均值，不像串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床那樣，各軸運(yùn)動誤差有可能被累積和放大。

         但并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床也存在一些固有的缺點：  

         有效空間比(即有效加工空間對設(shè)備占用空間之比)比較小，而且可加工空間呈非規(guī)則形，并隨桿長和位姿角變化；

         因受球鉸和虎克鉸鏈轉(zhuǎn)角的制約，Stewart平臺所能傾斜的角度(即刀具的位姿角)較小，一般只有±40°左右(常用為±30°以下)，從而影響了可加工的範(fàn)圍；

         運(yùn)動和編程較復(fù)雜，而且簡單的直線運(yùn)動也要6根桿聯(lián)合運(yùn)動來實現(xiàn)； 

         存在非線性誤差和奇異性問題，當(dāng)加工在極限位置上進(jìn)行時，由于微小的振動誤差就有可能導(dǎo)致奇異性出現(xiàn)，即導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況非常危險。

         A21型結(jié)構(gòu)機(jī)床不僅可用于實現(xiàn)中小型復(fù)雜零件的加工，如換上不同的相應(yīng)工具後，也可作測量機(jī)、切割機(jī)、焊接機(jī)等工藝設(shè)備用。

         A22型的基本結(jié)構(gòu)與A21同，只是Stewart平臺被倒置，其動平臺作為機(jī)床工作臺，工件裝在其上完成五個坐標(biāo)運(yùn)動，而刀具主軸頭則被固定在銑床的立柱上不動，圖8所示的美國Hexel公司生產(chǎn)的P2000型銑床就是A22型結(jié)構(gòu)機(jī)床的代表性產(chǎn)品。這種結(jié)構(gòu)配置的機(jī)床主要適用于小型模具的五軸加工，如零件重量變化大，即運(yùn)動部件質(zhì)量變化大，會造成機(jī)床運(yùn)動特性的不穩(wěn)定。除此之外，A22型結(jié)構(gòu)的其它優(yōu)缺點與A21型一樣。

         從理論上講，采用典型Stewart平臺結(jié)構(gòu)的機(jī)床，不應(yīng)有A23型的五軸加工機(jī)床的出現(xiàn)，但實際中由于Stewart平臺所能提供的刀具/工件位姿角太小，滿足不了某些具體加工的需要，為了彌補(bǔ)這一缺陷，有的使用者采取了Stewart平臺+回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)方案。哈工大早年(1999年)研制成功的HBJ并聯(lián)機(jī)床，就采用一個分度轉(zhuǎn)臺作輔助來加工葉輪。一般來說增加的分度轉(zhuǎn)臺不算是機(jī)床的組成部分，只是一個附件，是在特殊情況下為了解決具體問題才采取的應(yīng)急措施。

         A31型混聯(lián)機(jī)床的三個移動坐標(biāo)軸由并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，兩個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸則由其動平臺下串連的主軸頭來完成，五個坐標(biāo)軸均在刀具一側(cè)，大連機(jī)床集團(tuán)與清華大學(xué)合作開發(fā)了此種混聯(lián)機(jī)床DCB510。此外，天津大學(xué)和天津第一機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的Linapod機(jī)床便可歸入A33型，它的三個移動坐標(biāo)軸仍由刀具一側(cè)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸現(xiàn)使用數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，若改用數(shù)控擺動、回轉(zhuǎn)工作臺，則可進(jìn)行五軸聯(lián)動加工。這兩臺機(jī)床均用滑鞍和定長桿(每副定長桿由二桿或三桿構(gòu)成以增強(qiáng)剛性)代替可伸縮桿，而且定長桿一端的鉸支固定在滑鞍上，滑鞍則由滾珠絲桿驅(qū)動，從而便于機(jī)床廠用現(xiàn)成工藝制造和裝配。與純并聯(lián)機(jī)床相比，混聯(lián)機(jī)床擴(kuò)大了工具/工件的位姿角，同時便于編程和對切削點的位置及速度進(jìn)行運(yùn)動學(xué)標(biāo)定，最終有利于提高機(jī)床的精度及剛度。

         A32型機(jī)床目前只作為一種邏輯分類存在，實際上尚未發(fā)現(xiàn)有這樣的產(chǎn)品例子出現(xiàn)。

         五軸加工的難點 

         五軸加工的方法和機(jī)床，早在20世紀(jì)60年代，國外航空工業(yè)為了加工一些具有連續(xù)平滑而復(fù)雜的自由曲面大件時，就已開始采用了，但一直沒能在更多的行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，只是近10年來才有了較快的發(fā)展。究其原因，主要是五軸加工存在著很多難點，譬如：

         編程復(fù)雜、難度大。因為五軸加工不同于三軸，它除了三個直線運(yùn)動外，還有兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動參與，其所形成的合成運(yùn)動的空間軌跡非常復(fù)雜和抽象，一般難以想象和理解。如為了加工出所需的空間自由曲面，往往需通過多次坐標(biāo)變換和復(fù)雜的空間幾何運(yùn)算，同時還要考慮各軸運(yùn)動的協(xié)調(diào)性，避免干涉、沖撞，以及插補(bǔ)運(yùn)動要適時適量等，以保證所要求的加工精度和表面質(zhì)量，編程難度就更大了； 

         對數(shù)控及伺服控制系統(tǒng)要求高。由于五軸加工需要有五軸同時協(xié)調(diào)運(yùn)動，這就要求數(shù)控系統(tǒng)首先必須具有至少五軸聯(lián)動控制的功能；另外由于合成運(yùn)動中有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的加入，這不僅增加了插補(bǔ)運(yùn)算的工作量，而且由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的微小誤差有可能被放大從而大大影響加工的精度，因此要求數(shù)控系統(tǒng)要有較高的運(yùn)算速度(即更短的單個程序段的處理時間)和精度。所有這些都意味著數(shù)控系統(tǒng)必須增加RISC芯片的處理器來進(jìn)行處理(即采用多個高位數(shù)的CPU結(jié)構(gòu))。另外如前所說，五軸加工機(jī)床的機(jī)械配置有刀具旋轉(zhuǎn)方式，工件旋轉(zhuǎn)方式和兩者的混合式，數(shù)控系統(tǒng)也必須能滿足不同配置的要求。最後，為了能實現(xiàn)高速、高精的五軸加工，數(shù)控系統(tǒng)還要具有前瞻(Look Ahead)功能和較大的緩沖存儲能力，以便在程序執(zhí)行之前對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行提前運(yùn)算、處理并進(jìn)行多段緩沖存儲，從而保證刀具高速運(yùn)行時誤差仍然較小。所有這些要求，無疑都將增加數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和開發(fā)的難度；

         五軸機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造也比三軸機(jī)床更復(fù)雜和困難。因為機(jī)床要增加兩個旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)，就必須采用能傾斜和轉(zhuǎn)動的工作臺或能轉(zhuǎn)動和擺動的主軸頭部件。對增加的這兩個部件，既要求其結(jié)構(gòu)緊湊，又要具有足夠大的力矩和運(yùn)動的靈敏性及精度，這顯然就比設(shè)計和制造普通三軸加工機(jī)床難多了；

         作為上述三項因素綜合影響的結(jié)果，五軸加工機(jī)床的價格比較昂貴。例如，早年一臺五軸機(jī)床的價格約為一臺相同規(guī)格的三軸機(jī)床的2~3倍，現(xiàn)在差距雖然縮小了，但還是比三軸機(jī)床高出50%左右，因而在某種程度上也影響了企業(yè)對五軸機(jī)床的投資。

         軸機(jī)床正在迅速發(fā)展

         近年來，由于科技的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得五軸數(shù)控系統(tǒng)的性能/價格比大為提高(即相對便宜了)；大力矩電機(jī)的成功開發(fā)并應(yīng)用于擺動、回轉(zhuǎn)工作臺和主軸頭部件，代替了這些部件原來采用的齒輪，蝸輪/蝸桿傳動，從而使得這些部件的結(jié)構(gòu)緊湊、性能質(zhì)量提高，五軸機(jī)床的設(shè)計、制造也更方便容易了，價格也有較大下降，可能還有其它種種因素的影響，所以現(xiàn)在有許多跡象表明，五軸加工機(jī)床正在快速發(fā)展。例如：

         從在中國舉辦的中國國際機(jī)床展(CIMT)來看，CIMT9吋，中國第一次展出一臺國產(chǎn)五軸聯(lián)動加工機(jī)床，在CIMT 2001就展出12臺(其中國產(chǎn)的4臺，占1/3)，CIMT 2003則展出了多達(dá)36臺(其中國產(chǎn)的18臺，占1/2)五軸加工機(jī)床。相隔2年展出的五軸機(jī)床，增加了2倍多，其中國產(chǎn)的則增加了3.5倍，而且結(jié)構(gòu)形式多種多樣；

         從在美國舉辦的國際機(jī)床展(IMTS)來看，如果說，IMTS 2000給人的印象只是“五軸加工機(jī)床展出明顯增加了”的話，那么IMTS 2002給人的感覺則是“幾乎所有展出的加工中心和數(shù)控銑床都可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動和五面加工”了。歐洲EMO 2003機(jī)床展更是令人感到“五軸加工機(jī)床普及化，生產(chǎn)實用化”了，可見五軸加工機(jī)床發(fā)展之快，變化之大；

         從銷售市場看，據(jù)日本機(jī)床工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，1992年日本數(shù)控系統(tǒng)出廠的臺數(shù)為35,895臺，其中裝在4~5軸以上復(fù)合加工機(jī)床的為8,117臺，占全部的22.6%，而2001年數(shù)控系統(tǒng)出廠的臺數(shù)為42,899臺，其中用在4~5軸以上加工機(jī)床的就有13,143臺，占總數(shù)的30.1%。另外，有報道說，在日本生產(chǎn)銷售五軸加工機(jī)床及其相關(guān)設(shè)備的企業(yè)共有22家。

         雖然上述信息都不十分具體明確，也不很全面，可能缺乏足夠的說服力。但它們畢竟是與五軸加工機(jī)床的發(fā)展有關(guān)系。因此我們至少從中捕捉到了這樣一點信息，即五軸加工機(jī)床正在迅速發(fā)展！這是值得我們認(rèn)真關(guān)注的動向！