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提高加工質量和工效，充分滿足產品生產的要求是制造技術發展永恒的主題。迄今為止，所有制造技術的研發、改進和創新，無一不是直接或間接地在此主題的驅動下進行的，五軸加工機床的產生、應用和發展也不例外。它既是為了加工某些具有特殊要求的復雜形面的大型工件而出現的，也是為了提高對這些形面的加工精度、質量和工效才得到應用和發展的。

圖1 用3軸機床加工

圖2 用5軸機床加工

五軸加工的優點

所謂五軸加工這里是指在一臺機床上至少有五個坐標軸(三個直線坐標和兩個旋轉坐標)，而且可在計算機數控(CNC)系統的控制下同時協調運動進行加工。這樣的五軸聯動數控加工與一般的三軸聯動數控加工相比，主要有以下優點：

可以加工一般三軸數控機床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲面。如航空發動機和汽輪機的葉片，艦艇用的螺旋推進器，以及許許多多具有特殊曲面和復雜型腔、孔位的殼體和模具等，如用普通三軸數控機床加工，由于其刀具相對于工件的位姿角在加工過程中不能變，加工某些復雜自由曲面時，就有可能產生干涉或欠加工(即加工不到)。而用五軸聯動的機床加工時，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、質量和效率。例如，三軸機床加工復雜曲面時，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，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)進行切削，而且有可能出現切削點落在球頭刀上線速度等于零的旋轉中心線上的情況，如圖1中所示的刀位a處。這時不僅切削效率極低，加工表面質量嚴重惡化，而且往往需要采用手動修補，因此也就可能喪失精度。如采用五軸機床加工，由于刀具/工件位姿角隨時可調，則不僅可以避免這種情況的發生，而且還可以時時充分利用刀具的最佳切削點來進行切削，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，甚至還可以通過進一步優化刀具/工件的位姿角來進行銑削，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量，圖3所示便是以不變位姿角和以優化位姿角銑削相同自由曲面的效果比較的一例。從圖中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%；

圖3 以固定位姿角和優化位姿角進行銑削的效果比較

符合于工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工的機床發展方向。因為隨著科技的發展和人們物質生活水平的提高，人們對產品的性能、質量要求也更高，形式更多樣化和個性化。為了進一步提高產品的性能和質量，充分滿足使用者的多方要求，如節能、省材、輕便、美觀、舒適等，現代產品，不僅是航空、航天產品和運載工具(如汽車、船、艦等)，而且也包括精密儀器、儀表，醫療、運動器械，以及家用、辦公用的電器和兒童玩具等產品的零件，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雜曲面和斜孔、斜面等。這些零件，如用傳統機床或三軸數控機床來加工，必須用多臺機床，經過多次定位安裝才能完成。這樣不僅設備投資大，占用生產面積多，生產加工周期長，而且精度、質量還難于保證。為了解決這些問題，就要發展能集中工序進行高精、高效和復合加工的機床，以期能實現工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工。這已成為當今機床發展的大趨勢，而配備上高速加工能力的五軸機床，完全符合這一發展要求的趨勢，而且還可能是最佳的方案選擇。因為它不僅具有現代生產加工設備所要求具有的主要功能，而且一臺五軸機床的工效約相當于兩臺三軸加工機床，甚至可以省去更多機床。

五軸機床的結構特點

五軸加工機床與一般機床的最大區別在于它除了具有通常機床的三個直線坐標軸外，還有至少2個旋轉坐標軸，而且可以五軸聯動加工。

而五軸加工機床之間的區別，除了有立式、臥式之分外，則主要還在于他們實現五軸運動的結構型式和五個運動的分配(配置)上。一般而言，五軸機床有三種結構型式和三種運動配置方式，這兩者的組合，就可以得到有9種可能的五軸機床的結構類型。為便于敘述，我們分別用Aij來代表各種不同的結構類型，如表1所示。

A11型，如表1中定義，是傳統的串聯結構的機床，五個坐標運動(X、Y、Z、A、C)全部集中在刀具一側來完成，其代表性產品有如日本豐和機公司的Millac 853 PE-5X工作臺固定式五軸立式加工中心和濟南二機床集團公司開發生產的龍門移動式大型五軸聯動數控銑床。他們的特點都是工件/工作臺不動，五個運動都由具有旋轉和擺動功能的主軸頭(即刀具一側)來完成。這種結構的機床，優點是適合于加工具有復雜形面的大型、重型殼體件，如飛機龍骨、翼梁、大型發動機殼體等。缺點是運動部件質量大，慣性力大，不適宜于用過高的進給速度和加速度加工。不過運動部件的質量雖大，但較恒定，因為刀具重量相對較小，改變刀具時，對運動部件重量變化影響不大，故機床的運動特性還是比較穩定的。另一缺點是帶A、C軸功能的主軸頭部件設計和制造要求高，難度大。特別是采用蝸輪/蝸桿和齒輪傳結構時，主軸頭體積較大。

圖4 濟南二機床的龍門移動式五軸數控銑床(A11型)

A12型是傳統串聯結構的機床，但五個坐標運動均集中在工件一側來完成。一種簡單易行的實施方案是在一臺三軸數控的升降臺立式銑床上再裝上一個數控回轉工作臺，工件裝在回轉工作臺上完成四軸運動(尚不是五軸加工)，主軸頭則可以固定不動。

圖5 瑞士Willemin-Macodel公司的五軸加工中心W-418(A13型)

A13型也是傳統串聯結構的機床，但五個坐標運動分別配置在刀具一側和工件一側來完成。這種結構型式的機床產品很多，應用也最廣，最普遍。在這A13型中，又可按二個轉動坐標軸的配置方式進一步分為三種結構型式的機床。第一種除工件一側至少有一個移動坐標軸外，二個轉動坐標軸均由刀具一側的復合主軸頭來實現，這主要為大、重型機床所采用，比如工作臺移動式五軸聯動的龍門銑床或加工中心。第二種是二個轉動坐標軸分別由主軸頭擺動和工作臺回轉來實現，此種型式工作臺能承受較大重量且可以采用標準交換工作臺，而主軸頭結構又比第一種簡單，現多為中型五軸加工機床所采用(圖5)。第三種二個回轉坐標軸都在工作臺一側，大多是在原三軸控制機床基礎上配備數控擺動、回轉工作臺發展而成，系中、小型五軸加工機床采用較多的一種結構型式，其缺點是工作臺成為剛度相對薄弱的環節，特別是在需要工作臺有較高的轉動進給速度和加速度時，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的基礎上改變工作臺類型發展起來的五軸聯動加工機床HSM 400U。

圖6 五軸聯動高速銑削加工中心HSM400U(A13型)

A21型的典型結構是以Stewart平臺結構原理為基礎的并聯機床。一般刀具主軸安裝在Stewart結構的活動平臺上，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動，工件則安裝在固定的底座平臺上不動。A21型的代表性產品如美國G & L公司的VARIAX新概念機床、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。

圖7 日本大隈的Stewart平臺并聯式機床PM-600(A21型)

并聯結構機床與傳統(串聯結構)機床比較，其主要的優點是：

運動部件質量輕，運動慣性小，更有利于實現高速度和高加速度的加工；

主軸部件具有重復性，通用性高，適于專業化生產；

比剛度高，且容易通過預加載荷來提高機床的綜合剛度；

理論精度較高，一般加工誤差不會大于6根伸縮桿運動誤差的平均值，不像串聯結構的機床那樣，各軸運動誤差有可能被累積和放大。

但并聯結構機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備占用空間之比)比較小，而且可加工空間呈非規則形，并隨桿長和位姿角變化；

因受球鉸和虎克鉸鏈轉角的制約，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圍；

運動和編程較復雜，而且簡單的直線運動也要6根桿聯合運動來實現；

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

A21型結構機床不僅可用于實現中小型復雜零件的加工，如換上不同的相應工具後，也可作測量機、切割機、焊接機等工藝設備用。

A22型的基本結構與A21同，只是Stewart平臺被倒置，其動平臺作為機床工作臺，工件裝在其上完成五個坐標運動，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公司生產的P2000型銑床就是A22型結構機床的代表性產品。這種結構配置的機床主要適用于小型模具的五軸加工，如零件重量變化大，即運動部件質量變化大，會造成機床運動特性的不穩定。除此之外，A22型結構的其它優缺點與A21型一樣。

圖8 美國Hexel公司的P2000型5軸加工銑床(A22型)

從理論上講，采用典型Stewart平臺結構的機床，不應有A23型的五軸加工機床的出現，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，為了彌補這一缺陷，有的使用者采取了Stewart平臺+回轉工作臺的結構方案。哈工大早年(1999年)研制成功的HBJ并聯機床，就采用一個分度轉臺作輔助來加工葉輪。一般來說增加的分度轉臺不算是機床的組成部分，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急措施。

A31型混聯機床的三個移動坐標軸由并聯機構實現，兩個轉動坐標軸則由其動平臺下串連的主軸頭來完成，五個坐標軸均在刀具一側，大連機床集團與清華大學合作開發了此種混聯機床DCB510。此外，天津大學和天津第一機床廠聯合開發的Linapod機床便可歸入A33型，它的三個移動坐標軸仍由刀具一側的并聯機構實現，轉動坐標軸現使用數控回轉工作臺，若改用數控擺動、回轉工作臺，則可進行五軸聯動加工。這兩臺機床均用滑鞍和定長桿(每副定長桿由二桿或三桿構成以增強剛性)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動，從而便于機床廠用現成工藝制造和裝配。與純并聯機床相比，混聯機床擴大了工具/工件的位姿角，同時便于編程和對切削點的位置及速度進行運動學標定，最終有利于提高機床的精度及剛度。

圖9 DCB510混聯機床(A31型)

A32型機床目前只作為一種邏輯分類存在，實際上尚未發現有這樣的產品例子出現。

圖10 Linapod混聯機床(A33型)

五軸加工的難點

五軸加工的方法和機床，早在20世紀60年代，國外航空工業為了加工一些具有連續平滑而復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中獲得廣泛應用，只是近10年來才有了較快的發展。究其原因，主要是五軸加工存在著很多難點，譬如：

編程復雜、難度大。因為五軸加工不同于三軸，它除了三個直線運動外，還有兩個旋轉運動參與，其所形成的合成運動的空間軌跡非常復雜和抽象，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變換和復雜的空間幾何運算，同時還要考慮各軸運動的協調性，避免干涉、沖撞，以及插補運動要適時適量等，以保證所要求的加工精度和表面質量，編程難度就更大了；

對數控及伺服控制系統要求高。由于五軸加工需要有五軸同時協調運動，這就要求數控系統首先必須具有至少五軸聯動控制的功能；另外由于合成運動中有旋轉運動的加入，這不僅增加了插補運算的工作量，而且由于旋轉運動的微小誤差有可能被放大從而大大影響加工的精度，因此要求數控系統要有較高的運算速度(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控系統必須增加RISC芯片的處理器來進行處理(即采用多個高位數的CPU結構)。另外如前所說，五軸加工機床的機械配置有刀具旋轉方式，工件旋轉方式和兩者的混合式，數控系統也必須能滿足不同配置的要求。最後，為了能實現高速、高精的五軸加工，數控系統還要具有前瞻(Look Ahead)功能和較大的緩沖存儲能力，以便在程序執行之前對運動數據進行提前運算、處理并進行多段緩沖存儲，從而保證刀具高速運行時誤差仍然較小。所有這些要求，無疑都將增加數控系統結構的復雜性和開發的難度；

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

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

五軸機床正在迅速發展

近年來，由于科技的進步，特別是微電子技術的快速發展，使得五軸數控系統的性能/價格比大為提高(即相對便宜了)；大力矩電機的成功開發并應用于擺動、回轉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構緊湊、性能質量提高，五軸機床的設計、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，所以現在有許多跡象表明，五軸加工機床正在快速發展。例如：

從在中國舉辦的中國國際機床展(CIMT)來看，CIMT9吋，中國第一次展出一臺國產五軸聯動加工機床，在CIMT 2001就展出12臺(其中國產的4臺，占1/3)，CIMT 2003則展出了多達36臺(其中國產的18臺，占1/2)五軸加工機床。相隔2年展出的五軸機床，增加了2倍多，其中國產的則增加了3.5倍，而且結構形式多種多樣；

從在美國舉辦的國際機床展(IMTS)來看，如果說，IMTS 2000給人的印象只是“五軸加工機床展出明顯增加了”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控銑床都可以實現五軸聯動和五面加工”了。歐洲EMO 2003機床展更是令人感到“五軸加工機床普及化，生產實用化”了，可見五軸加工機床發展之快，變化之大；

從銷售市場看，據日本機床工業協會統計，1992年日本數控系統出廠的臺數為35,895臺，其中裝在4~5軸以上復合加工機床的為8,117臺，占全部的22.6%，而2001年數控系統出廠的臺數為42,899臺，其中用在4~5軸以上加工機床的就有13,143臺，占總數的30.1%。另外，有報道說，在日本生產銷售五軸加工機床及其相關設備的企業共有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床的發展有關系。因此我們至少從中捕捉到了這樣一點信息，即五軸加工機床正在迅速發展！這是值得我們認真關注的動向！