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数控机床在数字化控制下实现工件与刀具间任意轨迹的相对运动，从而实现各种型面的加工。在实际应用中，由于零件复杂程度越来越高，许多零件加工需求能够在一次装卡下尽可能多地完成尽可能多的表面加工，甚至完成复杂凹曲面和异形腔体的加工，于是诞生了五轴机床，即在传统三坐标基础上加入回转坐标，以完成特殊工件和刀具间姿态调整的要求。
五轴机床实现了工件和刀具间便利的姿态调整，除了可以避免干涉，还可以充分实现刀具更好的切削条件，包括规避刀尖点极低的实际切削线速度，还可以使用更短的刀具进行加工，提升系统刚性，减少刀具的数量，减少专用刀具的应用。
由于五轴机床的控制和制造技术的复杂性，此类设备率先用于军工制造领域，包括航空发动机、飞机结构件、舰船引擎，乃至于五轴机床作为国家战略物资被严格监管和限制，由此还演绎出的“事件”。
依据笛卡尔坐标XYZABC的排列组合，以及回转坐标与直线坐标谁位于谁之上，主轴和工件工作台谁占用回转坐标，五轴机床布局完整的排列组合据说有2 160种之多，即使排除绝大多数天马行空的设计，常见的也有数十种。常见的五轴类型概括起来分为三大类：①工件工作台不参与回坐标，以龙门加摆角铣头为典型代表。②工件工作台位于一个回转坐标，以单摆铣头的五轴卧加和五轴铣车中心外代表。③工件工作台位于组合双回转坐标，以各类型“摇篮”机床为代表。三种常用的五轴结构如图1所示。
三种常用的五轴结构
1.C轴：旋转限位装置 2.带液压制动的力矩电动机 3.增量或编码器
4.高精度转台轴承 5.A轴：带液压制动的力矩电动机 6.编码器
7.主轴单元（刀柄HSK A63） 8.回转工作台 9.摆头
10.横向滑台 11. 立柱
有当用户面对这些各种类型昂贵的五轴加工设备时，常常因繁多的技术炫技造成选择上的困惑。什么结构的五轴数控机床？这其实是很难回答的问题，因为不同结构的机床都有其适用的工艺能力和加工范围。如何选择适合零件加工的五轴机床呢？笔者总结出科德数控股份有限公司五轴数控系统研发和五轴数控机床研发中的一点体会，供读者参考。
1. 运动组件轻量化
运动组建轻量化趋势是当今高速切削理论和实践成功对机床设计的重要影响趋势，也符合绿色节能的社会发展趋势。高速切削率先在航空制造业中有色金属加工中广泛应用，近年来随着刀具材料及涂层技术的进步以及液氮冷却切削等新切削技术的实践，开始推广到黑色金属、钛合金及难加工材料的切削加工领域。运动组件轻量化的技术原则同样适用于五轴机床，以谋求更高的加工速度、加速度带来的效能，高动态特性带来的更高的轮廓精度，以及更低的能耗。上述设计理念甚至被大型龙门机床制造厂商接受，这也是轻量化的天车式五轴龙门机床被市场认可的主要原因。
五轴机床结构选型中也应考虑零件及工装的重量及运动部件合理分配。对于小型零件、轻量化零件，或者重载型主轴传动应该考虑工件直接回转和移动的选型；而对于重型零件，大型零件应该考虑主轴参与回转和移动的选型。正确的部署运动部件的质量分配是能机床的基因，是实现能加工决定性因素。
需要提醒的是机床工作台的稳定性判断是需要结合零件夹具一起考虑的。以双轴摇篮为例，大多数情况下摇篮C轴的质心在A轴轴线之下，对于A轴属于偏载状态；而装载工件后，反而起到配重的作用，使质心更接近A轴，整体更趋于稳定。
2. 回转中心应当尽可能接近切削区域
这一点是五轴机床设计者煞费苦心地设计的关键。因为回转带来的附加直线运动不仅占用空间和行程，影响加工效率，而且刀尖点距离回转中心越远，回转坐标在同等切削力下付出的转矩就越大。
以双轴摇篮结构为例，主要加工区域集中在双回转轴中心，在轻量化复杂零件加工中效能优势明显，而且占地面积还更加紧凑。
摇篮结构加工区域更集中在回转中心附近
在叶片加工中，许多厂商采用经典的“弯脖”设计，将主轴提升，使刀尖点尽量接近回转中心。
科德KTurbomill3000叶片专用五轴加工中心的“弯脖”设计
在摆角铣头中，45°的摆角头设计也很受青睐，也是因为刀尖点距离回转坐标中心更近。尽管此设计不能实现负角度加工，也不善于内表面加工。
科德的45°双摆角铣头实现刀尖点接近回转中心
传动复杂而价格昂贵的AB摆在航空结构件加工中仍然比AC摆受到欢迎，很重要的原因也是因为AB摆的切削点距离回转中心更近，更易于实现高材料去除效率，尽管扇形传动精度和弧形导轨的导向精度和刚度难于与闭合的整圆比较。
AB摆角铣头的刀尖点接近回转中心
回转工作台半径超过一定的尺度，理想的加工方案中，大直径的转台在大多数情况下就没有参与五轴联动的必要，因为重型转台谈不上动态性能。这种情况下往往配置转台加双轴摆头效能更高。
图6 加工螺旋桨的五轴龙门铣的双摆头加转台的配置
3. 高精度的空间孔系加工应回避摆角铣头
五轴加工零件中有很大部分为空间斜面上的孔系加工，例如传动箱体、机匣等。依靠摆角铣头在找正空间姿态后，沿刀具轴线方向的钻孔、镗削及螺纹加工等动作，必须依靠多直线轴插补完成，无论机器的几何精度如何好，插补控制的精度如何高，此类插补直线运动精度与单一直线轴导轨约束下，直线运动从精度到刚度上都是无法比较的。
在面向大型、重型零件，不得不选择摆头的情况下，主轴上附加W轴运动可能是昂贵的弥补措施。
当然有很多情况下，零件的特殊性导致只能选择摆头，例如回转体类零件在车铣复合上的加工，由于零件长回转体特点，只能将车床结构作为，也很难配置带W轴运动的摆头。
图7 带W轴的摆角头
4. 正确选择机床的行程
五轴机床因为在回转过程中，机床要能够补偿切削点与回转中心的距离造成的附加直线运动，与三轴机床相比往往要多付出直线坐标的行程，因此选型中要考虑这部分多付出的行程造成的规格放大。此外，五轴加工中更容易遇到主轴与工装及其他机床组成部分的干涉，因此也要考虑为避免干涉，不得已采用长刀具或者加高工装，使切削点更加远离回转中心所多付出附加直线运动，这也是有经验的五轴用户偏爱小工作台和细瘦主轴鼻端的主要原因。
而另一方面，机床的行程也不是越大越好。过于冗余的行程选择，将造成机床价格升高，运动部件质量加大，动态性能不易保证，以及更大的阿贝误差（全闭环反馈器件不在刀尖点，直线坐标直线度上的误差造成刀尖点误差与全闭环反馈器件与刀尖点距离等比放大）。
5. 优先选择直驱技术实现回转坐标的技术方案
力矩电动机直驱技术应用在回转工作台和摆角铣头上已经日趋成熟，国际上包括先驱Cytec，和现在主流的转台摆头功能部件供应商德国Kessler、德国Peiseler、大量应用直驱的世界上大的五轴制造商DMG MORI、德国的ALZMETALL以及中国的科德数控等数控机床厂商。目前，科德数控提供五轴加工中心回转坐标均采用自制的力矩电动机。
图8 科德数控直驱结构转台与力矩电动机
直驱技术的优点是传动无磨损，高动态，易于实现车铣复合转台，易于实现双驱，无须消间隙。特别是力矩电动机先天大通孔径的优势，特别利于中心部署油、水、电和气，为功能结构设计提供了更多可能性。直驱的受力状态为整周气隙出力，使转台或摆头轴系的受力状态非常理想，因此具有非常好的精度保持性。直驱的不足主要是功率密度尚低于机械传动，因此多用于高速高精加工。随着电动机设计技术制造工艺技术，目前水冷直驱电动机的功率密度已经能做到3.5kW/kg以上；而且随着材料技术的进步，直驱的功率密度还有很大的进一步提升的空间。
6. 五轴机床的控制功能和性能
五轴机床的基本结构奠定了五轴机床的工艺能力的基础，完整实现其功能和性能与其配套的五轴数控系统也发挥至关重要的作用。现将几个主要的需要被重点关注的功能介绍如下：
（1）RTCP功能。说到五轴数控功能，常被提及的就是RTCP功能。RTCP是“RotationalTool Center Point”的缩写，字面意思是“旋转刀具中心”，业内往往会稍加转义为“围绕刀具中心转”，也有一些人直译为“旋转刀具中心编程”，其实这只是RTCP的结果。海德汉则将类似的所谓升级技术称为TCPM，即“Tool Centre PointManagement”的缩写，刀具中心点管理。还有的厂家则称类似技术为TCPC，即“Tool CenterPoint Control”的缩写，刀具中心点控制。
科德的GNC60系列数控系统支持自动加工方式和手动方式定点执行RTCP功能，刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点将维持不变，此时刀具中心点落在刀具与工件表面实际接触点处的法线上，而刀柄将围绕刀具中心点旋转，对于球头刀而言，刀具中心点就是数控代码的目标轨迹点。为了达到让刀柄在执行RTCP功能时能够单纯地围绕目标轨迹点（即刀具中心点）旋转的目的，就必须实时补偿由于刀柄转动所造成的刀具中心点各直线坐标的偏移，这样才能够在保持刀具中心点以及刀具和工件表面实际接触点不变的情况，改变刀柄与刀具和工件表面实际接触点处的法线之间的夹角，起到发挥球头刀的佳切削效率，并有效避让干涉等作用。
RTCP技术也是五轴机床刀具长度补偿的基础，既可以设定不同的刀具中心点位置，用同一把刀和同样的加工程序实现曲面的粗精加工。
而且RTCP功能也实现了基于工件坐标系编程，即用户仅需要在零件程序中表达了零件坐标系下刀尖点与工件间相对位置与姿态，由数控系统自动完成回转运动产生的附加运动的补偿。
因此，不具备RTCP的五轴机床和数控系统必须依靠CAM编程和后处理，事先规划好刀路，同样一个零件，机床换了，或者刀具换了，就必须重新进行CAM编程和后处理，极大地增加五轴编程和应用的难度。
（2）各种曲线拟合在五轴加工中效率的比拼。目前，各数控系统厂商技术竞争的重要方向就是比拼五轴加工模式下的效能和加工质量，即比拼插补算法的几何光顺性和速度光顺性。在五轴加工中常规基于超前预读、微小直线段速度规划算法在RTCP的模式下，因附加补偿运动的介入，使插补算法的复杂性成倍增加。因此采用曲线拟合技术实现轨迹光顺成为各数控系统厂商“殊途同归”的选择。
以为例，840D支持五轴光顺的功能主要包括：①过渡功能。G642，使用曲线过渡直线段。②拟合功能。定向压缩功能，包括COMPON：刀具定向恒速样条压缩，COMPCURV：刀具定向恒加速样条压缩，COMPCAD：刀具定向光滑样条压缩。③CYCLE832，类似于海德汉CYCLE32的综合功能包，包含参数调整，得到偏向于效率/质量/速度，不同倾向的效果。
海德汉的 TNC530 、TNC640支持的光顺功能主要是CYCLE32，只需指定刀尖点曲线的弓高误差和旋转轴的偏离误差即可。其内在的拟合模型并未见披露。
国产五轴数控系统的代表光洋GNC60系列数控系统光顺功能主要包含三个功能指令：①G239在两段N C程序段之间，构建一条样条进行过渡。②G642 使用C样条技术，对大量的数据点进行拟合，构建出多段二阶连续的三次C样条。再对C样条进行实时插补。③G643 使用NURBS样条拟合，对大量数据点进行处理，得到多段二阶连续的三次NURBS样条，再对NURBS样条进行实时插补。
从实际应用效果上看，在诸多叶轮叶盘类零件五轴曲面加工中，光洋GNC60系列数控系统能达到与840D相当的效能和表面质量。
（3）在线测量功能。通常三轴加工设备中，在线工件测头检出的机床坐标系下数值通过坐标系平移加减运算即可得到工件坐标系下被测点的坐标。但在五轴机床上，由于旋转轴的接入以及RTCP动作，工件测头直接捕获的被测点的机床坐标系下的坐标转化为工件坐标系下就需要复杂运算支持。和海德汉还未见开放五轴下工件坐标系下的被测点坐标。
国产五轴数控系统的代表光洋GNC60系列数控系统通过用户宏语言中的变量向用户开放五轴下工件坐标系下的被测点坐标，该测量结果不仅可以直接参与宏语言的计算，而且可以通过GNC60宏语言的文件操作指令进行文件保存，以供在线的第三方误差分析工具进行误差计算分析。
（4）五轴参数在线矫正。由于机床在工作态由于存在热变型、工件重量不同导致的受力变形等很多误差因素，会导致五轴布局几何参数特别是回转轴线间的位置关系产生微小的变化，这些参数中有很多是直接参与五轴控制运算的，因此这些微小的变化也会影响高精度要求的加工过程。为此，五轴机床在线测量五轴结构参数，并适时修整这些参数就成为五轴机床实现高精度加工的重要功能。
在840D中，该功能通过CYCLE996实现，在MAZAK和OKUMA机床自配数控系统中也支持类似的功能。在光洋GNC60中该功能通过PRB_WRCS宏程序调用。在海德汉TNC530系统中该功能被固化为功能按键直接调用（见图9）。
图9 在一摆一转结构的五轴机床上矫正五轴参数
上述功能实现的基本原理都是类似的，通常要求主轴上安装一个接触触发式工件测头，在工作台上安装一个已知球心高度和直径的标准球，分别在回转轴不同姿态，用测头测量球心的坐标，分别计算得到两个回转轴各自的回转中心坐标，计算得到两个回转轴的几何位置关系，写入数控系统五轴相关参数，参数生效即该功能完成。
