五轴联动数控机床

五轴联动数控机床（Five-axis linkage CNC machine tool^[1]）是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床；是指在计算机数控系统的控制下，至少有五个坐标轴（三个直线坐标和两个旋转坐标）可以进行协调运动进行加工的机床。^[7]五轴联动数控机床可解决航空航天、船舶、军事、机密器械、高精医疗设备等领域新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，是加工制造关键部件的重要高精密加工设备。^[2][4]

世界第一台五轴联动数控机床由美国辛辛那提公司于1959年生产而出，但由于数控、软件和其他所需技术的进步相对缓慢，直到20世纪90年代末才开始被大规模使用。^[8][9]

五轴联动数控机床包括摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头等产品类型。^[5]根据两个不同旋转轴的组合形式进行划分，主要有双转台式、转台加摆头式和双摆头式三种形式。^[2][10]在结构上，五轴联动数控机床有五个自由度，即有X、Y、Z^[注1]三个方向的移动轴，以及绕Z轴和水平轴旋转的两个转动轴；而在加工过程中，其控制工件与刀具运动的五个自由度还可以同时运动（即五轴联动），并以此可以加工出任意曲面。五轴联动数控机床的核心技术主要有直线电机驱动技术和双驱动技术等。^[4]

数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，军事工业需求是数控机床发展的原始动力，军事工业的不断发展促进数控机床升级。随着市场竞争的加剧，民用工业对高精度、高效率、柔性化及批量生产的需要，使其对数控机床产业化的要求更加迫切。1952年，美国麻省理工学院和吉丁斯·路易斯公司联合研制出世界上第一台数控升降台铣床，开创了数控机床产业发展的历史。随后，德国、日本等国于1956年分别研制出了本国的第一台数控机床。^[11]

1959年，世界第一台五轴联动数控机床由美国辛辛那提公司生产出来。但由于数控、软件和其他所需技术的相对缓慢的进展，直到20世纪90年代末，五轴联动数控机床才开始大规模使用。^[8][9]

数控机床的工作过程是由数字指令控制的：

在加工前要用规定的指令代码按照零件图编制出数控加工程序，通过操作面板或通信接口输入到数控装置中；数控装置经译码、运算后生成相应的控制信号，包括位置信号、运动控制信号和逻辑控制信号。位置信号与运动控制指令如坐标轴的位置、速度控制指令等经伺服系统进行信号变换和功率放大后，驱动伺服电动机精确运动，带动机床移动部件按照程序自动地进行加工。^[12]

由数控装置所控制的内置式可编程序控制器（PLC）输出的逻辑控制指令（主要是开关量信号），经功率放大后，按预先规定的逻辑顺序直接驱动电磁阀、离合器、继电器、主轴控制器等执行元件，控制主轴的起停、变速、换向，工件加紧或松开，刀架回转、刀具选择及更换，切削液的开关等辅助动作，实现数控机床的自动操作。此外，检测装置实时检测坐标轴的实际位置和速度值，信号转换后反馈给数控装置或伺服系统，与指令值进行比较，并对误差进行补偿调节，使移动部件运行到正确的位置。^[12]比较特殊的是，五轴联动数控机床在加工过程中，其控制工件与刀具运动的五个自由度还可以同时运动（即五轴联动），并以此可以加工出任意曲面。^[4]

所有数控机床的基本组成和工作原理是大致相同的，通常由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体、检测装置等部结构组成。^[12][13]与常规的数控机床技术相比，五轴联动数控机床除了X、Y、Z三个直线运动的坐标轴之外，同时至少设置了两个旋转坐标轴完成给进运动。^[14]五轴联动数控机床大多是“3+2”结构，即X、Y、Z^[注1]三个直线运动轴加上分别绕X、Y、Z轴旋转的A、B、C三个旋转轴中的两个组成。因此，从大方向分类，五轴联动数控机床有线轴+双轴摆动铣头联动（X、Y、Z、A、B）、三个直线轴+双轴转台联动（X、Y、Z、A、C^[注1]）、三个直线轴+单轴摆动铣头+单轴转台联动（X、Y、Z、B、C）三种形式。^[1][2][10]

五轴联动数控机床代表了数控机床的最高水平，五轴联动加工中心的加工是高效率、高精度的，工件一次装夹就可完成五面体的加工，它可以对极为复杂的空间曲面进行高精度加工，完成复杂模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，即工作台回转轴和立式主轴头的回转轴。^[6]

设置在床身上的工作台可以环绕A轴旋转，A轴工作角度范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，回转台可以围绕B轴进行360度旋转。通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和B轴最小分度值是0.001度，这样又可以让工件变换任意角度，从而加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和B轴再与其他三个直线轴，即C、D、E直线轴实现联动，在高档数控系统、伺服系统以及软件的配合下，就可加工出任意复杂的空间曲面。该种工作台回转轴优点是主轴结构简单，主轴高刚性，加工成本低；其缺点是工作台不能太大，因此负重小，当A轴回转超过90度时，工件切削力矩会过大，不太安全。^[6]

在立体直角三维轴X轴、Y轴、Z轴结构中，主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度旋转，成为C轴，回转头上带可环绕X轴旋转的A轴，角度可达±90度以上。该装置的优点是主轴加工灵活，工作台很大，承重巨大，适合加工体积庞大的对象；此外，加工质量高于工作台回转轴的加工质量，因为在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。该装置的缺点是，由于其加工精度很高，必须加装分辨率极高的圆光栅尺，其配置较高，结构复杂，加工成本高。^[6]

五轴联动数控机床的绕刀具中心点旋转功能的英文是“Rotation Tool Center Point”，简称RTCP功能。该命名源自于意大利的Fidia公司，该功能还有一些其他称呼，如TCPC（Tool Center Point Control，刀具中心点控制）、TCPM（Tool Center Point Management，刀具中心点管理）等。RTCP功能可确保五轴联动机床在进行五轴联动加工时，刀具绕着刀尖点旋转后，机床的直线运动轴能得到补偿，从而保证刀尖点处于目标位置。^[3]

五轴联动数控机床国际上已有的产品，包括摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90°B轴、NC工作台+45°B轴、NC工作台+A轴、二轴NC+主轴等。^[5]根据两个不同旋转轴的组合形式进行划分，五轴联动数控机床主要有双转台式、转台加摆头式和双摆头式三种形式。^[2][1][10]

该五轴联动机床的转台结构为A轴+C轴的双转台结构。设置在床身上的工作台可以围绕 X 轴回转，定义为A轴，A轴的工作范围一般为30°~120°。设置在工作台中间的回转台可以绕Z轴旋转，定义为C 轴，C轴可进行360°回转。因此，通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以用立式主轴进行加工。^[2]

A轴、B轴或C轴都可以成为该机床的转台和摆头，因此，转台加摆头结构的五轴联动机床可以实现不同的组合，以适应不同的加工对象。此种设置方式的优点是机床主轴可以实现灵活加工，并且通过将机床的工作台变大，可以实现大型复杂工件的加工。^[2]

该结构的摆头带有松拉刀结构的电主轴，因此双摆头自身的尺寸不宜过小，一般在400 mm~500 mm，加上双摆头活动范围的需要，双摆头结构的五轴联动机床的加工范围较大，一般为龙门式或动梁龙门式，龙门的宽度一般在2，000 mm~3，000 mm 之间。较先进的双摆头式五轴联动机床的摆头结构一般采用“零传动”技术的扭矩电动机，“零传动”技术在旋转轴中的应用是解决其传动链刚性和精度问题的主要技术路线。^[2]

五轴联动数控机床的核心技术主要有直线电机驱动技术和双驱动技术。^[4]

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通人交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。^[15]

为了克服传统进给系统缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，研究出快速进给系统——直线电机。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”或“零传动”。^[15]

直线电机驱动数控机床具有高速响应和高精度的优点。由于直线电机直接驱动工作台，无须通过响应时间常数较大的机械传动件如丝杠等，加快整个闭环控制系统的动态响应。此外，消除机械传动环节带来的传动间隙和误差，可减少插补运动时因传动系统滞后导致的跟踪误差。结合直线位置检测反馈控制，可以大幅提高机床的定位精度。^[16]

直线驱动系统具有高动刚度的特点。避免在启动、变速和换向过程中因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙引起的运动滞后现象，从而提高传动刚度，确保机床的稳定性和精度。采用直线电动机使得机床的速度更快，加减速过程更短。由于取消了从电机到工作台之间的机械传动环节，进给传动链的长度被缩减为零，缩短机床的加减速过程，提高生产效率。^[16]

世界上知名的机床厂家几乎无一例外地都推出了直线电机驱动的机床产品，品种覆盖了绝大多数机床类型。此外，在压力机、坐标测量机、水切割机、等离子切割机、快速原型机及半导体设备的x/y轴工作台上直线电机都有应用。^[15]

如果工作台较宽，用中间驱动这种单驱动技术，驱动力难以保证处于中心位置，位置稍有偏移的中心力容易引起工作台倾斜，既费力又损毁工作台，平衡性不佳。改用双驱动技术，以双光栅尺来检测两端的平衡性，用双驱动模块来驱动，其合力可以等效于中心力严格处于中心位置，驱动安全、稳健、流畅。^[6]

五轴联动数控机床的突出特点就是加工的高精度、复杂曲面的高适用性和高加工效率，一台五轴联动数控机床的工作效率相当于两台三轴机床。^[6]不必使用自动化生产线，节省设备投资成本，节省生产场所占地空间，省去不少生产物流，造成生产时间、工作量、费用下降。^[6]五轴联动数控机床从形式上分类已经有多种：立式、卧式、龙门式和落地式，基本能满足各种规格、尺寸的复杂零部件加工的需要。^[6]对于旋转式部件的加工，例如叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等，五轴联动数控机床是较佳加工的设备。它的高级技术、高精密度特点能解决这种难度很高的加工问题。^[6]工件的装夹简单。因为其夹具简单，夹具成本低，夹具因此装定就不必经常更换，避免了常常更换带来的加工误差，也减少了夹具的使用数量。^[6]五轴联动数控机床还可以降低刀具成本。它不必使用各种特殊刀具，还可以增加刀具的有效切削刃长度，减小切削力，提高刀具使用寿命。^[6]五轴联动数控机床加工模具速度快。模具容易修改，模具加工既容易，又质量高。传统的模具加工用立式加工中心来完成工件的铣削加工，其缺陷是由于底面的线速度为零，刀头不能有效切割，难以保证切削质量。使用五轴联动机床球头铣刀来加工，便可以克服上述缺点。^[6]

五轴联动数控机床编程抽象、操作困难。三轴机床只有直线坐标轴， 而五轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。五轴数控加工的操作和编程技能密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴数控技术普及的一大阻力。^[17]NC程序校验困难。五轴数控中，碰撞很难预测，校验程序必须对机床运动学及控制系统进行综合分析。^[17]工作效率低。在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效。流行的CNC 系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM 系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。^[17]后置处理器。五轴机床和三轴机床不同之处在于它还有两个旋转坐标，刀具位置从工件坐标系向机床坐标系转换，中间要经过几次坐标变换。利用市场上流行的后置处理器生成器，只需输入机床的基本参数，就能够产生三轴数控机床的后置处理器。而针对五轴数控机床，只有一些经过改良的后置处理器。五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。^[17]投资大。五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%～50%。除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。^[17]

五轴联动数控机床技术反映了国家工业智能化水平的高低，它是一个国家工业化的一面旗帜。由于高档数控机床对国家工业化具有重要意义，其地位十分重要，因此它是各工业化国家努力攻占的领域。五轴联动数控机床最能够作为数控技术的代表，由于该种机床的高科技、高精密度，能对复杂曲面实施精密加工，加工精细，加工高效，因此广泛应用于航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备的加工。^[6]

航空航天工业：航空航天工业在从原型设计到生产的每个阶段都不断需要利基和复杂的零件。五轴联动数控机床的多轴数控加工技术才能满足这些要求。^[9]医疗行业：五轴联动数控机床加工工艺在医疗保健行业应用较多，可用于制造医疗设备、植入物、假肢和许多其他医疗产品。^[9]汽车工业：在汽车工业中，五轴联动数控机床的数控技术可创建复杂的几何形状，如变速箱，驱动桥，发动机部件等，还可以创建汽车车间所需的定制零件。^[9]军事：多轴数控机床是军事和国防工业创新的支柱。五轴联动数控技术可以制造从小型武器部件到大型潜艇和飞机部件的任何零件。^[9]

五轴联动数控机床还有许多其他的应用。该项技术的广泛应用主要是因为它可以加工大量的材料。如：钛、铬镍铁合金、钢（所有类型）、不锈钢、铝（所有类型）、黄铜、铜、木、泡沫、玻璃纤维、塑料等。^[9]

五轴联动加工中心适合加工复杂、工序多、要求高，以及需要多种类型的普通机床和众多刀具、夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。^[18]

箱体类零件一般都需要进行多工位孔隙及平面加工，公差要求较高，特别是几何公差要求较为严格，通常需要经过铣、钻、扩、镗、铰jiǎo、攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，需多次装夹、找正，加工精度难以保证。加工箱体类零件时需要工作台多次旋转以加工水平方向四个面，用卧式加工中心合适。^[18]

复杂曲面在机械制造业，特别是航空航天工业中占有重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法难以甚至无法完成。如各种叶轮、球面、曲面成形模具、螺旋桨、水下航行器的推进器及一些其他形状的自由曲面，用五轴加工中心加工最为合适。用加工中心加工复杂曲面时，编程工作量较大，大多数要采用自动编程技术。^[18]

异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件有的加工部位的加工用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部工序。^[18]

五轴联动加工中心适合加工盘、套、板类零件，带有键槽或径向孔，或端面有分布孔系的零件，曲面的盘、套或轴类零件，如带法兰的轴套、带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔的板类零件，如各种电动机机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的零件可选卧式加工中心。^[18]

特殊加工。熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案。在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火。给加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等。^[18]

随着技术进步和社会对高档数控机床要求的不断提高，五轴数控机床大型制造公司的数控技术正在向高速度、高精度、智能化、复合化、高可靠性和绿色化的方向发展。^[2]

德国西口技术（Syco Tec）将4015 DC-R-HSK63高速精密电主轴应用到五轴数控机床加工中心，使得机床的加工范围从原来的0~24000 r/min扩展到0~100000 r/min的五轴超高转速精密加工，并且机床采用标准的HSK-63刀柄，实现了标准快速、无摩擦更换刀具，缩短了机床停止时间，提高了生产产量和效率，拓宽了机床的加工范围。兹默曼（Zimmermann）公司设计的五轴联动式数控机床配备M3ABC配弧形导轨的高端三轴铣头，B坐标多出一个，即内含A、B、C三个不同回转的坐标头，该五轴联动式数控机床具有刚性优良的特点，且结构相对紧凑，因内设A、B、C三个不同的坐标头，增加了偏转范围，致使C轴的转动过程不受限制，提高了五轴联动数控机床加工作业期间的精度。^[2]

法国索玛（SOMAB）公司制造的DIAM五轴加工中心复合化功能强大，一次装夹，可实现车、铣、镗、钻、车铣、齿轮加工、曲轴加工、在线检测等复合化工作，提升机床加工效率和加工精度。^[2]

美国赫克（Hurco）公司制造的偏摆主轴式 i 系列五轴加工中心，采用整体式电主轴，并配置高精度陶瓷轴承，加工工作台可无角度限制地连续旋转，减少节拍时间，可以最大限度地进行刀具进给，在复杂零件轮廓加工方面具有超强的性能。哈斯（Haas）制造的VF-6TR多功能五轴数控加工中心能够提供完全同步的五轴运动，并可将工件定位到几乎任何角度进行加工，提高了加工的灵活性。^[2]

日本安田工业株式会社（YASDA）出厂的YASDA YBM Vi40超精密五轴数控机床采用一体化桥式结构的刚性机身，在模具制造领域实现了高精度加工及高表面品质。山崎马扎克株式会社（Mazak）研制的多功能五轴联动加工中心VARIAXISi系列，一次装夹就能完成大型、重型零部件的复杂弯曲表面加工，该系列设备应用了Done-in-One理念，能在一台设备上完成从原料到终产品的所有加工，缩短加工时间，提升加工精度。^[2]

韩国现代威亚（HYUNDAI WIA）展出的高速、高精度五轴立式加工中心XF6300，具有高级模具产品和高精密加工特性，该机采用高性能内置式15000 r/min主轴，可以使传递给轴的震动最小化，通过配合高精密多样化主轴，可实现微米级高精密加工。^[2]

意大利菲迪亚（FIDIA）推出了五轴高速铣削立式加工中心，高速主轴可达24000 r/min，AC五轴摆动头，主要应用于汽车保险杠、车灯、内饰模具、塑胶模具等的高速五轴铣削加工。^[2]

中国工业基础相对薄弱、数控机床产业化时间短等原因，在技术上和产业上与发达国家相比还存在一定差距，尤其是高端五轴联动数控机床。在《中国制造2025》制造强国战略将高端数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一后，中国高档数控机床的研发迎来重大发展机遇，五轴联动数控机床实现了由研发试制向定型量产的快速转型。^[2]

其中武汉华中数控股份有限公司研发出拥有自主知识产权的五轴数控系统；科德数控股份有限公司研发的KMC800SU五轴联动立式加工中心产品入选“军工领域国产高档数控机床供应目录”；2020年沈阳机床研制的国内首台高铁行业专用的高速五轴加工中心成功上线；济南二机床展出了自主研发的XHSV2525A×40高架式五轴联动高速镗铣加工中心，加工中心核心功能部件应用了 JIER自主知识产权的AC轴双摆角数控铣头等。^[2]

随着机床技术的持续发展，五轴联动高速数控机床内部高速化进给机构、高速化电主轴等均有所突破，使得数控机床的主轴转速和进给量的范围变大。其中，直线型电机驱动主轴实际转速现已达到100，000 r/min，而进给运作部件的快速移动实际速度已达到120 m/min，机床系统切削进给速度已达到60 m/min，有效地减少了零件的加工时间和辅助时间，提高了生产效率。^[19]

五轴联动数控机床的加工精度非常高，随着电脑辅助制造（CAM）系统的发展，精密度已达到微米级。在加工高精度零件时，可以保证零件的尺寸精度和形状精度，避免了加工误差。^[19]

五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的，随着机床复合化技术的发展，出现了五轴车铣复合加工中心、镗铣钻复合加工中心、铣镗钻车复合加工中心等，可以同时进行多个加工操作，大大提升了加工效率。比如，在加工复杂零件时，可以同时进行铣削、钻孔、攻丝等操作，从而缩短零件加工周期。^[19]

随着人工智能、大数据、物联网等技术的发展，数控机床已快速向智能化方向发展，数控机床加工过程已实现加工参数的智能优化与选择、加工过程的自适应控制、加工过程智能故障自诊断与自修复、加工过程智能故障回放和故障仿真、智能化交流伺服驱动装置等。^[2]

五轴联动数控机床对复杂曲面等加工对象的变化有很强的适应能力，被加工工件经过一次装夹就可以实现多个曲面和多个角度的加工，避免了普通数控机床加工多次变换工种、工序间的转件以及划线等情况。数控机床正朝着单元和系统柔性化的方向发展。^[2]