幾十年來，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)雜曲面的惟一手段。一旦人們在設(shè)計、制造復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題，就會求助五軸加工技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，國外航空工業(yè)生產(chǎn)中就開始采用五軸數(shù)控銑床。目前五軸數(shù)控機床的應(yīng)用仍然局限于航空、航天及其相關(guān)工業(yè)。

五軸聯(lián)動數(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)，它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化水平的標(biāo)志。由于其特殊的地位，特別是對于航空、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)國家一 直把五軸數(shù)控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實行出口許可證制度，對我國實行禁運。因而，研究五軸數(shù)控加工技術(shù)對國家科技力量和綜合國力的提高有重要意義。

符合數(shù)控機床發(fā)展的新方向

近幾年國際、國內(nèi)機床展表明，數(shù)控機床正朝著高速度、高精度、復(fù)合化的方向發(fā)展。復(fù)合化的目標(biāo)是在一臺機床上利用一次裝夾完成大部分或全部切削加工，以保證工件的位置精度，提高加工效率。國外數(shù)控鏜銑床、加工中心為適應(yīng)多面體和曲面零件加工，均采用多軸加工技術(shù)，包括五軸聯(lián)動功能。在加工中心上擴展五軸聯(lián)動功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系統(tǒng)的進一步集成化。最近國際機床業(yè)出現(xiàn)了一個新概念，即萬能加工，數(shù)控機床既能車削又能進行五軸銑削加工。五軸數(shù)控機床在國內(nèi)外的實際應(yīng)用表明，其加工效率相當(dāng)于兩臺三軸機床，甚至可以完全省去某些大型自動化生產(chǎn)流水線的投資，大大節(jié)約了占地空間和工件在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運輸?shù)臅r間和花費。

發(fā)展和推廣的難點及阻力何在

顯然，人們早已認(rèn)識到五軸數(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，并且仍然存在尚未解決的難題。五軸數(shù)控技術(shù)為何久久未能得以廣泛普及？五軸數(shù)控加工由于干涉和刀具在加工空間的位姿控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機床復(fù)雜得多。目前，五軸數(shù)控技術(shù)在全球范圍 內(nèi)普遍存在以下問題。

五軸數(shù)控編程抽象、操作困難

這是每一個傳統(tǒng)數(shù)控編程人員都深感頭疼的問題。三軸機床只有直線坐標(biāo)軸，而五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)形式多樣；同一段NC代碼可以在不同的三軸數(shù)控機床上獲得同樣的加工效果，但某一種五軸機床的NC代碼卻不能適用于所有類型的五軸機床。數(shù)控編程除了直線運動之外，還要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動的相關(guān)計算，如旋轉(zhuǎn)角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉(zhuǎn)運動計算等，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)，如果用戶為機床增添了特殊功能，則編程和操作會更復(fù)雜。只有反復(fù)實踐，編程及操作人員才能掌握必備的知識和技能。經(jīng)驗豐富的編程、操作人員的缺乏，是五軸數(shù)控技術(shù)普及的一大阻力。

刀具半徑補償困難

在五軸聯(lián)動NC程序中，刀具長度補償功能仍然有效，而刀具半徑補償卻失效了。以圓柱銑刀進行接觸成形銑削時，需要對不同直徑的刀具編制不同的程序。目前流行的CNC系統(tǒng)均無法完成刀具半徑補償，因為ISO文件中沒有提供足夠的數(shù)據(jù)對刀具位置進行重新計算。用戶在進行數(shù)控加工時需要頻繁換刀或調(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)重新進行計算。從而導(dǎo)致整個加工過程效率十分低下。

對這個問題的最終解決方案，有賴于引入新一代CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系統(tǒng)文件。

購置機床需大量投資

以前五軸機床和三軸機床之間的價格懸殊很大?，F(xiàn)在，三軸機床附加一個旋轉(zhuǎn)軸基本上就是普通三軸機床的價格，這種機床可以實現(xiàn)多軸機床的功能。同時，五軸機床的價格也僅僅比三軸機床的價格高出30%～50%。

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

國內(nèi)五軸數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與市場分析

五軸聯(lián)動數(shù)控機床，是電力、船舶、航空航天、高精密儀器等民用工業(yè)和軍事工業(yè)等部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。西方發(fā)達(dá)國家長期對我國實行禁運。

從1999年開始，在CIMT、CCMT等國際、國內(nèi)機床展覽會上，首先是國內(nèi)的五軸數(shù)控機床產(chǎn)品紛紛亮相，國內(nèi)五軸數(shù)控機床的市場逐漸打開，隨后國際機床巨頭紛至沓來，五軸數(shù)控機床的品種和數(shù)量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分別推出3臺國產(chǎn)五軸聯(lián)動機床；CIMT2001國際機床展覽會上，北京第一機床廠和桂林機床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速10000r/min的五軸高速龍門加工中心，北京市機電院的主軸轉(zhuǎn)速15 000r/min 的五軸高速立式加工中心；清華大學(xué)與昆明機床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63，采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)六自由度聯(lián)動；大連機床廠自行研制的串并聯(lián)機床 DCB—510，其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā)，該機床通過并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)X、Y、Z軸直線運動，由串聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動，其直線快速進給速度可達(dá)80m/min。這些機床均已達(dá)到國際先進水平，體現(xiàn)出我國機床工業(yè)為國防尖端工業(yè)發(fā)展提供裝備的實力又有突破性提高。中國機床工業(yè)的發(fā)展，利用自己研制的高、精、尖產(chǎn)品參與國際競爭，打破了國際技術(shù)壟斷，國際機床巨頭們不愿失去中國這個大有潛力可挖的市場，于是蜂擁而來，把他們的產(chǎn)品“送上門來”：國外展團共展出五軸加工中心8臺、五軸車銑加工中心1臺、五軸數(shù)控刀具磨床5臺。

我國數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門中的應(yīng)用整體水平仍然偏低，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距很大。為了實現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)，各部門迫切需要進一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，亟須配置大量的各類工藝設(shè)備，尤其是數(shù)控機床設(shè)備。對于數(shù)控機床設(shè)備的主要技術(shù)要求是多軸、高速、剛性好、功率大；對坐標(biāo)數(shù)的需求，以三至五軸聯(lián)動為主。對于關(guān)鍵零件形狀復(fù)雜的行業(yè)，如航空、電力、船舶、模具制造業(yè)等，其生產(chǎn)部門對多軸機床要求比例較大，新增五軸數(shù)控機床大約占數(shù)控機床總數(shù)的70%～80%。