數控機床作為裝備制造業的“工業母機”，是促進國家工業強力發展及加快建設制造強國的重要戰略性裝備，代表機床制造業最高水平的五軸聯動數控機床系統，更是衡量一個國家復雜精密零件制造能力技術水平和國家生產設備自動化技術水平的重要標準。隨著工業的發展，五軸聯動數控機床被認為是航空航天、船舶、軍事、機密器械、高精醫療設備等領域加工制造關鍵部件最重要的高精密加工設備。作為難度大、應用廣，集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體的數控機床技術，五軸聯動數控機床與傳統三軸數控機床相比，有著無可替代的優點：
1)五軸聯動數控機床可以加工三軸數控機床無法加工的復雜形狀工件，加工過程可有效避免刀具干涉。例如，加工航空航天應用領域的葉輪、葉片和整體葉盤等零件時，五軸機床可以使用更短的刀具進行加工，提升系統剛性，減少刀具的數量，避免了專用刀具的產生。
2)相比于三軸數控機床，五軸聯動數控機床可以減少裝夾次數、基準轉換并減少夾具的使用數量，顯著提高加工效率和加工精度。
3)五軸聯動數控機床具有高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力，能夠很好地解決航空航天、汽車等領域新產品研發過程中復雜零件加工的精度和周期問題，從而大大縮短研發周期，提高新產品的成功率。目前，五軸聯動數控機床已成為各國高檔數控機床工業發展的熱點和重點。
一、五軸聯動數控機床的基本結構
目前的五軸聯動數控機床大多是“3+2”結構，即 X、Y、Z三個直線運動軸加上分別繞 X、Y、Z軸旋轉的 A、B、C 三個旋轉軸中的兩個組成。因此，從大方向分類，五軸聯動數控機床有X、Y、Z、A、B;X、Y、Z、A、C;X、Y、Z、B、C 三種形式。根據兩個不同旋轉軸的組合形式進行劃分，五軸聯動數控機床主要有雙轉臺式、轉臺加擺頭式和雙擺頭式三種形式。
雙轉臺結構的五軸聯動數控機床
該五軸聯動機床的轉臺結構為 A 軸 +C 軸的雙轉臺結構。設置在床身上的工作臺可以圍繞 X 軸回轉，定義為 A 軸，A 軸的工作范圍一般為 30°~120°。設置在工作臺中間的回轉臺可以繞Z 軸旋轉，定義為 C 軸，C 軸可進行 360° 回轉。因此，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用立式主軸進行加工。
轉臺加擺頭結構的五軸聯動數控機床
A 軸、B 軸或 C 軸都可以成為該機床的轉臺和擺頭，因此，轉臺加擺頭結構的五軸聯動機床可以實現不同的組合，以適應不同的加工對象。這種設置方式的優點是機床主軸可以實現靈活加工，并且通過將機床的工作臺變大，可以實現大型復雜工件的加工。
雙擺頭結構的五軸聯動數控機床
該結構的擺頭帶有松拉刀結構的電主軸，因此雙擺頭自身的尺寸不宜過小，一般在400 mm~500 mm，加上雙擺頭活動范圍的需要，雙擺頭結構的五軸聯動機床的加工范圍較大，一般為龍門式或動梁龍門式，龍門的寬度一般在2 000 mm~3 000 mm之間。目前較先進的雙擺頭式五軸聯動機床的擺頭結構一般采用“零傳動”技術的扭矩電動機，“零傳動”技術在旋轉軸中的應用是解決其傳動鏈剛性和精度問題的主要技術路線。
二、五軸聯動數控機床的國內外研究現狀
五軸聯動數控機床國外研究現狀
當前，五軸聯動數控機床的國外研究主要以歐美發達國家、日本為代表，這些國家代表了當今五軸聯動數控機床發展的最高水平。隨著技術進步和社會對高檔數控機床要求的不斷提高，國外著名五軸數控機床大型制造公司的數控技術正在向高速度、高精度、智能化、復合化、高可靠性和綠色化的方向發展。
德國西口技術(SycoTec)將 4015 DC-R-HSK63 高速精密電主軸應用到五軸數控機床加工中心，使得機床的加工范圍從原來的 0~24 000 r/min 擴展到 0~100 000 r/min 的五軸超高轉速精密加工，并且機床采用標準的 HSK-63 刀柄，實現了標準快速、無摩擦更換刀具，縮短了機床停止時間，提高了生產產量和效率，拓寬了機床的加工范圍。茲默曼(Zimmermann)公司設計的五軸聯動式數控機床配備 M3 ABC 配弧形導軌的高端三軸銑頭，B 坐標多出一個，即內含 A、B、C 三個不同回轉的坐標頭，該五軸聯動式數控機床具有剛性優良的特點，且結構相對緊湊，因內設 A、B、C 三個不同的坐標頭，增加了偏轉范圍，致使 C 軸的轉動過程不受限制，提高了五軸聯動數控機床加工作業期間的精度。
法國索瑪(SOMAB)公司制造的DIAM五軸加工中心復合化功能強大，一次裝夾，可實現車、銑、鏜、鉆、車銑、齒輪加工、曲軸加工、在線檢測等復合化工作，大大提升機床加工效率和加工精度。
美國赫克(Hurco)公司制造的偏擺主軸式 i 系列五軸加工中心，采用整體式電主軸，并配置高精度陶瓷軸承，加工工作臺可無角度限制地連續旋轉，減少節拍時間，可以最大限度地進行刀具進給，在復雜零件輪廓加工方面具有超強的性能。哈斯(Haas)制造的VF-6TR多功能五軸數控加工中心能夠提供完全同步的五軸運動，并可將工件定位到幾乎任何角度進行加工，提高了加工的靈活性。
日本安田工業株式會社(YASDA)出廠的 YASDA YBM Vi40超精密五軸數控機床采用一體化橋式結構的剛性機身，在模具制造領域實現了高精度加工及高表面品質。山崎馬扎克株式會社(Mazak)研制的多功能五軸聯動加工中心 VARIAXIS i 系列，一次裝夾就能完成大型、重型零部件的復雜彎曲表面加工，該系列設備應用了 Done-in-One 理念，能在一臺設備上完成從原料到終產品的所有加工。大大縮短加工時間，提升了加工精度。
韓國現代威亞(HYUNDAI WIA)展出的高速、高精度五軸立式加工中心 XF6300，具有高級模具產品和高精密加工特性，該機采用高性能內置式15 000 r/min 主軸，可以使傳遞給軸的震動最小化，通過配合高精密多樣化主軸，可實現微米級高精密加工。
意大利菲迪亞(FIDIA)推出了五軸高速銑削立式加工中心，高速主軸可達24 000 r/min，AC五軸擺動頭，主要應用于汽車保險杠、車燈、內飾模具、塑膠模具等的高速五軸銑削加工。
五軸聯動數控機床國內研究現狀
雖然近些年我國數控技術發展較快，在一些先進領域取得了長足的進步，但由于我國工業基礎相對薄弱、數控機床產業化時間短等原因，在技術上和產業上與發達國家相比還存在一定差距，尤其是高端五軸聯動數控機床，相比于國際先進水平差距更大。具體體現在五軸數控機床高檔數控系統、關鍵功能部件還不能自主研發，與國外先進的五軸聯動數控機床相比，在可靠性、效率、精度保持性和智能化方面差異較大。但是在國家政策的大力支持和企業、高校的共同努力下，尤其是在《中國制造 2025》制造強國戰略將高端數控機床和基礎制造裝備行業列為中國制造業的戰略必爭領域之一后，我國高檔數控機床的研發迎來重大發展機遇，五軸聯動數控機床實現了由研發試制向定型量產的快速轉型，技術方面有了很大的進步，逐漸形成了我國自己的成熟數控機床產品。
武漢華中數控股份有限公司經過攻關，已掌握了五軸聯動的許多關鍵技術，研制了擁有自主知識產權的五軸數控系統。其中，華中數控開發的8型五軸數控系統裝置軟硬件體系結構采用的是開放式、全數字、總線式數控系統體系結構，在總線拓撲結構方面，采用環形或線形結構，連接具有標準總線接口的伺服驅動、I/O單元或數據采集模塊，使得五軸系統與不同的轉臺數控機床靈活地組合在一起，大大提高了加工效率。目前，華中8型五軸數控系統已應用在 AC擺頭五軸龍門加工中心、BC擺頭五軸立式加工中心、動梁龍門式五軸加工中心等五軸高檔數控機床。
科德數控股份有限公司高度重視技術研發，堅持核心、自主、可控的發展戰略，承擔國家重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”研發，其研發的 KMC800SU 五軸聯動立式加工中心產品更是入選 “軍工領域國產高檔數控機床供應目錄”。該機床床身使用礦物鑄石材料澆鑄，有著極佳的抑振性和抗熱變形能力，采用主軸移動模式，具備高達 48 m/min、0.7 g的性能指標，相比于傳統機型，具有更高的材料去除率、更小的干涉、更強的切削剛度、更高的速度和精度。此外，科德數控最新研制的雙五軸立式加工中心DMC50，采用先進的模塊化設計理念，在銑削、鉆孔、攻絲等功能的基礎上，還可集成車削模塊、超聲加工模塊、磨削模塊等復合化功能。一次裝夾即可完成多工序、多任務加工，保證精密零件的較高加工精度和加工效率。機床可搭配機械手加料倉實現單機自動化，同時，因機床結構緊湊，寬度尺寸小，有利于多機組線，能夠有效節省占地空間。該機床特別適合航空航天、刀具工具、精密模具、醫療器械、新能源汽車與半導體等行業的零件高效、高精度加工。
沈陽機床作為中國老牌機床制造骨干企業，擁有著豐富的機床制造經驗和雄厚的研發實力，早在 2010 年，沈陽機床就展出了用于鈦合金航空結構件加工的VMC25100u型立式五軸聯動加工中心和銑頭可自動交換的 GMC1230u 高速龍門五軸加工中心，打破了國外對該機床相似產品的壟斷，是當時我國五軸聯動數控機床產業的一項重大突破。沈陽機床充分發揮自身優勢，于 2020 年研制的國內首臺高鐵行業專用的高速五軸加工中心成功上線，該機床針對高鐵行業典型零件加工需求，攻克了大型機床的整機輕量化技術、超長行程床身精度保障技術、X 軸超高速快速移動技術、整機高精度加工技術、變形補償加工技術等關鍵技術，大大提升了我國高端數控機床自主創新能力。
濟南二機床展出了自主研發的 XHSV2525A×40 高架式五軸聯動高速鏜銑加工中心，加工中心核心功能部件應用了 JIER 自主知識產權的 AC 軸雙擺角數控銑頭，具有高精度、高效率和高可靠性特點，能夠滿足國內航空航天領域大型薄壁類結構件、汽車模具行業大型復雜曲面等不同加工工藝的高難度需求。
北京機床研究所在第十七屆中國國際機床展覽會上展出了μ1000/5ST-400V精密立式五軸加工中心，可對多種加工材料進行加工，一次裝夾即可完成銑、鏜、鉸、攻絲和輪廓的粗、精加工并可實現五面加工，具有高效率、高精度、高可靠性，適用于國家重點領域復雜精密結構件的加工及精密零件的高效加工。
上海交通大學和上海電機學院合作研發了大型龍門式五軸聯動加工中心，其中，五軸聯動數控系統和擺動軸關鍵部件實現了自主研發，該加工中心主要用于船用螺旋槳復雜曲面精密加工的五軸聯動高效路徑規劃及其工藝優化，實現了大型五軸聯動數控裝備在螺旋槳加工等領域的應用。上海交通大學還與拓璞數控等單位合作，首次研制出了航空航天大型曲面蒙皮 / 箱底的雙五軸鏡像銑削技術與裝備，實現了高端工業母機在高精度、大范圍和多坐標等關鍵指標方面的提升，帶動了大型高精度機床、雙五軸聯動同步、加工過程質量閉環等共性技術的突破，解決了飛機和火箭超大超薄柔性曲面的精密加工難題，可應用于我國航空航天重點企業，支撐起我國大飛機及運載火箭等型號的研制與批產。
清華大學(機械系)-科德數控技術聯合研發中心共同負責的“航天復雜構件國產五軸高效精密加工成套工藝與制造系統”項目，針對航天復雜構件的高效精密加工開展了五軸加工中心標定技術、在線測量技術的研究，提高了國產機床的精度保持性;針對傳統數控加工“連續 - 離散 - 連續”造成的信息丟失，進行了CAM 刀具路徑規劃、NURBS 曲線直接插補、五軸聯動全局時間最優速度控制技術研究，提高了加工精度和效率。
南京航空航天大學、電子科技大學等多所高校在國家科技重大專項等項目支持下，持續十余年合作攻關，研發了五軸聯動數控機床 S 形試件檢測方法，突破了基于S形試件的五軸數控機床精度優化和復雜曲面零件加工工藝優化技術，保障了國家重點型號飛機的批產，推進了國產五軸聯動數控機床的自主可控發展，實現了我國在機床精度檢測領域“零”國際標準的突破。
三、五軸聯動數控機床的發展趨勢與未來展望
發展趨勢
從上述國內外五軸聯動數控機床的研究現狀可以明顯看出，如今五軸聯動數控機床的發展趨勢為：
1)高速化。隨著機床技術的持續發展，五軸聯動高速數控機床內部高速化進給機構、高速化電主軸等均有所突破，使得數控機床的主軸轉速和進給量的范圍變大。其中，直線型電機驅動主軸實際轉速現已達到100 000 r/min，而進給運作部件的快速移動實際速度已達到120 m/min，機床系統切削進給速度已達到60 m/min，有效地減少了零件的加工時間和輔助時間，提高了生產效率。
2)精密化。五軸聯動數控機床的加工精度非常高，隨著電腦輔助制造(CAM)系統的發展，精密度已達到微米級。在加工高精度零件時，可以保證零件的尺寸精度和形狀精度，避免了加工誤差。
3)復合化。五軸聯動數控機床是為適應多面體和曲面零件加工而出現的，隨著機床復合化技術的發展，出現了五軸車銑復合加工中心、鏜銑鉆復合加工中心、銑鏜鉆車復合加工中心等，可以同時進行多個加工操作，大大提升了加工效率。比如，在加工復雜零件時，可以同時進行銑削、鉆孔、攻絲等操作，從而縮短零件加工周期。
4)智能化。隨著人工智能、大數據、物聯網等技術的發展，數控機床已快速向智能化方向發展，目前，數控機床加工過程已實現加工參數的智能優化與選擇、加工過程的自適應控制、加工過程智能故障自診斷與自修復、加工過程智能故障回放和故障仿真、智能化交流伺服驅動裝置等。
5)柔性化。五軸聯動數控機床對復雜曲面等加工對象的變化有很強的適應能力，被加工工件經過一次裝夾就可以實現多個曲面和多個角度的加工，避免了普通數控機床加工多次變換工種、工序間的轉件以及劃線等情況。目前，數控機床正朝著單元和系統柔性化的方向發展。
未來展望
綜上，五軸聯動數控機床目前已朝著高速化、高精度化、復合化、智能化、柔性化的方向快速發展。國外在五軸聯動數控機床的設計制造方面已比較成熟，而我國由于工業基礎相對薄弱、數控機床產業化時間短、基礎共性技術短板突出、高端創新人才短缺等原因，在五軸聯動數控機床技術和產業上與西方發達國家相比還存在一定差距。因此，國產高端數控機床要想盡快縮小與國際高端數控機床間的差距，解決困擾我國高端數控機床產業技術發展的工程難題，建議做到以下幾點：
1)大力構建高端數控機床產業以企業為主體的產學研用協同創新體系，加快我國高端數控機床關鍵核心技術攻關，為強鏈補鏈提供技術支撐，不斷提升我國五軸聯動高端數控機床產業鏈自主可控能力。
2)國家研發部門要大大提高對高端數控機床裝備制造領域基礎共性技術研究的重視和投入，建設五軸聯動高端數控機床國家重點實驗室，完善共性技術創新體系。
3)大力培養我國的高端數控技術人才，以《中國制造 2025》的發布為契機，聚焦國家制造強國戰略需求，動態調整優化高等教育學科設置，加強工程教育、科學教育，加強高端數控技術拔尖創新人才自主培養，為我國進一步加快攻克高端數控機床關鍵核心技術提供人才保障。
參考文獻略.