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)雜曲面的惟一手段。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)。早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外航空工業(yè)生產(chǎn)中就開(kāi)始采用五軸數(shù)控銑床。目前五軸數(shù)控機(jī)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(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，對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。因而，研究五軸數(shù)控加工技術(shù)對(duì)國(guó)家科技力量和綜合國(guó)力的提高有重要意義。

符合數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新方向

近幾年國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)床展表明，數(shù)控機(jī)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(tái)機(jī)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(guó)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(dòng)功能。在加工中心上擴(kuò)展五軸聯(lián)動(dòng)功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步集成化。最近國(guó)際機(jī)床業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)新概念，即萬(wàn)能加工，數(shù)控機(jī)床既能車(chē)削又能進(jìn)行五軸銑削加工。五軸數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用表明，其加工效率相當(dāng)于兩臺(tái)三軸機(jī)床，甚至可以完全省去某些大型自動(dòng)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(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和花費(fèi)。

發(fā)展和推廣的難點(diǎn)及阻力何在

顯然，人們?cè)缫颜J(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。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(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)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(wèn)題。

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(lèi)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。

刀具半徑補(bǔ)償困難

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。

對(duì)這個(gè)問(wèn)題的最終解決方案，有賴(lài)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。

購(gòu)置機(jī)床需大量投資

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。

國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與市場(chǎng)分析

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(mén)迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。西方發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。

從1999年開(kāi)始，在CIMT、CCMT等國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上，首先是國(guó)內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相，國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)逐漸打開(kāi)，隨后國(guó)際機(jī)床巨頭紛至沓來(lái)，五軸數(shù)控機(jī)床的品種和數(shù)量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分別推出3臺(tái)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床；CIMT2001國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)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(mén)加工中心，北京市機(jī)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(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63，采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)六自由度聯(lián)動(dòng)；大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床 DCB—510，其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開(kāi)發(fā)，該機(jī)床通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸直線運(yùn)動(dòng)，由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80m/min。這些機(jī)床均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，體現(xiàn)出我國(guó)機(jī)床工業(yè)為國(guó)防尖端工業(yè)發(fā)展提供裝備的實(shí)力又有突破性提高。中國(guó)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，利用自己研制的高、精、尖產(chǎn)品參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，打破了國(guó)際技術(shù)壟斷，國(guó)際機(jī)床巨頭們不愿失去中國(guó)這個(gè)大有潛力可挖的市場(chǎng)，于是蜂擁而來(lái)，把他們的產(chǎn)品“送上門(mén)來(lái)”：國(guó)外展團(tuán)共展出五軸加工中心8臺(tái)、五軸車(chē)銑加工中心1臺(tái)、五軸數(shù)控刀具磨床5臺(tái)。

我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其設(shè)備在各工業(yè)部門(mén)中的應(yīng)用整體水平仍然偏低，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大。為了實(shí)現(xiàn)“十五”規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)，各部門(mén)迫切需要進(jìn)一步大力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，亟須配置大量的各類(lèi)工藝設(shè)備，尤其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備。對(duì)于數(shù)控機(jī)床設(shè)備的主要技術(shù)要求是多軸、高速、剛性好、功率大；對(duì)坐標(biāo)數(shù)的需求，以三至五軸聯(lián)動(dòng)為主。對(duì)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(mén)對(duì)多軸機(jī)床要求比例較大，新增五軸數(shù)控機(jī)床大約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的70%～80%。