概述
随着航空航天、模具和汽车等工业的发展，产品零件的结构和形状越来越复杂，精度要求越来越高，对五轴加工机床的需求日益增长。五轴加工机床是指具有3个数控直线移动轴和2个数控回转轴的机床。五轴加工机床的配置多种多样，配置各异。从运动设计的角度，假定传动链从工件开始到刀具，直线运动以L表示，回转运动以R表示，具有3个移动轴和2个回转轴的五轴加工中心的运动组合共有7种：
RRLLL、LRRLL、LLRRL、LLLRR、RLRLL、RLLRL和RLLLR。其中最常见的运动组合有3种：LLLRR、RRLLL和RLLLR。这3种运动组合及其典型结构配置如图1所示。
图1 五轴加工机床的运动组合和配置形式
图1a所示是动梁式龙门加工中心，其运动组合为LLLRR。工件安装在固定工作台上不动，横梁在左右两侧立柱顶部的滑座上移动（Y轴），主轴滑座沿横梁运动（X轴），主轴滑枕上下移动（Z轴），双摆铣头作A轴和C轴偏转。
图1b是立式加工中心，其运动组合为RRLLL。工件固定在A轴和C轴双摆工作台上，横梁沿左右两侧立柱移动（X轴），主轴滑座沿Y轴移动，主轴滑枕沿Z轴上下移动。
图1c也是立式加工中心，但其运动组合为RLLLR。工件固定在C轴回转工作台上，工作台沿X轴移动。主轴滑座沿Y轴和Z轴移动，万能铣头可作B轴回转。
每种运动组合可有不同的结构配置方案。例如，动梁龙门式机床和动柱龙门式机床都属于LLLRR运动组合，车铣复合加工和铣车复合加工大多属于RLLLR运动组合，而RRLLL运动组合可包括A/C轴和B/C轴双摆工作台。
具有双摆工作台的4种不同工作台布局的五轴加工中心如图2所示。
图2 不同双摆工作台布局的五轴加工机床
综上所述，随着应用领域、加工零件的形状、尺寸和精度要求不同，五轴加工机床具有多种多样的结构和配置方案。
典型案例分析
1. 哈默C52加工中心
德国哈默（Hermle）公司的C52加工中心是摇篮式双摆工作台五轴加工机床，适用于航空航天、模具制造、能源和半导体工业，其外观和主要技术规格如图3所示。
图3 哈默C52加工中心
从图中可见，摇篮式双摆工作台采用纵向布局，回转工作台直径为f 1 000mm，由力矩电动机直接驱动，结构紧凑，最高转速为500r/min。摇篮采用伺服电动机和无背隙齿轮传动，摆动范围为＋100°/－130°，可以进行五轴联动的立/卧式车削加工或五轴联动铣削加工和5面铣削加工。车削时工作台最大载荷为1 000kg，铣削时工作台最大载荷为2 000kg，可以从机床上方装卸较重的大型工件。
为了提高机床的动态性能，哈默公司研发了独特的总体结构配置：移动部件轻量化。框架式主轴十字滑座在高台式床身的顶部，完成X－Y方向移动，主轴滑枕作Z轴垂直方向移动，采用盘式刀库，如图4所示。
图4 哈默C52加工中心的总体结构配置
1.线性导轨 2.刀库 3.滚珠丝杠 4.伺服驱动 5.双摆工作台
从图中可见，主轴下层滑座由安装在床身左右两侧壁上的伺服电动机和滚珠丝杠沿3根线性导轨移动，以实现重心驱动，避免移动过程的偏斜，提高了机床的工作精度。
哈默C52加工中心在车铣复合加工时采用海德汉640数控系统，包括提高动态效率的主动颤振控制、自适应进给控制和提高动态加工精度的主动振动阻尼、载荷自适应控制等智能模块。
2. 西田YMC430-II精密加工中心
日本西田（Yasda）公司的YMC430-II精密加工中心主要用于加工微小的高精度零件，在结构设计上特别注意提高刚度和减少热变形的影响，其总体结构配置如图5所示。
图5 西田YMC430-II精密加工中心的总体结构配置
从图中可见，横截面呈H形的、左右前后4个方向都对称和断面系数大的整体龙门式双立柱，保证了机床结构的高刚度、高精度和热稳定性。主轴滑座和主轴部件位于H形立柱的正前方，具有重量平衡系统，以保证Z轴移动的精度，结构对称，基本上抵消热变形所引起的刀具中心点相对工作台的偏移量。
YMC430-I I加工中心的X、Y、Z轴皆由相互对称配置2个直线电动机驱动，行程范围分别为420mm、300mm和250mm，快速进给20m/min，采用高刚度和高精度的线性导轨（小直径滚珠、8滚道循环、加长型滑块）导向，以提高移动精度和刚性，简化机械结构，避免反向背隙，保证机床的动态性能。
主轴转速范围2 0 0 ～ 4 0 0r/min，在主轴滑座下方配置有盘式刀库，标配容量32把刀，刀具最大直径f 50mm，刀具最大长度120mm，刀具最大重量500g。
该 机 床 的 平 移 工 作 台 面 积为600mm×350mm，其上安装R10型双摆工作台，B轴摆动范围-10°/+100°，C轴360°回转，从而构成五轴联动加工机床，最大加工直径250mm。主轴的定位精度在全行程范围内的实际测量值分别为0.508μm、0.356μm和0.316μm，X－Y运动轴的圆度为0.60μm。B、C回转轴的双向定位精度分别为0.95sec和1.19sec。在加工圆锥表面时圆度为1.24μm，皆明显高于同类机床。
完善的热管理系统是YMC430-I I机床的最大特点之一，是保证机床高精度的关键。机床的冷却部位循环原理如图6所示。
图6 西田YMC430-II的冷却部位和循环系统
从图中可见，机床在6个部位配置循环液冷却系统：①立柱的内冷却。②主轴头的内冷却。③主轴滑座的内冷却。④X轴直线电动机的冷却。⑤Y轴直线电动机的冷却。⑥Z轴直线电动机的冷却。制冷装置输出温度较低的冷却液进入各冷却部位，将热量带出，温度较高的冷却液再回到热交换器中再度进行制冷。
3. 米克朗 HSM 600U LP高速加工中心
GF加工方案集团旗下的米克朗公司生产多种型号的高速（HSM）、高性能（HPM）和高效率（HEM）加工中心。其中HSM 600U LP加工中心是在原有HSM系列的基础上改进设计而成，工作台直径600mm，最大载荷120kg，适合模具制造和其他中小批量精密制造企业加工高精度和高表面质量的零件，机床的外观和结构如图7所示。
图7 HSM 600 ULP加工中心的外观和结构
从图中可见，该机床的3个移动轴X、Y、Z和2个回转轴B、C皆采用直接驱动方式。机床的床身、立柱和横梁为一个整体封闭结构，上窄下宽，呈金字塔形，采用矿物铸件（树脂混凝土），具有良好的阻尼特性，保证了机床的刚度和稳定性。中间有O形孔道，以便与托板交换装置或刀库联结。线性导轨布置在直线电动机的两侧，使两线性导轨之间的有较大的距离，驱动力尽可能在移动部件的重心。
机床采用STEP TEC智能电主轴，最高转速30 000/36 000/42 000r/min可选。其intelliSTEP智能化系统可以控制和优化电主轴的工况。例如，主轴端轴向位移、温度、振动和刀具拉杆位置等，预测主轴在不同工况下的工作寿命。
该机床的另一重要特点是“聪明机床”软件。包括机床保护、提高加工精度和提高生产力3个方面。例如，智能温度控制、操作支持系统、高级加工过程和远距短信通知等。
数控系统的新趋势
数控机床不仅延伸人的体力， 更延伸人的智力， 变得越来越聪明。高端数控机床正在向智能化、集成化、网络化和绿色化发展，起主导作用的不是机械和电气部分的硬件，而是知识和软件。数控系统已经从单纯的运动控制发展到参与生产管理和调度。随着与信息和通讯技术的深度融合，现代数控机床已经不仅是一台加工设备，而是工厂网络， 甚至智慧城市中的一个节点。
智能手机的出现改变了人们的生活和工作方式，多点触摸屏、各种APP应用和微信正在改变人的观念和习惯。若将智能手机的某些功能和特征移植到机床数控系统，无疑会大大拓展数控系统的功能，使机床操作更加符合人们的生活习惯，变得简单和方便。因此， 采用图形化的信息提示、图形化的软件的人机界面已成为新一代数控系统重要特征。
德马吉森精机公司在西门子和三菱数控系统的基础上推出新一代数控系统的人机界面和操作系统CELOS，它打破了传统数控系统人机界面的模式，采用多点触控显示屏幕和类似智能手机的图形化操作界面，拉近了机床操作和生活习惯的距离。
CELOS简单易用，就像使用智能手机一样。CELOS简化和加快从构思到成品过程，并且还奠定无纸化生产基础。此外，CELOS应用程序为用户提供一体化和数字化管理、文档查看和加工任务单、加工过程和机床数据显示功能，而且CELOS还兼容PPS和ERP系统，能连接CAD/CAM应用软件并可使用其他未来CELOS应用程序。
目前，CELOS 有12种APP应用，从CAD/CAM浏览、加工任务管理直到数控加工， 功能齐全，各种APP应用皆可一键直达，操作非常方便，如图8所示。从图中可见，这些应用的图标可分为5种类型，第1类图标是与生产相关的APP应用，包括数控程序、加工任务管理、任务助手。第2类图标是辅助功能APP应用，包括CADF/CAM浏览、工艺参数计算器、工艺文档管理。第3类图标是技术支持APP应用，包括网络服务和机床检查。第4类图标是有关配置的APP应用，包括节能降耗和机床调整。第5类图标是机床状态监控的APP应用。
图8 CELOS的APP应用菜单
CELOS力求通过这些APP应用，实现无图样化的加工，使用户实现对订单、工艺流程数据、机床数据的一体化数字管理、记录存档和可视化处理。例如，任务管理和任务助手APP，能够实现对加工任务的管理，帮助机床操作人员通过网络进行计划、准备、优化和系统化处理加工任务。
首先， 所有与生产相关信息，如数控程序、工件、刀具和夹具等，都集中在一个加工任务中， 并立即显示在“ 任务管理器”中。加工任务单所需的所有文档、数据和信息都用结构化方式管理。例如，这些数据可在以后的加工中或重复订单中被快速访问。
通过“ 任务助手” ， 经过数字化准备的加工任务单可在以后被系统地执行。在此过程中，首先对加工所需的所有数控程序和设备（刀具、夹具等）进行检查。然后，通过对话框指导操作人员进行装夹和准备加工任务。
给出适当提示和要求必要的确认，确保机床操作人员的操作无差错。只有完成这些步骤后才能开始加工。因此，即使是复杂加工任务或复杂工件，也能确保加工的高可靠性。
工艺计算器APP实现对工艺切削参数的计算， 通过选定刀具、工件材料和背吃刀量等信息，计算出数控编程所需的进给速度、主轴转速、切除率和切削功率等信息。节能降耗APP用于对机床启动、待机、加工以及润滑和冷却进行优化配置，实现机床的用能管理。
状态监控APP对机床状态信息进行可视化的显示，其界面如图9所示。
图9 CELOS机床状态监控界面
左侧圆图是主轴负载大小和是否有振动，右侧圆图是3个直线和3个回转驱动轴的负载。下方是零件加工任务和加工批量的进度完成情况及剩余时间。中间是有关机床的其他信息。“状态监测”功能是操作人员与机床间联系的起点。它提供有关当前订单和订单进度的重要绩效指标，而且通过特殊图标以及文字向操作人员显示出现的任何错误、故障或所需的维护。
CELOS的APPs应用给数控机床的人机界面带来了全新的变化，将机床的数控系统拓展成为数控加工的管理系统，揭示了数控系统人机界面开发的潜力，必将对数控系统设计和数控加工流程的数字化管理产生巨大的影响。
五轴加工机床的智能化
智能装备的控制模式和人机界面将会有很大的变化，WiFi宽带、蓝牙近距通信等网络性能的提高，基于平板电脑、手机和穿戴设备等基于网络的移动控制方式会越来越普及。与时俱进的触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按钮、开关、鼠标和键盘。人们，特别是年轻人已经习惯智能电子消费产品的操作方式，能够快速做出反应，切换屏幕，上传或下载数据，从而大大丰富了人机交互的内容，同时明显降低误操作率。例如，对数控机床的操作可以通过笔记本、平板电脑和智能手机在WiFi环境下进行，如图10所示。
从图中可见，不仅人机的交互方式从控制面板延伸到移动终端，设备和工具之间也可以进行物与物的通信。机床的加工精度和效率在很大程度上取决于刀具的状态，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成为智能刀具。芯片不仅可以记录在刀具预调仪上进行调整时的数据，还可以记录刀具在机床的进行了多长的切削时间，还有多少剩余寿命，可以加工几个零件等都可以让操作者和有关部门了如指掌，减少停机和更换刀具的时间。智能刀具及其管理的概念如图10所示。
图10 在WiFi环境下的人－机和机－机通信
在不同的加工情况下，往往需要设备具有不同的性能，可以根据设备工况的统计分析，可从设备供应商或第三方APP应用软件商店购买和下载不同的软件，以提高设备精度、加工速度或节能等，如图11所示。
图11 提高设备性能的APP应用软件商店
智能工厂的数控机床和机器人等智能装备的未来发展重点已经不在硬件，感知外部环境和工况变化需要更加强大的计算能力、通信带宽和速度，才能进行实时控制，形成真正的信息物理融合系统。它的特点是将设备的控制分为计算和过程两部分，把运动控制保留在本地，而将计算移到云端，在云端“克隆”相应的虚拟设备，在云端进行虚拟制造，如图12所示。
图12 过程和计算分离的云数控系统
从图中可见，需要计算能力的数控核心、可编程控制、图形人机界面和通信等模块构成设备群的云端控制系统，通过中间件控制虚拟机床1、虚拟机床2、虚拟机床n，同时通过以太网接口下传至车间的路由器，连接不同机床的控制器，控制相应机床的运动，从而将虚拟机床与实体机床构成一对一的仿真和监控系统。
2015-08-13 同济大学教授张曙 《 金属加工在线》
