什么是五轴控制器?

五轴加工机床的发展

精密加工在现代制造业中越来越普遍。实现精密加工的高端数控机床和模具处于制造产业链的前沿，模具产品的质量在很大程度上由数控设备控制。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、更快的产品改型加工适应性和更低的制造技术。为了满足这些条件，越来越多的制造企业采用了高端的数控加工机床，如五轴加工机床。

五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。是一种专门用于加工复杂曲面的高科技、高精度机床。机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密仪器、高精度医疗设备等行业有着决定性的影响。

什么是五轴机床?

受约束的工具或工件在空间上有六个自由度。实际上，在金属切削加工过程中，工件与刀具之间会产生巨大的切削力和摩擦力。为了防止工件位置移动，必须对工件进行夹紧和固定。常用的三轴机床只有三个正交的运动轴，只能在三个方向上实现直线运动自由度。因此沿机床轴线方向的结构可以加工，侧面结构特征不能加工。

五轴数控加工是指一台机床上至少有五个坐标轴，包括三个直线坐标和两个旋转坐标，在计算机数控系统的控制下，可以同时进行协调运动的加工。数控机床的轴作为运动轴，是空间上的坐标轴，如坐标的XY轴。没有运动轴，有独立的控制器和电机驱动系统。即数控机床有5个可同时进行插补的伺服轴(不含主轴)，5个伺服轴可同时运动分开加工。

五轴机床的结构:

五轴数控机床有许多不同的结构形式，主要分为工作台倾斜式、主轴倾斜式和工作台/主轴倾斜式五轴加工机床。五轴铣床加工控制器可将机床各运动轴的控制大致分为轴坐标控制和工件坐标控制两种控制方式。

• 工作台倾斜式:
  设置在床上的工作台可以绕x轴旋转，定义为a轴，a轴一般有+30度到-120度的工作范围。工作台中间还有一个转台，在位置上绕z轴旋转，定义为c轴，c轴旋转360度。这样，通过a轴和c轴的组合，工件除固定在工作台上的底面外，其余五个面均可由立式主轴加工。
  a轴和c轴的最小分割值一般为0.001度，可将工件细分成任意角度，加工斜面、斜孔等。如果将A轴和C轴与XYZ三个线性轴相连接，则可以加工复杂的空间曲面，这需要CNC系统、伺服系统和软件的支持。这种布置的优点是主轴结构相对简单，主轴刚性好，制造成本相对较低。但是，一般来说，工作台不能设计得太大，承载能力也小，特别是当a轴旋转大于等于90度时，工件切割会给工作台带来较大的承载力矩。
• 主轴倾斜式:
  主轴前端为旋转头，可自行绕z轴旋转360度成为c轴。旋转头还有一个a轴，可以绕x轴旋转，一般可达±90度以上，实现与上述相同的功能。这种设置的优点是主轴的加工非常灵活，工作台也可以设计得很大。这种加工中心可加工大型客机机身和大型机匣。
  设计的优点是，当使用球面铣刀加工曲面时，刀具中心线垂直于加工面。由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切割出来的工件表面质量会很差。该设计使主轴相对于工件作一定角度旋转，使球铣刀避免了顶点切削，并保证了一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构适用于模具的高精度表面加工，这是旋转加工中心难以实现的。为实现高精度的旋转，高档转轴配有圆光栅刻度反馈，分度精度在几秒内。这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本高。
• 工作台/主轴倾斜式:
  本设备的旋转轴配置为B轴与工作台围绕C轴组合。一个旋转轴在主轴头的刀具一侧，另一个在工作台一侧。这种类型的机床在旋转轴的安排上具有最大的灵活性，它可以是任意两个A.B.C轴的任意组合。这类机床的主轴可以旋转成水平状态和垂直状态，工作台通过分度和定位简单配置为三轴加工中心进行垂直和水平转换。分度，在工件上实现五面体加工，制造成本低，实用性强。

五轴机床有哪些应用?

五轴联动加工中心适用于加工复杂、多工序、高要求的普通机床和要求种类繁多的许多刀架，只能经过多次装夹调整后才能加工。

• 框部分:
  箱式零件一般需要多工位孔隙和平面加工，具有较高的公差要求，特别是几何公差要求比较严格，通常需要经过铣、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序，需要刀具在普通机床上难以加工，需要多次装夹和对中，而且难以保证加工精度。在加工箱式零件时，需要将工作台旋转几次，以便在水平方向上加工四边，适合使用卧式加工中心。
• 复杂的表面:
  复杂曲面在机械制造，特别是航空航天工业中起着重要的作用。用普通的加工方法很难甚至不可能完成复杂的表面。复杂表面零件，如各种叶轮、球面、各种表面成型磨料、螺旋桨、水下航行器螺旋桨等各种自由曲面。五轴加工中心最适合加工这类零件。铣刀作为包络面来近似球面。加工中心加工复杂曲面时，编程工作量大，大多必须具备自动编程技术。
• 异形部分:
  异形件是形状不规则的零件，大多需要多工位的点、线、面混合加工。异型件的刚性一般较差，夹紧变形难以控制，加工精度难以保证，甚至有些零件的某些加工零件用普通机床难以完成。用加工中心加工时，应采取合理的工艺措施，一次或两次装夹，并利用加工中心内多工位点、线、面混合加工的特点，完成多个工序或全部工序内容。
• 阀瓣盖板部件:
  具有键槽、径向孔或分布孔系统的端面、曲盘套或轴类零件，如法兰套、带键槽或方头的轴类零件等，有许多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。盘式零件端面有分布孔和曲面的应选用立式加工中心，端面有径向孔的应选用卧式加工中心。
• 特殊处理:
  在掌握了加工中心的功能后，配合一定的工装和专用工具，加工中心可以完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面刻字、雕刻、打图案等。加工中心主轴上安装高频电火花电源，对金属表面进行线扫描表面淬火。高速磨削头安装在加工中心上，可实现小模数渐开线锥齿轮的磨削和各种曲线、曲面的磨削。

机床控制技术发展规划:

• 智能机器操作:智能人机界面，多轴高速动态控制，三维立体防撞，等多层安全保护机制。
• 多任务复合自动化技术:多系统同时加工，自动上下料，以及工件定位车/铣/钻/磨复合加工工艺等功能。
• IT技术集成:分为CCD视觉校正(图像采集、样式识别、数据转换)、IT技术集成(上下工序垂直集成，内置CAD/CAM系统，导入图纸文件时自动导入参数)等两大功能。集成智能机器操作、多任务复合自动化功能和IT技术，构建下一代工业4.0智能控制系统，实现以智能功能提升单机加工效率和工厂整体生产力的目标。