1.2 五軸聯動機床結構簡介

五軸聯動數控機床是一種科技含量高、精密度高、專門用于加工復雜曲面的機床，這種機床系統對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等行業有著舉足輕重的影響力。目前，五軸聯動數控機床系統是解決葉輪、葉片、螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。

一般來說，三軸機床只有三個正交的運動軸（通常定義為X、Y、Z軸），只能實現三個方向直線移動的自由度。因此，沿加工刀軸方向的結構都能加工出來，但側面結構特征無法加工。三軸機床因設計多套夾具，進行多次安裝、定位、夾緊，將整體加工進行分解，加工周期延長，質量大大降低。

然而，五軸聯動機床可以在一臺機床上至少有五個坐標軸（X、Y、Z三個直線坐標軸和A/C或者B/C兩個旋轉軸），而且可在計算機數控系統控制下同時協調運動進行加工。即五軸聯動機床有五個伺服軸（不包括主軸）可以同時進行插補（五個坐標軸可以同一時間、同時移動對一個零件進行加工）。

五軸聯動機床的使用，讓工件的裝夾變得容易。加工時無需特殊夾具，降低了夾具的成本，避免了多次裝夾，提高了模具加工精度。采用五軸技術加工模具可以減少夾具的使用數量。另外，由于五軸聯動機床可在加工中省去許多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五軸聯動機床在加工中，根據零件造型特點，增加了刀具的有效切削刃長度，減小了切削力，提高了刀具使用壽命，降低了成本。采用五軸聯動機床加工模具可以很快地完成模具加工，交貨快，更好地保證了模具的加工質量，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改也變得容易。

相對于一般數控機床，多軸機床主要有以下幾個加工特點：

1）可以加工更為復雜的工件。

2）可一次裝夾完成多面、多方位加工，有效提高加工效率和精度。

3）通過改變刀具或工件姿態，有效避免刀具干涉問題，提高切削效率和工件表面質量。

4）可以簡化刀具和夾具形狀，降低加工成本。

五軸數控機床有多種不同的結構形式，主要分為以下三大類：

1）工作臺上有兩個旋轉軸（搖籃式五軸）。

2）主軸上有兩個旋轉軸（雙擺頭式五軸）。

3）工作臺上有一個旋轉軸、主軸上有一個旋轉軸（單擺頭、單旋轉式五軸）。

1.2.1 搖籃式五軸

搖籃式五軸即工作臺上有兩個旋轉軸，如圖1-5和圖1-6所示。設置在床身上的工作臺可以環繞X軸回轉，定義為A軸（如可以環繞Y軸回轉，則定義為B軸），A軸一般工作范圍為-100°～+100°。工作臺的中間還設有一個回轉臺，其在如圖1-5所示的位置環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸可以±360°回轉（A軸、B軸、C軸可以根據每個生產廠家的結構來定義正負方向）。通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001°，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實現聯動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟件的支持。

圖1-5 搖籃式五軸機床機構示意圖

圖1-6 搖籃式五軸機床機構模型

這種設置方式的優點是主軸的結構比較簡單，主軸剛度非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計得太大，承重也較小，特別是當A軸回轉≥90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

1.2.2 雙擺頭式五軸

雙擺頭式五軸即主軸上有兩個旋轉軸，如圖1-7和圖1-8所示。主軸前端是一個回轉頭，能環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸可以±360°回轉。回轉頭上還帶有可環繞X軸旋轉的A軸（環繞Y軸旋轉定義為B軸），一般可達±110°，實現上述同樣的功能。這種結構的優點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計得非常大，飛機龐大的機身、巨大的發動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種結構還有一大優點，在使用球面銑刀加工曲面時，當刀具中心線垂直于加工面時，由于球面銑刀頂點處的線速度為零，頂點處切出的工件表面質量會很差，而采用主軸回轉的結構，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點處切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量。

圖1-7 雙擺頭式五軸機床機構示意圖

圖1-8 雙擺頭式五軸機床機構模型

這種結構非常適合加工模具的高精度曲面，而這是工作臺回轉式加工中心難以做到的。為了達到回轉的高精度，高檔的回轉軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內，但這類主軸的回轉結構比較復雜，制造成本也較高。

1.2.3 單擺頭、單旋轉式五軸

單擺頭、單旋轉式五軸即工作臺上有一個旋轉軸、主軸上有一個旋轉軸，兩個旋轉軸分別在主軸和工作臺上，如圖1-9和圖1-10所示。這類機床的旋轉軸結構布置有最大的靈活性，在A/B/C軸中可以任意兩個組合。環繞Z軸回轉，定義為C軸，C軸可以±360°回轉；環繞X軸旋轉的A軸（或環繞Y軸旋轉的B軸），一般可達±110°。

圖1-9 單擺頭、單旋轉式五軸機床機構示意圖

圖1-10 單擺頭、單旋轉式五軸機床機構模型

這種結構簡單、靈活，同時具備主軸旋轉型與工作臺旋轉型機床的部分優點。這類機床的主軸可以旋轉為水平狀態和垂直狀態，工作臺只需分度定位，即可簡單地配置為立、臥轉換的三軸加工中心，將主軸進行立、臥轉換，再配合工作臺分度，對工件實現五面體加工，制造成本低，且非常實用。