,,

五軸加工（5 Axis Machining），顧名思義，數(shù)控機(jī)床加工的一種模式。根據(jù)ISO的規(guī)定，在描述數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用右手直角坐標(biāo)系；其中平行于主軸的坐標(biāo)軸定義為z軸，繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別為A、B、C。各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)可由工作臺(tái)，也可以由刀具的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但方向均以刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)定義。通常五軸聯(lián)動(dòng)是指x、y、z、A、B、C中任意5個(gè)坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。五軸加工所采用的機(jī)床通常稱為五軸機(jī)床或五軸加工中心。

（環(huán)球五軸機(jī)床示意圖）

五軸技術(shù)的發(fā)展
幾十年來(lái)，人們普遍認(rèn)為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的唯一手段。一旦人們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題，就會(huì)求助五軸加工技術(shù)。

但是，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大、應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對(duì)于航空、航天、軍事工業(yè)的重要影響，以及技術(shù)上的復(fù)雜性，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實(shí)行出口許可證制度。

（環(huán)球五軸機(jī)床）

五軸機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

與三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工相比，從工藝和編程的角度來(lái)看，對(duì)復(fù)雜曲面采用五軸數(shù)控加工有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）提高加工質(zhì)量和效率
2）擴(kuò)大工藝范圍
3）滿足復(fù)合化發(fā)展新方向

五軸機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

五軸機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

但是，五軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。所以，五軸說(shuō)起來(lái)容易，真實(shí)實(shí)現(xiàn)真的很難！另外，要操作運(yùn)用好更難！

五軸機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

什么是真五軸和假五軸？
說(shuō)到五軸，不得不說(shuō)一說(shuō)真假五軸的問(wèn)題？真假5軸的區(qū)別主要在于是否有RTCP功能，為此，小編專門(mén)去查找了這個(gè)詞的含義！

RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫(xiě)，字面意思是“旋轉(zhuǎn)刀具中心”，業(yè)內(nèi)往往會(huì)稍加轉(zhuǎn)義為“圍繞刀具中心轉(zhuǎn)”，也有一些人直譯為“旋轉(zhuǎn)刀具中心編程”，其實(shí)這只是RTCP的結(jié)果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個(gè)單詞的縮寫(xiě)。海德漢則將類似的所謂升級(jí)技術(shù)稱為T(mén)CPM，即“Tool Centre Point Management”的縮寫(xiě)，刀具中心點(diǎn)管理。還有的廠家則稱類似技術(shù)為T(mén)CPC，即“Tool Center Point Control”的縮寫(xiě)，刀具中心點(diǎn)控制。

從Fidia的RTCP的字面含義看，假設(shè)以手動(dòng)方式定點(diǎn)執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點(diǎn)和刀具與工件表面的實(shí)際接觸點(diǎn)將維持不變，此時(shí)刀具中心點(diǎn)落在刀具與工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，對(duì)于球頭刀而言，刀具中心點(diǎn)就是數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)。

為了達(dá)到讓刀柄在執(zhí)行RTCP功能時(shí)能夠單純地圍繞目標(biāo)軌跡點(diǎn)（即刀具中心點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)的目的，就必須實(shí)時(shí)補(bǔ)償由于刀柄轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的刀具中心點(diǎn)各直線坐標(biāo)的偏移，這樣才能夠在保持刀具中心點(diǎn)以及刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)不變的情況，改變刀柄與刀具和工件表面實(shí)際接觸點(diǎn)處的法線之間的夾角，起到發(fā)揮球頭刀的最佳切削效率，并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點(diǎn)（即數(shù)控代碼的目標(biāo)軌跡點(diǎn)）上，處理旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化。

什么是真五軸和假五軸

不具備RTCP的五軸機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)必須依靠CAM編程和后處理，事先規(guī)劃好刀路，同樣一個(gè)零件，機(jī)床換了，或者刀具換了，就必須重新進(jìn)行CAM編程和后處理，因而只能被稱作假五軸，國(guó)內(nèi)很多五軸數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)都屬于這類假五軸。當(dāng)然了，人家硬撐著把自己稱作是五軸聯(lián)動(dòng)也無(wú)可厚非，但此（假）五軸并非彼（真）五軸！

小編因此也咨詢了行業(yè)的專家，簡(jiǎn)而言之，真五軸即五軸五聯(lián)動(dòng)，假五軸有可能是五軸三聯(lián)動(dòng)，另外兩軸只起到定位功能！

五軸機(jī)床的類型
這是通俗的說(shuō)法，并不是規(guī)范的說(shuō)法，一般說(shuō)來(lái)，五軸機(jī)床分兩種：一種是五軸聯(lián)動(dòng)，即五個(gè)軸都可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)，另外一種是五軸定位加工，實(shí)際上是五軸三聯(lián)動(dòng)：即兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)定位，只有3個(gè)軸可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)加工，這種俗稱3+2模式的五軸機(jī)床，也可以理解為假五軸。

目前五軸數(shù)控機(jī)床的形式
在5軸加工中心的機(jī)械設(shè)計(jì)上，機(jī)床制造商始終堅(jiān)持不懈地致力于開(kāi)發(fā)出新的運(yùn)動(dòng)模式，以滿足各種加工要求。綜合目前市場(chǎng)上各類五軸機(jī)床，雖然其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是主要有以下幾種形式：
五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)

1、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)直接控制刀具軸線的方向（雙擺頭形式）

五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)
2、兩個(gè)坐標(biāo)軸在刀具頂端，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型擺頭式）

3、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)直接控制空間的旋轉(zhuǎn)（雙轉(zhuǎn)臺(tái)形式）

五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)

4、兩個(gè)坐標(biāo)軸在工作臺(tái)上，但是旋轉(zhuǎn)軸不與直線軸垂直（俯垂型工作臺(tái)式）

五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)

5、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)一個(gè)作用在刀具上，一個(gè)作用在工件上（一擺一轉(zhuǎn)形式）

發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)的難點(diǎn)及阻力
行業(yè)人氏早已認(rèn)識(shí)到五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性和重要性。但到目前為止，五軸數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用仍然局限于少數(shù)資金雄厚的部門(mén)，并且仍然存在尚未解決的難題。

1、五軸數(shù)控編程抽象、操作困難

這是每一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問(wèn)題。三軸機(jī)床只有直線坐標(biāo)軸, 而五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC 代碼可以在不同的三軸數(shù)控機(jī)床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸機(jī)床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機(jī)床。數(shù)控編程除了直線運(yùn)動(dòng)之外, 還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗(yàn)、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算等，處理的信息量很大，數(shù)控編程極其抽象。

五軸數(shù)控加工的操作和編程技能密切相關(guān)，如果用戶為機(jī)床增添了特殊功能，則編程和操作會(huì)更復(fù)雜。只有反復(fù)實(shí)踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識(shí)和技能。經(jīng)驗(yàn)豐富的編程、操作人員的缺乏，是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大阻力。

國(guó)內(nèi)許多廠家從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)了五軸數(shù)控機(jī)床，由于技術(shù)培訓(xùn)和服務(wù)不到位，五軸數(shù)控機(jī)床固有功能很難實(shí)現(xiàn)，機(jī)床利用率很低，很多場(chǎng)合還不如采用三軸機(jī)床。

對(duì)NC插補(bǔ)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格。五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)是五個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的合成。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的加入，不但加重了插補(bǔ)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，而且旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會(huì)大幅度降低加工精度。因此，要求控制器有更高的運(yùn)算精度。

五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性要求伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)特性和較大的調(diào)速范圍。

2、五軸數(shù)控的NC程序校驗(yàn)尤為重要

要提高機(jī)械加工效率，迫切要求淘汰傳統(tǒng)的“試切法”校驗(yàn)方式。在五軸數(shù)控加工當(dāng)中，NC 程序的校驗(yàn)工作也變得十分重要，因?yàn)橥ǔ２捎梦遢S數(shù)控機(jī)床加工的工件價(jià)格十分昂貴，而且碰撞是五軸數(shù)控加工中的常見(jiàn)問(wèn)題：刀具切入工件；刀具以極高的速度碰撞到工件；刀具和機(jī)床、夾具及其他加工范圍內(nèi)的設(shè)備相碰撞；機(jī)床上的移動(dòng)件和固定件或工件相碰撞。五軸數(shù)控中，碰撞很難預(yù)測(cè)，校驗(yàn)程序必須對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)及控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。

如果CAM 系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤，可以立即對(duì)刀具軌跡進(jìn)行處理；但如果在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)NC 程序錯(cuò)誤，不能像在三軸數(shù)控中那樣直接對(duì)刀具軌跡進(jìn)行修改。在三軸機(jī)床上，機(jī)床操作者可以直接對(duì)刀具半徑等參數(shù)進(jìn)行修改。而在五軸加工中，情況就不那么簡(jiǎn)單了，因?yàn)榈毒叱叽绾臀恢玫淖兓瘜?duì)后續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡有直接影響。

3、刀具半徑補(bǔ)償

在五軸聯(lián)動(dòng)NC 程序中，刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能仍然有效，而刀具半徑補(bǔ)償卻失效了。以圓柱銑刀進(jìn)行接觸成形銑削時(shí)，需要對(duì)不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC 系統(tǒng)均無(wú)法完成刀具半徑補(bǔ)償，因?yàn)镮SO文件中沒(méi)有提供足夠的數(shù)據(jù)對(duì)刀具位置進(jìn)行重新計(jì)算。用戶在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)需要頻繁換刀或調(diào)整刀具的確切尺寸，按照正常的處理程序，刀具軌跡應(yīng)送回CAM 系統(tǒng)重新進(jìn)行計(jì)算。從而導(dǎo)致整個(gè)加工過(guò)程效率十分低下。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題, 挪威研究人員正在開(kāi)發(fā)一種臨時(shí)解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優(yōu)生產(chǎn)策略)。刀具軌跡修正所需數(shù)據(jù)由CNC 應(yīng)用程序輸送到CAM 系統(tǒng)，并將計(jì)算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件，能夠直接連接到CNC 機(jī)床，其間傳送的是CAM 系統(tǒng)文件而不是ISO 代碼。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識(shí)別通用格式的工件模型文件(如STEP 等)或CAD 系統(tǒng)文件。

4、后置處理器

五軸機(jī)床和三軸機(jī)床不同之處在于它還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，刀具位置從工件坐標(biāo)系向機(jī)床坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，中間要經(jīng)過(guò)幾次坐標(biāo)變換。利用市場(chǎng)上流行的后置處理器生成器，只需輸入機(jī)床的基本參數(shù)，就能夠產(chǎn)生三軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器。而針對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床，目前只有一些經(jīng)過(guò)改良的后置處理器。五軸數(shù)控機(jī)床的后置處理器還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，刀具的軌跡中不必考慮工件原點(diǎn)在機(jī)床工作臺(tái)的位置，后置處理器能夠自動(dòng)處理工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)，例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯(lián)動(dòng)的臥式銑床上加工時(shí), 工件在C 轉(zhuǎn)臺(tái)上位置尺寸以及B 、C 轉(zhuǎn)臺(tái)相互之間的位置尺寸，產(chǎn)生刀具軌跡時(shí)都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時(shí)要耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)處理這些位置關(guān)系。如果后置處理器能處理這些數(shù)據(jù)，工件的安裝和刀具軌跡的處理都會(huì)大大簡(jiǎn)化；只需將工件裝夾在工作臺(tái)上，測(cè)量工件坐標(biāo)系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入到后置處理器，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行后置處理即可得到適當(dāng)?shù)腘C 程序。

五軸機(jī)床加工葉輪

（環(huán)球五軸加工中心葉輪加工）

5、非線性誤差和奇異性問(wèn)題

由于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的引入，五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)比三軸機(jī)床要復(fù)雜得多。和旋轉(zhuǎn)有關(guān)的第一個(gè)問(wèn)題是非線性誤差。非線性誤差應(yīng)歸屬于編程誤差，可以通過(guò)縮小步距加以控制。在前置計(jì)算階段，編程者無(wú)法得知非線性誤差的大小，只有通過(guò)后置處理器生成機(jī)床程序后，非線性誤差才有可能計(jì)算出來(lái)。刀具軌跡線性化可以解決這個(gè)問(wèn)題。有些控制系統(tǒng)能夠在加工的同時(shí)對(duì)刀具軌跡進(jìn)行線性化處理，但通常是在后置處理器中進(jìn)行線性化處理。

旋轉(zhuǎn)軸引起的另一個(gè)問(wèn)題是奇異性。如果奇異點(diǎn)處在旋轉(zhuǎn)軸的極限位置處，則在奇異點(diǎn)附近若有很小振蕩都會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況相當(dāng)危險(xiǎn)。

6、對(duì)CAD/ CAM系統(tǒng)的要求

對(duì)五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統(tǒng)，并且必須要有經(jīng)驗(yàn)豐富的編程人員來(lái)對(duì)CAD/CAM 系統(tǒng)進(jìn)行操作。

7、購(gòu)置機(jī)床的大量投資
?
以前五軸機(jī)床和三軸機(jī)床之間的價(jià)格懸殊很大。現(xiàn)在，三軸機(jī)床附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機(jī)床的價(jià)格，這種機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)床的功能。同時(shí)，五軸機(jī)床的價(jià)格也僅僅比三軸機(jī)床的價(jià)格高出30%～ 50%。

除了機(jī)床本身的投資之外，還必須對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)軟件和后置處理器進(jìn)行升級(jí)，使之適應(yīng)五軸加工的要求；必須對(duì)校驗(yàn)程序進(jìn)行升級(jí)，使之能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)床進(jìn)行仿真處理。

五軸加工機(jī)床未來(lái)智能化趨勢(shì)

智能裝備的控制模式和人機(jī)界面將會(huì)有很大的變化，WiFi寬帶、藍(lán)牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機(jī)和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)控制方式會(huì)越來(lái)越普及。與時(shí)俱進(jìn)的觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化人機(jī)界面將逐步取代按鈕、開(kāi)關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤(pán)。現(xiàn)在，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費(fèi)產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機(jī)交互的內(nèi)容，同時(shí)明顯降低誤操作率。