五轴联动数控机床的结构和应用
五轴机床的用途
五轴机床的用途
五轴机床是一种高端数控加工设备，它允许五个轴同时协调运动，实现对复杂三维形状零件的高精度、多角度加工。
用途包括但不限于：
1. 加工复杂曲面：如航空发动机叶片、船舶螺旋桨、精密医疗器械部件等，这些零件具有复杂的空间曲面特征，常规机床难以胜任。
2. 提高加工效率：一次装夹即可完成多面体加工，减少了多次装夹造成的定位误差和辅助时间。
3. 提升精度：五轴联动补偿了工件和刀具姿态变化，能够精确加工出高精度零件，满足航空航天、军事装备、科研领域的严苛要求。
4. 自动化加工：配备高级数控系统后，可自动检测和补偿刀具磨损，实现智能化、无人化生产。
五轴联动数控机床的战略价值及应用
五轴联动数控机床的战略价值及应用其战略价值主要表现在以下几个方面：1.提高生产效率：五轴联动数控机床可以在一次夹持下完成多角度、多面的加工，减少工件的换夹次数，大大缩短了加工周期。
传统机床需要多次操作和大量的人工干预，而五轴联动数控机床通过自动化操作，可以提高生产效率，降低生产成本。
2.提高加工精度：五轴联动数控机床在加工过程中，工件保持不动，主轴和刀具进行多轴的运动，减少了机床和工件之间的运动误差。
同时，通过五个旋转轴的联动，可以在更小的间隙内进行切削，提高了加工的精度。
这对于高精度零件的制造来说，具有重要的意义。
3.拓宽加工范围：五轴联动数控机床可以加工具有复杂曲面的零件，无论是外形、内孔还是斜面，都可以灵活加工。
它具有多角度、多轴向的运动特性，可以在一个工序中一次性完成复杂零件的加工，避免了多次换夹和重复操作的问题。
4.提高产品质量：五轴联动数控机床在加工过程中，通过切削角度和刀具的合理选择，可以实现更好的切削条件。
这不仅可以提高切削效率，还可以减少工件的变形和表面质量的提高，从而提高产品质量。
在航空航天行业，五轴联动数控机床可以用于加工飞机发动机叶片、涡轮盘等复杂曲面件。
它可以通过多轴的运动精确地加工出高度复杂的曲面，提高了发动机的效率和可靠性。
在汽车制造行业，五轴联动数控机床可以用于制造汽车零部件。
汽车的车身、发动机等部件往往具有复杂的曲面和高精度的要求，五轴联动数控机床可以提供高效且精确的加工解决方案。
在模具制造行业，五轴联动数控机床可以用于加工模具的特殊曲面，如汽车灯具模具、手机外壳模具等。
它可以通过多轴的运动实现复杂形状的加工，提高模具的加工效率和精度。
在医疗器械行业，五轴联动数控机床可以用于加工人工关节、植入物等器械。
它可以通过自动化的加工过程，提高零件的加工精度和质量，从而提高医疗器械的效果和安全性。
总的来说，五轴联动数控机床具有重要的战略价值和广泛的应用前景。
随着制造业的发展和精密加工需求的增加，五轴联动数控机床将在各个领域中发挥越来越重要的作用。
专题六__五轴联动轨迹运动控制2
2008-12-28
专题七 五轴联动轨迹运动控制
一、五轴联动数控加工概述 二、五轴联动的坐标变换 三、五轴联动的插补 四、五轴联动的速度平滑 五、五轴联动的刀具补偿
2008-12-28
二、五轴联动的坐标变换及线性插补
1、五轴联动加工路径的非线性化误差
• 对给定的刀位数据源文件进行处理，生成针对指定机床的NC代码。对刀位数据源文件 中描述的刀轨，按照指定的线性化误差，生成相应的G代码。
X，Y，Z
x，y，z，i，j，k
五轴联动轨迹运动控制
2008-12-28
二、五轴联动的坐标变换及线性插补
2、五轴联动机床结构与加工路径的关系
• 两个旋转轴的坐标比较容易理解，也就是使得刀具平行于给定的刀轴方向i，j，k， 两个旋转轴相应的坐标。
• 三个平动轴的坐标，由于两个旋转轴的存在，变得比较复杂。假设机床的三个平动 轴X、Y、Z分别产生平移运动△X、△Y、△Z ，而两个旋转轴没有运动，那么刀具参考 点也会产生同样的位移△X、△Y、△Z ，但是，如果两个旋转轴分别转过角度△B、△C ，那么，刀具参考点所产生的运动就不再是△X、△Y、△Z ，而是要综合考虑三个平动 轴的平移运动和两个旋转轴的旋转运动△B、△C 。
2008-12-28
一、五轴联动数控加工概述
1、五轴联动加工
五轴联动加工的一般流程
CAM CAD模型
刀位数据文件 （刀具参考点位 置x，y，z；刀 轴方向I，J，
K）
后处理
经过线性化处理 后的NC代码
五轴联动轨迹运动控制
2008-12-28
一、五轴联动数控加工概述
1、五轴联动加工
五轴联动加工的一般流程
专题六 五轴联动轨迹运动控制
五轴联动数控机床简单介绍
混联结构机床
五轴联动机床的应用
1、加工复杂空间曲面的产品零件
2、大型复杂结构件的高效率加工
3、复杂多面体带孔结构件的高生产率加工
4、在模具制造业，取代电火花（EMD）加工的常用方法。
电极加工和模具加工之后的补充加工，其工作量要占到模具生产周期的30%~65%。采 用高速5轴数控机床加工，可快速实现模具加工，不需制造电极与大量的补充加工，有 效缩短补充加工生产周期，明显降低生产成本。
数控机床中的坐标系
横式：
+X +Z
立式：
机床结构类型
传统(串连)结构
五个运动全在刀具侧
A11
五个运动全在工件侧
A12
五个运动分配在刀具和工件侧 A13（A，B，C）
并联结构
并联机床结构
串、并(混)联结构 混联结构
A11型
X
Z
C
A
Y
返回
A12型
C B
X Z
Y
返回
Hale Waihona Puke 13型A13型也是传统结构的机床，但五个坐标运动分别配置在刀具一 侧和工件一侧来完成。
谢谢观看！
我国在数控机床领域面临的挑战
1、加大研发资金投入力度，加大加强基础理论研究，为设备研究做 好理论准备。
2、研究外国先进设备技术，深研其中的核心知识。在仿照的基础上 进行创新。
3、研究国内外五轴联动技术的发展方向，做到先人一步开展研发。 4、了解国内外各个用户群体的需要，开发出适合不同用户需要的设 备。
主要内容
•五轴联动的基本意义 •坐标系的定义 •机床结构类型 •五轴联动数控机床的应用 •五轴联动数控机床的发展前景 •我国在数控机床领域面临的挑战 •小结
五轴数控机床全介绍
五轴数控机床之主轴倾斜型
五轴数控机床之主轴倾斜型
五轴数控机床之工作台/主轴倾斜型
❖ 一个旋转轴在主轴头的刀具侧,另一个在工作台侧.这类机床的旋转轴 结构布置有最大的灵活性,可以是在A.B.C轴中任意两个组合.
❖ 大部分工作台/主轴倾斜型的旋转轴配置形式是B轴与工作台绕C轴组 合.这种结构设置方式简单、灵活,同时具备主轴倾斜型与工作台倾斜 型机床的部分有点.这类机床的主轴可以旋转为水平状态和垂直状态, 工作台只需分度定位,即可简单的配置为立、卧转换的三轴加工中心, 将主轴进行立、卧转换再配合工作台分度,对工件实现五面体加工,制 造成本低,且非常实用.
❖ 加工中心综合加工能力强,工件一次装夹后能完成较多的加工内容 ,加工精度较高,就中等加工难度的批量零件,其效率是普通机床的 5至10倍,特别是它能完成许多普通机床不能完成的加工对形状复 杂,精度要求高的单价或小批量多品种生产中更为适用.
五轴数控机床之概论
❖ 在现代制造业中,精密机械加工日趋普遍.实现精密加工的高档数控机 床、模具处于制造业产业链的最前端,而模具产品质量的高低在很大 程度上又受制于数控设备.在激烈的市场竞争中,制造业要求更短的生 产周期、更高的加工质量以及更快的产品改型加工适应能力和更低 的制造技术.要满足这些条件,越来越多的制造企业采用了高端的数控 加工机床—四轴加工机床和五轴加工机床.
五轴数控加工之应用
❖ 盘套板类零件 ❖ 带有键槽,或径向孔,或端面有Βιβλιοθήκη 布的孔系,曲面的盘套或轴类零件,如
带法兰的轴套,带键槽或方头的轴类零件等,还有具有较多孔加工的板 类零件,如各种电机盖等.端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立 式加工中心,有径向孔的可选卧式加工中心.
五轴数控加工之应用
什么是五轴机床
什么是五轴机床随着国内数控技术的日渐成熟，近年来五轴联动数控加工中心在各领域得到了越来越广泛的应用。
在实际应用中，每当人们碰见异形复杂零件高效、高质量加工难题时，五轴联动技术无疑是解决这类问题的重要手段。
近几年随着我国航空航天、军事工业、汽车零部件和模具制造行业的蓬勃发展，越来越多的厂家倾向于寻找五轴设备来满足高效率、高质量的加工。
但是，你真的足够了解五轴加工吗？五轴加工想要真正的了解五轴加工，首先我们要做的是要读懂什么是五轴机床。
五轴机床（5 Axis Machining），顾名思义，是指在X、Y、Z，三根常见的直线轴上加上两根旋转轴。
A、B、C三轴中的两个旋转轴具有不同的运动方式，以满足各类产品的技术需求。
而在5轴加工中心的机械设计上，机床制造商始终坚持不懈地致力于开发出新的运动模式，以满足各种要求。
综合目前市场上各类五轴机床，虽然其机械结构形式多种多样，但是主要有以下几种形式：两个转动坐标直接控制刀具轴线的方向（双摆头形式）两个坐标轴在刀具顶端，但是旋转轴不与直线轴垂直（俯垂型摆头式）两个转动坐标直接控制空间的旋转（双转台形式）两个坐标轴在工作台上，但是旋转轴不与直线轴垂直（俯垂型工作台式）两个转动坐标一个作用在刀具上，一个作用在工件上（一摆一转形式）术语：如果旋转轴不与直线轴相垂直，则被认为是一根“俯垂型”轴。
看过这些结构的五轴机床，我相信我们应该明白了五轴机床什么在运动，怎样运动。
可是，这么多样化的机床结构，在加工时究竟能展现出哪些特点呢？与传统的三轴机床相比，又有哪些优势呢？接下来就让我们来看看五轴机床有哪些发光点。
5轴机床的特点说起五轴机床的特点，就要和传统的三轴设备来比较。
生产中三轴加工设备比较常见，有立式、卧式及龙门等几种形式。
常见的加工方法有立铣刀端刃加工、侧刃加工。
球头刀的仿形加工等等。
但无论哪种形式和方法都有着一个共同的特点，就是在加工过程中刀轴方向始终保持不变，机床只能通过X、Y、Z三个线性轴的插补来实现刀具在空间直角坐标系中的运动。
五轴联动数控机床简单介绍
五轴联动数控机床简单介绍一、五轴联动数控机床的原理机床通过数控系统控制伺服驱动器，使得各个轴线能够按照事先预设的工艺路径进行移动。
在工件加工过程中，通过控制五个轴线的协调配合，可以实现多轴联动运动，从而在三维空间内实现复杂曲面的加工。
二、五轴联动数控机床的结构1.机床主体：是五轴联动数控机床的主要支撑部分，具有刚性和稳定性。
主体结构通常采用铸铁箱式或焊接结构，通过优化的设计和加工工艺提高机床的刚度和稳定性。
2.工作台：是机床上固定工件或夹具的部分，一般具有多个坐标轴，用于实现工件在空间中的旋转、倾斜、平移等运动。
3.主轴：是五轴联动数控机床的核心部件，用于驱动刀具进行切削加工。
主轴通常采用高速电主轴或驱动刀具进行加工。
4.五轴联动系统：包括五个坐标轴（X、Y、Z、A、C），通过传动装置和伺服驱动器实现控制信号的传递和运动的实现。
5.数控系统：是五轴联动数控机床的大脑，通过输入和加工程序，控制伺服驱动器实现机床各个轴线的协调运动。
三、五轴联动数控机床的应用1.航空航天领域：五轴联动数控机床可以加工复杂的航空零件，如飞机发动机叶片、机身结构件等。
由于零件薄壁、复杂曲面多、加工难度大，五轴联动机床的高精度和灵活性可以满足航空航天领域的制造要求。
2.汽车制造领域：五轴联动数控机床可以加工各种汽车零部件，如汽缸、曲轴、齿轮等。
汽车零部件一般要求具有较高的精度和强度，同时对于一些复杂构型的零部件，五轴联动机床的加工能力更加优越。
3.模具制造领域：五轴联动数控机床可以用于制造复杂的模具，如注塑模具、压铸模具等。
模具制造对加工精度要求高，加工稳定性要求好，五轴联动机床可以提高加工效率和准确度。
四、五轴联动数控机床的优势与传统数控机床相比，五轴联动数控机床具有以下优势：1.提高加工效率：五轴联动数控机床可以实现多轴同时加工，通过一次装夹就可以完成复杂曲面零件的加工，大大提高加工效率。
2.提高加工精度：五轴联动机床具有更高的刚度和稳定性，在高速运动和复杂曲面加工时能够保持较好的精度和表面质量。
五轴数控机床的组成及特点
五轴数控机床的组成及特点五轴数控机床的组成及特点引言：五轴数控机床（Five-axis computer numerically controlled machine tool）是一种高精度、高性能的机床，其具备了在多个方向上进行精细加工的能力。
它集机械、电子、自动化技术于一体，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具加工等领域。
本文将深入探讨五轴数控机床的组成和特点，并针对不同方面进行分析。
一、五轴数控机床的组成1. 主轴与工作台：五轴数控机床的主轴负责旋转刀具，而工作台则用于固定被加工的工件。
主轴和工作台之间的配合关系是五轴加工的基础。
2. 五轴联动系统：该系统由五个坐标轴组成，分别是X、Y、Z轴和A、C轴。
X、Y、Z轴负责线性运动，而A、C轴则负责主轴的转动。
3. 数控系统：数控系统是五轴数控机床的核心控制部分，负责控制五轴实现复杂的加工运动。
它能够根据预先输入的程序指令自动控制机床运行，实现高精度的加工。
4. 刀库和自动换刀系统：五轴数控机床通常配备有多样的刀具，刀库可以存放不同类型和尺寸的刀具。
自动换刀系统能够根据加工需求自动更换刀具，提高生产效率。
5. 冷却系统：在加工过程中，五轴数控机床需要保持工作温度的稳定，以确保加工质量。
冷却系统能够通过喷水或喷油的方式冷却刀具及工件，有效地控制加工温度。
6. 监控系统：五轴数控机床通常配备有监控系统，用于实时监测和检测机床的工作状态和加工过程。
通过监控系统，操作者可以及时了解机床的运行情况，并进行必要的调整和干预。
二、五轴数控机床的特点1. 复杂加工能力：五轴数控机床能够实现在多个方向上同时进行精细加工，具备了对复杂曲面进行高精度加工的能力。
相比于其他数控机床，它可以大大提高加工效率和加工质量。
2. 灵活性和高效性：五轴数控机床具备较强的灵活性，可以适应多样的加工需求。
通过合理设置机床参数和调整加工路径，可快速完成不同形状和尺寸的工件加工，提高生产效率。
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五轴联动数控机床的结构和应用
作者：庞钧文
来源：《中国科技博览》2017年第30期
[摘要]主要分析了五轴联动加工工艺的应用特征，分别从工作台和主轴头之间，把五轴联动数控机分为回转符合工作台型+摆动、回转复合主轴头型+白龙、工作台回转复合型+主轴头摆动，而后对各类机床的应用特征进行了相应分析和阐述，对其优缺点进行了介绍，最后对五轴联动数控机床在航空航天工业、模具制造业和汽车制造业中的应用进行详尽的探析，以下为详述。
[关键词]五轴联动数控机床应用
中图分类号：R124 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0361-02
五轴联动数控机床可谓是数控机床制造技术中的代表，也是数控技术应用难度最大、应用范围最为广泛的技术手段，国际上已经将五轴联动数控机床加工技术作为国家工业发展水平的代表，它集合了精密加工技术、计算机控制和高性能伺服驱动为一体，主要应用于复杂曲面、高效、精密和自动化的加工过程之中，特别是航空航天、高精密仪器、船舶以及模具等，这些生产环节都会应用到五轴联动数控机床加工技术，特别是军工部门和民用工业部门都会涉及到这些关键的加工设备类型。
五轴联动数控加工技术应用的过程中，一般都会通过增设机床回转轴、工件或是刀具等，对位姿角的加工进行实时调整，这些工具的应用，可以更为便捷的实施加工手段，防止出现工件或是刀具干涉的情况，仅需要通过一次性装夹来实现基面外全部面的清洗工作，完成最终的加工任务，此外，在对斜面进行加工时，可以借助工件或是刀具的摆动情况，使刀具可以更好的接近需加工的表面位置，对刀具的伸长度进行良好的控制，间接的可以提高刀具的使用寿命，不仅如此，还能利用直线轴的实际运动轨迹，对内凹表面实现精密的加工，这些都更适用于复杂且多面的零件类型，例如，舰艇、航空发动机以及汽轮机等，五轴联动数控技术的应用和三轴联动加工技术的应用相比较，五轴联动数控技术的位姿更为灵活，应用平刀线接触成形可以促使加工之后的表面更为光滑，体现出的连续性更强，实用性强，落实效率更高。
一、五轴联动数控机床的结构类型分析
五轴联动数控机床之中不仅涵盖着X/Y和Z三个直线运动坐标系，同时还存在着两个旋转坐标轴，实现旋转进给运动，工作台和主轴头之前，还存在这多轴联动机制，实现连续性的进给运动，最终完成曲面加工工作任务。
五轴联动数控机床可以按照工作台和主轴头二者的配合运动形式，将其分为回转复合工作台型+摆动、回转复合工作台型+摆动、工作台回转混合+主轴头摆动，其主要结构型式可以分为以下几点。
（一）对于回转符合工作台型+摆动的运作方式分析
回转复合工作台型+摆动的五轴联动数控机床运作形式，一般可以分为两个旋转坐标轴，而后可将其作用到工件之中，通过床身的AB轴摆动，此后沿着C轴完成回转动作，这些都需要工作台的作用实现。
可以在原有的三种数控加工机床的运作基础上，此后配备数控摆动回转工作台发展而成[1]。
工作台型一般可以分为左右双支承，其实际刚性较大，如果台面转向后侧时，它可控的运动空间就相对较小，所以，它的一般摆角较小时，它的实际摆角范围则较大，同时易于观察，更加适用于小型零件的加工，工作台应当按照（ABC）轴组合运作的形式，完成工作运转，不仅可以促使工作台中的安装底面之外的其余五个面都应当借助主轴完成技加工，同时可以加工成倾斜孔或是倾斜面等，ABC轴组合运动的形式完成工作任务，其中安装台上的底面和其余五个面都由主轴加工，ABC轴可以和XYZ三个直线轴完成联动，而后加工出繁杂的空间曲面，比如，大型的叶轮的曲面等[2]。
这种型式的机床一般是受三轴数控机床的运作基础上，配备回转工作台和数控摆动构建而成，主轴的结构通常都较为简洁，其实际刚性较佳，所涉及的工艺范围也较广，应用较为简洁，此时的工作台的设计环节，要确定其实际承载度，这一工艺措施是中小型五轴加工机床应用率最高的结构类型。
（二）回转复合主轴头型+摆动的运作方式分析
回转复合主轴头型五轴联动数控机床+摆动的运作形式，可谓是转动坐标轴的过程，同时这些都会作用到刀具之上，并都由刀具一侧的复合主轴头来完成，对其构成要素进行分析，可知，复合主轴头是由可回转的主轴头和回转头所构成，其中可回转的主轴头可以围绕着Z轴实现360°的旋转，而回转头则可围绕着XY轴实现回转，这一机床类型还可分为诸多的系列，比如：HPM/Mikron等等。
复合主轴头型联动数控机床之上可以应用球头铣刀完成复杂曲面的加工，还可以应用主轴对工件进行弯转，转过一个角度之后，可以令球头铣刀对零线速度顶点进行切削和规避，这样可以更好的满足精度曲面加工的实际需求，符合加工质量的需要。
此类型的加工机床可以制作为多头式主结构，也就是刀具安装的主轴头可以分为多个，此时，可以参照不同类型和型号等参数，实现交换和择选，此后，还可以基于加工需求，择选最为适宜的转矩和转速。
这样的主轴加工方式较为灵活，但是，复合主轴头部件的设计和制造的过程中，对于工艺水平的需求极高，实施难度较大，如若仅仅保持工件或是工作台的固定性，那么，此时的五个坐标轴的运动，即：X/Y/Z/A/B等，都由复合主轴头来实现，工作台的设计都较大，都可以应用加工工具，完成大型复杂曲面的安装，重型壳体件等都需要应用这一工艺措施，比如，大型发动机壳体、飞机龙骨以及翼梁等，此工艺措施的应用也体现出了一定的缺陷，运动部件质量较大，同时惯性也较大，这一工艺措施不可应用于过高的进给速度或是加速度的环节，所以，这种结构和型式一般会应用到重型机床亦或是大型机床中应用，例如，济南机床集团所开发的XKV2745型龙门移动式大型五轴联动数控铣床，就是典型代表[3]。
（三）工作台回转混合型+主轴头摆动的运作方式分析
工作台回转型五轴联动数控机床+主轴头摆动的运作形式，第二个转动坐标轴分别由刀具一侧主轴头摆动和工件一侧的工作台回转完成，应用主轴头摆动作为回转轴，加之工作台其中的一个回转轴完成五轴联动的加工目的，主轴头可以通过摆动实现刀具的摆动，或可应用牢固加紧的措施，使其定位在摆动的范围内。
工作台的运转过程中，需要承受较多的重量，同时也可以应用标准交换工作台，现阶段的五轴联动数控数控机床所广泛应用。
二、对于五轴联动数控机床在模具制造业中的应用方式分析
五轴联动数控机床，适合应用到复杂型腔曲面零件的制作中，模具制造生产领域都会广泛的应用。
模具零件的形状通常都较为繁杂，同时对表面加工质量和加工精度的要求极高，例如，矿泉水塑料模具、汽车后视镜模具以及轮胎模具等，都会应用到这一工程手段，这一过程中会对模具加工水平提出了更高的要求，此时可以应用五轴联动数控加工方式，复杂模具的零件进行加工，仅需一次，就可以完成安装面之外的全部加工任务，这样可以极大的提高模具的加工效率，缩减模具的交货期，提高五轴联动数控机床的性价比，和三轴加工水平相比，它所应用的刀具较短，提升其应用稳定性，保证其加工的精准度。
结束语
综上所述，自从进入到二十一世纪以来，科学技术发展水平就在不断进步，各类科学技术手段都开始融入到人们的生产生活中，极大的便捷了人们的生活，同时也提高了生产水平，五轴联动数控机床的技术水平，一定程度的体现了整个国家的工业发展水准，笔者对此技术的应用进行了相应的分析，而后对其应用方式提出了相应的思考，希望给相关的五轴联动数控技术人员以一定的借鉴和启迪。
参考文献
[1] 杜玉湘，陆启建，刘明灯等.五轴联动数控机床的结构和应用[J].机械制造与自动化，2013，37（3）：14-16，20.
[2] 徐晓风，高永祥.基于UG的五轴联动数控加工技术在吹塑模具的应用[J].机械设计与制造，2013，68（3）：237-239，243.
[3] 彭志军，刘大炜，宋智勇等.一种五轴联动机床动态精度检测及优化方法[J].制造技术与机床，2013，48（8）：35-39.
作者简介
庞钧文，出生日期：1986年9月；职称：助理工程师，职务：数控实验员，主要研究方向：数控技术应用领域。