五軸聯動數控機床（Five-axis linkage CNC machine tool）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；是指在計算機數控系統的控制下，至少有五個坐標軸（三個直線坐標和兩個旋轉坐標），并可同時協調運動進行加工的機床。五軸聯動數控機床可解決航空航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備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，同時對這些行業具有舉足輕重的戰略意義。
世界第一臺五軸聯動數控機床由美國辛辛那提公司于1959年生產而出。長期以來，以美國為首的西方工業發達國家將五軸聯動數控機床視為重要戰略物資，實行出口許可證制度，特別是在冷戰時期對中國、前蘇聯等社會主義陣營實行封鎖禁運。
五軸聯動數控機床包括立式、臥式和搖籃式二軸NC工作臺，NC工作臺+NC分度頭，NC工作臺90°B軸，NC工作臺45°B軸，NC工作臺A軸，二軸NC主軸等產品類型。根據兩個不同旋轉軸的組合形式進行劃分，主要有雙回轉工作臺式、轉臺加擺頭式和雙擺頭式三種形式。在結構上，五軸聯動數控機床有五個自由度，即有X、Y、Z三個方向的移動軸，以及繞Z軸和水平軸旋轉的兩個轉動軸；而在加工過程中，其控制工件與切削刀具運動的五個自由度還可以同時運動（即五軸聯動），并以此可以加工出任意曲面。五軸聯動數控機床的核心技術主要包括線性電機驅動技術和雙驅動技術，其中直線電機技術實現了無傳動鏈、無磨損、無反向間隙的高精度定位，而雙驅動技術通過雙光柵尺檢測平衡性，確保動態性能優異。
發展簡史
背景
數控機床是在普通機床的基礎上發展起來的，軍事工業需求是數控機床發展的原始動力，軍事工業的不斷發展促進數控機床升級。隨著市場競爭的加劇，民用工業對高精度、高效率、柔性化及批量生產的需要，使其對數控機床產業化的要求更加迫切。1952年，麻省理工學院和吉丁斯·路易斯公司聯合研制出世界上第一臺數控升降臺銑床，開創了數控機床產業發展的歷史。隨后，德國、日本等國于1956年分別研制出了本國的第一臺數控機床。
發展歷程
1959年，世界第一臺五軸聯動數控機床由美國辛辛那提公司生產出來。但由于數控、軟件和其他所需技術的相對緩慢的進展，直到20世紀90年代末，五軸聯動數控機床才開始大規模使用。
工作原理
數控機床的工作過程是由數字指令控制的：
在加工前要用規定的指令代碼按照零件圖編制出數控加工程序，通過操作面板或通信接口輸入到數控裝置中；數控裝置經譯碼、運算后生成相應的控制信號，包括位置信號、運動控制信號和邏輯控制信號。位置信號與運動控制指令如坐標軸的位置、速度控制指令等經伺服系統進行信號變換和功率放大后，驅動伺服電動機精確運動，帶動機床移動部件按照程序自動地進行加工。
由數控裝置所控制的內置式可編程序控制器（PLC）輸出的邏輯控制指令（主要是開關量信號），經功率放大后，按預先規定的邏輯順序直接驅動電磁閥、離合器、繼電器、主軸控制器等執行元件，控制主軸的起停、變速、換向，工件加緊或松開，刀架回轉、切削刀具選擇及更換，切削液的開關等輔助動作，實現數控機床的自動操作。此外，檢測裝置實時檢測坐標軸的實際位置和速度值，信號轉換后反饋給數控裝置或伺服系統，與指令值進行比較，并對誤差進行補償調節，使移動部件運行到正確的位置。比較特殊的是，五軸聯動數控機床在加工過程中，其控制工件與切削刀具運動的五個自由度還可以同時運動（即五軸聯動），并以此可以加工出任意曲面。
基本結構
所有數控機床的基本組成和工作原理是大致相同的，通常由控制介質、數控裝置、伺服系統、機床本體、檢測裝置等部結構組成。與常規的數控機床技術相比，五軸聯動數控機床除了X、Y、Z三個直線運動的坐標軸之外，同時至少設置了兩個旋轉坐標軸完成給進運動。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線軸+雙軸擺動銑頭聯動（X、Y、Z、A、B）、三個直線軸+雙軸回轉工作臺聯動（X、Y、Z、A、C）、三個直線軸+單軸擺動銑頭+單軸轉臺聯動（X、Y、Z、B、C）三種形式。
主要功能
加工中心
五軸聯動數控機床代表了數控機床的最高水平，五軸聯動加工中心的加工是高效率、高精度的，工件一次裝夾就可完成五面體的加工，同時無需特殊夾具，降低了夾具成本，避免了多次裝夾，提高了模具加工精度，并讓工件的裝夾變得更加容易。立式五軸加工中心的回轉軸有兩種方式，即工作臺回轉軸和立式主軸頭的回轉軸。
工作臺回轉軸
設置在床身上的工作臺可以環繞A軸旋轉，A軸工作角度范圍+30度至-120度。工作臺的中間還設有一個回轉臺，回轉臺可以圍繞B軸進行360度旋轉。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B軸最小分度值是0.001度，這樣又可以讓工件變換任意角度，從而加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和B軸再與其他三個直線軸，即C、D、E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。該種工作臺回轉軸優點是主軸結構簡單，主軸高剛性，制造成本比較低；其缺點是工作臺不能太大，因此負重小，當A軸回轉超過90度時，工件切削力矩會過大，不太安全。
立式主軸頭的回轉軸
在立體直角三維軸X軸、Y軸、Z軸結構中，主軸前端是一個回轉頭，能自行環繞Z軸360度旋轉，成為C軸，回轉頭上帶可環繞X軸旋轉的A軸，角度可達±90度以上。該裝置的優點是主軸加工靈活，工作臺很大，承重巨大，適合加工體積龐大的對象；此外，加工質量高于工作臺回轉軸的加工質量，因為在使用球面銑刀加工曲面時，當切削刀具中心線垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點切向速度為零，頂點切出的工件表面質量會很差，采用主軸回轉的設計，令主軸相對工件轉過一個角度，使球面銑刀避開頂點數控刀具，保證有一定的線速度，可提高表面加工質量。該裝置的缺點是，為了達到回轉的高精度，必須加裝分辨率極高的圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內，回轉結構比較復雜，制造成本也較高。
繞刀具中心點旋轉功能
五軸聯動數控機床的繞刀具中心點旋轉功能的英文是“Rotation Tool Center Point”，簡稱RTCP功能。該命名源自于意大利的Fidia公司，該功能還有一些其他稱呼，如TCPC（Tool Center Point Control，刀具中心點控制）、TCPM（Tool Center Point Management，刀具中心點管理）等。RTCP功能可確保五軸聯動機床在進行五軸聯動加工時，刀具繞著刀尖點旋轉后，機床的直線運動軸能得到補償，從而保證刀尖點處于目標位置。
主要分類
五軸聯動數控機床國際上已有的產品，包括立式、臥式、搖籃式二軸NC工作臺、NC工作臺+NC分度頭、NC工作臺+90°B軸、NC工作臺+45°B軸、NC工作臺+A軸、二軸NC+主軸等。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回轉工作臺式、轉臺加擺頭式和雙擺頭式三種形式。
雙轉臺結構型
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。
轉臺加擺頭結構型
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。此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。
雙擺頭結構型
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。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。
關鍵技術
五軸聯動數控機床的核心技術主要有線性電機驅動技術和雙驅動技術。
直線電機驅動技術
工作原理
直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的傳動裝置。直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通人交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。
為了克服傳統進給系統缺點，簡化機床結構，滿足高速精密加工的要求，研究出快速進給系統——直線電機。它取消了源動力和工作臺部件之間的一切中間傳動環節，使得機床進給傳動鏈的長度為零，這就是所謂的“直接驅動”或“零傳動”。
特點
直線電機驅動數控機床具有高速響應和高精度的優點。由于直線電機直接驅動工作臺，無須通過響應時間常數較大的機械傳動件如牙條等，加快整個閉環控制系統的動態響應。此外，消除機械傳動環節帶來的傳動間隙和誤差，可減少插補運動時因傳動系統滯后導致的跟蹤誤差。結合直線位置檢測反饋控制，可以大幅提高機床的定位精度。
直線驅動系統具有高動剛度的特點。避免在啟動、變速和換向過程中因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙引起的運動滯后現象，從而提高傳動剛度，確保機床的穩定性和精度。采用直線電動機使得機床的速度更快，加減速過程更短。由于取消了從電機到工作臺之間的機械傳動環節，進給傳動鏈的長度被縮減為零，縮短機床的加減速過程，提高生產效率。
世界上知名的機床廠家幾乎無一例外地都推出了線性電機驅動的機床產品，品種覆蓋了絕大多數機床類型。此外，在壓力機、坐標測量機、水切割機、等離子切割機、快速原型機及半導體設備的x/y軸工作臺上直線電機都有應用。
雙驅動技術
如果工作臺較寬，用中間驅動這種單驅動技術，驅動力難以保證處于中心位置，位置稍有偏移的中心力容易引起工作臺傾斜，既費力又損毀工作臺，平衡性不佳。改用雙驅動技術，以雙光柵尺來檢測兩端的平衡性，用雙驅動模塊來驅動，其合力可以等效于中心力嚴格處于中心位置，驅動安全、穩健、流暢。
特點
優點
缺點
應用領域
行業領域
五軸聯動數控機床系統作為代表機床制造業最高境界的技術，反映了一個國家的工業發展水平狀況，它是一個國家工業化的一面旗幟。由于高檔數控機床對國家工業化具有重要意義，其地位十分重要，因此它是各工業化國家努力攻占的領域。五軸聯動數控機床系統最能夠作為數控技術的代表，由于該種機床的高科技、高精密度，能對復雜曲面實施精密加工，加工精細，加工高效，因此廣泛應用于航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備的加工。
零件生產
五軸聯動數控機床還有許多其他的應用。該項技術的廣泛應用主要是因為它可以加工大量的材料。如：鈦、鉻鎳鐵合金、鋼（所有類型）、不銹鋼、鋁（所有類型）、黃銅、銅、木、泡沫、玻璃纖維、塑料等。
五軸聯動加工中心適合加工復雜、工序多、要求高，以及需要多種類型的普通機床和眾多切削刀具、夾具，且經多次裝夾和調整才能完成加工的零件。
箱體類零件
箱體類零件一般都需要進行多工位孔隙及平面加工，公差要求較高，特別是幾何公差要求較為嚴格，通常需要經過銑、鉆、擴、鏜、、攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大，需多次裝夾、找正，加工精度難以保證。加工箱體類零件時需要工作臺多次旋轉以加工水平方向四個面，用臥式加工中心合適。
復雜曲面
復雜曲面在機械制造業，特別是航空航天工業中占有重要的地位。復雜曲面采用普通機加工方法難以甚至無法完成。如各種葉輪、球面、曲面成形模具、螺旋槳、水下航行器的推進器及一些其他形狀的自由曲面，用五軸加工中心加工最為合適。用加工中心加工復雜曲面時，編程工作量較大，大多數要采用自動編程技術。
異形件
異形件是外形不規則的零件，大都需要點、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件有的加工部位的加工用普通機床難以完成。用加工中心加工時應采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，完成多道工序或全部工序。
工盤、套、板類零件
五軸聯動加工中心適合加工盤、套、板類零件，帶有鍵槽或徑向孔，或端面有分布孔系的零件，曲面的盤、套或軸類零件，如帶法蘭的軸套、帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔的板類零件，如各種電動機機蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的零件可選臥式加工中心。
特殊加工
特殊加工。熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工藝裝備和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案。在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對金屬表面進行線掃描表面淬火。給加工中心裝上高速磨頭，可實現小模數漸開線錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等。
發展現狀
隨著技術進步和社會對高檔數控機床要求的不斷提高，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、環保、智能化、復合化、高可靠性和綠色化的方向發展。
德國
德國西口技術（Syco Tec）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0~24000 r/min擴展到0~100000 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、無摩擦更換切削刀具，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M3ABC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
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，提升機床加工效率和加工精度。
美國
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
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VARIAXISi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，縮短加工時間，提升加工精度。
韓國
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15000 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
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24000 r/min，AC五軸擺動頭，主要應用于保險杠、車燈、內飾模具、塑膠模具等的高速五軸銑削加工。
中國
中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。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，中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。
其中華中數控研發出擁有自主知識產權的五軸數控系統；科德數控研發的KMC800SU五軸聯動立式加工中心產品入選“軍工領域國產高檔數控機床供應目錄”；2020年沈陽機床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；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軸雙擺角數控銑頭等。
發展趨勢
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。
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。
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。
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，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。
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。數控機床正朝著單元和系統柔性化的方向發展。
參考資料 >
Development and trends of 5-axis linkage CNC machine tools.capablemachining.2024-05-18
Five-axis CNC Machine: The Basic Guide.machineMFG.2024-05-18
What is 5-Axis CNC Machining and How Does it Work?.3erp.2024-05-18
五軸機床有很多種類型，你都知道嗎?.微信公眾平臺.2024-05-22