五軸加工(5 Axis Machining)，顧名思義，數(shù)控機床加工的一種模式。采用X、Y、Z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動，五軸加工所采用的機床通常稱為五軸機床或五軸加工中心。可是你真的了解五軸加工嗎？
五軸技術(shù)的發(fā)展
幾十年來，人們普遍認為五軸數(shù)控加工技術(shù)是加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面的唯一手段。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)。但是。。
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)備自動化技術(shù)水平的標志。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。
與三軸聯(lián)動的數(shù)控加工相比，從工藝和編程的角度來看，對復(fù)雜曲面采用五軸數(shù)控加工有以下優(yōu)點：
（1）提高加工質(zhì)量和效率
（2）擴大工藝范圍
（3）滿足復(fù)合化發(fā)展新方向
說到五軸，不得不說一說真假五軸？真假5軸的區(qū)別主要在于是否有RTCP功能，為此，小編專門去查找了這個詞！
RTCP，解釋一下，F(xiàn)idia的RTCP是“Rotational Tool Center Point”的縮寫，字面意思是“旋轉(zhuǎn)刀具中心”，業(yè)內(nèi)往往會稍加轉(zhuǎn)義為“圍繞刀具中心轉(zhuǎn)”，也有一些人直譯為“旋轉(zhuǎn)刀具中心編程”，其實這只是RTCP的結(jié)果。PA的RTCP則是“Real-time Tool Center Point rotation”前幾個單詞的縮寫。海德漢則將類似的所謂升級技術(shù)稱為TCPM，即“Tool Centre Point Management”的縮寫，刀具中心點管理。還有的廠家則稱類似技術(shù)為TCPC，即“Tool Center Point Control”的縮寫，刀具中心點控制。
從Fidia的RTCP的字面含義看，假設(shè)以手動方式定點執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將維持不變，此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉(zhuǎn)，對于球頭刀而言，刀具中心點就是數(shù)控代碼的目標軌跡點。為了達到讓刀柄在執(zhí)行RTCP功能時能夠單純地圍繞目標軌跡點（即刀具中心點）旋轉(zhuǎn)的目的，就必須實時補償由于刀柄轉(zhuǎn)動所造成的刀具中心點各直線坐標的偏移，這樣才能夠在保持刀具中心點以及刀具和工件表面實際接觸點不變的情況，改變刀柄與刀具和工件表面實際接觸點處的法線之間的夾角，起到發(fā)揮球頭刀的最佳切削效率，并有效避讓干涉等作用。因而RTCP似乎更多的是站在刀具中心點（即數(shù)控代碼的目標軌跡點）上，處理旋轉(zhuǎn)坐標的變化。
不具備RTCP的五軸機床和數(shù)控系統(tǒng)必須依靠CAM編程和后處理，事先規(guī)劃好刀路，同樣一個零件，機床換了，或者刀具換了，就必須重新進行CAM編程和后處理，因而只能被稱作假五軸，國內(nèi)很多五軸數(shù)控機床和系統(tǒng)都屬于這類假五軸。當(dāng)然了，人家硬撐著把自己稱作是五軸聯(lián)動也無可厚非，但此（假）五軸并非彼（真）五軸！
小編因此也咨詢了行業(yè)的專家，簡而言之，真五軸即五軸五聯(lián)動，假五軸有可能是五軸三聯(lián)動，另外兩軸只起到定位功能！
這是通俗的說法，并不是規(guī)范的說法，一般說來，五軸機床分兩種：一種是五軸聯(lián)動，即五個軸都可以同時聯(lián)動，另外一種是五軸定位加工，實際上是五軸三聯(lián)動：即兩個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)定位，只有3個軸可以同時聯(lián)動加工，這種俗稱3+2模式的五軸機床，也可以理解為假五軸。
目前五軸數(shù)控機床的形式
在5軸加工中心的機械設(shè)計上，機床制造商始終堅持不懈地致力于開發(fā)出新的運動模式，以滿足各種要求。綜合目前市場上各類五軸機床，雖然其機械結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但是主要有以下幾種形式：
看過這些結(jié)構(gòu)的五軸機床，相信我們應(yīng)該明白了五軸機床什么在運動，怎樣運動。
發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)的難點及阻力
大家早已認識到五軸數(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。
下面小編收集了一些難點和阻力，看是否跟您的情況對應(yīng)？
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。
國內(nèi)許多廠家從國外購買了五軸數(shù)控機床，由于技術(shù)培訓(xùn)和服務(wù)不到位，五軸數(shù)控機床固有功能很難實現(xiàn)，機床利用率很低，很多場合還不如采用三軸機床。
對NC插補控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求十分嚴格
五軸機床的運動是五個坐標軸運動的合成。旋轉(zhuǎn)坐標的加入，不但加重了插補運算的負擔(dān)，而且旋轉(zhuǎn)坐標的微小誤差就會大幅度降低加工精度。因此，要求控制器有更高的運算精度。
五軸機床的運動特性要求伺服驅(qū)動系統(tǒng)有很好的動態(tài)特性和較大的調(diào)速范圍。
五軸數(shù)控的NC程序校驗尤為重要
要提高機械加工效率，迫切要求淘汰傳統(tǒng)的“試切法”校驗方式 。在五軸數(shù)控加工當(dāng)中，NC 程序的校驗工作也變得十分重要， 因為通常采用五軸數(shù)控機床加工的工件價格十分昂貴，而且碰撞是五軸數(shù)控加工中的常見問題：刀具切入工件；刀具以極高的速度碰撞到工件；刀具和機床、夾具及其他加工范圍內(nèi)的設(shè)備相碰撞；機床上的移動件和固定件或工件相碰撞。五軸數(shù)控中，碰撞很難預(yù)測，校驗程序必須對機床運動學(xué)及控制系統(tǒng)進行綜合分析。
如果CAM 系統(tǒng)檢測到錯誤，可以立即對刀具軌跡進行處理；但如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)NC 程序錯誤，不能像在三軸數(shù)控中那樣直接對刀具軌跡進行修改。在三軸機床上，機床操作者可以直接對刀具半徑等參數(shù)進行修改。而在五軸加工中，情況就不那么簡單了，因為刀具尺寸和位置的變化對后續(xù)旋轉(zhuǎn)運動軌跡有直接影響。
刀具半徑補償
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。
針對這個問題, 挪威研究人員正在開發(fā)一種臨時解決方案, 叫做LCOPS(Low Cost Optimized ProductionStrategy , 低耗最優(yōu)生產(chǎn)策略)。刀具軌跡修正所需數(shù)據(jù)由CNC 應(yīng)用程序輸送到CAM 系統(tǒng)，并將計算所得刀具軌跡直接送往控制器。LCOPS 需要第三方提供CAM 軟件，能夠直接連接到CNC 機床，其間傳送的是CAM 系統(tǒng)文件而不是ISO 代碼。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。
后置處理器
五軸機床和三軸機床不同之處在于它還有兩個旋轉(zhuǎn)坐標，刀具位置從工件坐標系向機床坐標系轉(zhuǎn)換，中間要經(jīng)過幾次坐標變換。利用市場上流行的后置處理器生成器，只需輸入機床的基本參數(shù)，就能夠產(chǎn)生三軸數(shù)控機床的后置處理器。而針對五軸數(shù)控機床，目前只有一些經(jīng)過改良的后置處理器。五軸數(shù)控機床的后置處理器還有待進一步開發(fā)。
三軸聯(lián)動時，刀具的軌跡中不必考慮工件原點在機床工作臺的位置，后置處理器能夠自動處理工件坐標系和機床坐標系的關(guān)系。對于五軸聯(lián)動，例如在X、Y、Z、B、C 五軸聯(lián)動的臥式銑床上加工時, 工件在C 轉(zhuǎn)臺上位置尺寸以及B 、C 轉(zhuǎn)臺相互之間的位置尺寸，產(chǎn)生刀具軌跡時都必須加以考慮。工人通常在裝夾工件時要耗費大量時間來處理這些位置關(guān)系。如果后置處理器能處理這些數(shù)據(jù)，工件的安裝和刀具軌跡的處理都會大大簡化；只需將工件裝夾在工作臺上，測量工件坐標系的位置和方向，將這些數(shù)據(jù)輸入到后置處理器，對刀具軌跡進行后置處理即可得到適當(dāng)?shù)腘C 程序。
非線性誤差和奇異性問題
由于旋轉(zhuǎn)坐標的引入，五軸數(shù)控機床的運動學(xué)比三軸機床要復(fù)雜得多。和旋轉(zhuǎn)有關(guān)的第一個問題是非線性誤差。非線性誤差應(yīng)歸屬于編程誤差，可以通過縮小步距加以控制。在前置計算階段，編程者無法得知非線性誤差的大小，只有通過后置處理器生成機床程序后，非線性誤差才有可能計算出來。刀具軌跡線性化可以解決這個問題。有些控制系統(tǒng)能夠在加工的同時對刀具軌跡進行線性化處理，但通常是在后置處理器中進行線性化處理。
旋轉(zhuǎn)軸引起的另一個問題是奇異性。如果奇異點處在旋轉(zhuǎn)軸的極限位置處，則在奇異點附近若有很小振蕩都會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況相當(dāng)危險。
對CAD/ CAM系統(tǒng)的要求
對五面體加工的操作, 用戶必須借助于成熟的CAD/CAM 系統(tǒng)，并且必須要有經(jīng)驗豐富的編程人員來對CAD/CAM 系統(tǒng)進行操作。
購置機床的大量投資
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。
五軸加工機床未來智能化趨勢
智能裝備的控制模式和人機界面將會有很大的變化，WiFi寬帶、藍牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動控制方式會越來越普及。與時俱進的觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開關(guān)、鼠標和鍵盤。人們，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機交互的內(nèi)容，同時明顯降低誤操作率。例如，對數(shù)控機床的操作可以通過筆記本、平板電腦和智能手機在WiFi環(huán)境下進行，如圖所示。
從圖中可見，不僅人機的交互方式從控制面板延伸到移動終端，設(shè)備和工具之間也可以進行物與物的通信。機床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài)，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預(yù)調(diào)儀上進行調(diào)整時的數(shù)據(jù)，還可以記錄刀具在機床進行了多長的切削時間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個零件等都可以讓操作者和有關(guān)部門了如指掌，減少停機和更換刀具的時間。智能刀具及其管理的概念如上圖所示。
在不同的加工情況下，往往需要設(shè)備具有不同的性能，可以根據(jù)設(shè)備工況的統(tǒng)計分析，可從設(shè)備供應(yīng)商或第三方APP應(yīng)用軟件商店購買和下載不同的軟件，以提高設(shè)備精度、加工速度或節(jié)能等，如圖所示。
智能工廠的數(shù)控機床和機器人等智能裝備的未來發(fā)展重點已經(jīng)不在硬件，感知外部環(huán)境和工況變化需要更加強大的計算能力、通信帶寬和速度，才能進行實時控制，形成真正的信息物理融合系統(tǒng)。它的特點是將設(shè)備的控制分為計算和過程兩部分，把運動控制保留在本地，而將計算移到云端，在云端“克隆”相應(yīng)的虛擬設(shè)備，在云端進行虛擬制造，如圖所示。
從圖中可見，需要計算能力的數(shù)控核心、可編程控制、圖形人機界面和通信等模塊構(gòu)成設(shè)備群的云端控制系統(tǒng)，通過中間件控制虛擬機床1、虛擬機床2、虛擬機床n，同時通過以太網(wǎng)接口下傳至車間的路由器，連接不同機床的控制器，控制相應(yīng)機床的運動，從而將虛擬機床與實體機床構(gòu)成一對一的仿真和監(jiān)控系統(tǒng)。
(文章出自公眾號“工業(yè)制造”）