當前（qián），我國的製（zhì）造業正在不斷地向（xiàng）高柔（róu）性、高精（jīng）度、高技術密集方向發展（zhǎn），作為高端製造（zào）裝備的（de）五軸加工中心，日漸成為（wéi）不少數控機（jī）床設計與製造企業新的（de）研（yán）製、開發、推廣目標，也是未來很長一段時間內，該類公（gōng）司（sī）的新利潤增長點; 同時各類機械加工生產企業（yè），對這類高端（duān）機床的需求欲望也日益強烈。

      從機床設計、製造角度（dù）看，五軸加工中心相（xiàng）對於普通三軸、四軸加（jiā）工中心而言，其結構布局更加複雜，CNC 配置更加靈活。其機械本體與所用CNC 之間的整體協調性，機床靜態布局與其動態位姿匹配則（zé）是總體設計階（jiē）段首先要解決（jué）好的問題。為此，筆者研究了各類計算機輔助設計( CAD) 平台和數控加工驗證平台，提（tí）出了一種融合兩方（fāng）麵技術，實（shí）現五（wǔ）軸加工中心高（gāo）效率、高質量研發的方法。

      1 五軸加工中心的特點及總體設計工作

      1. 1 五軸加工中（zhōng）心類型

      所謂加（jiā）工中（zhōng）心的五軸，是指3 個移動軸( X /Y /Z) 和兩個（gè）轉（zhuǎn）動軸( A /B /C 中任意兩個) 。不同轉動軸的組合方式，就形成了不同的五軸加（jiā）工中心類型（xíng）; 不（bú）同的類型，其總體性能（néng）特點和適用範圍也（yě）不相同。從兩個轉動軸所依附（fù）的機械本體而言，可以把五軸加工中心大致分為3 種基（jī）本型: ( 1) 兩個轉動軸都由工作台來完成（chéng）;

      (2) 兩個轉動軸都由主軸（zhóu）來完成;

      (3) 混合方式———一個轉動軸由工作台完成，另一個轉動由主軸來完成。進一步考慮A /B /C 以及主軸的立、臥方（fāng）式，可以細分出更（gèng）多具體的配置方式。不同的配置方式，各有不同的（de）優缺點。

      考慮到第3 種類（lèi）型———混合方式，具（jù）備第1、2 兩（liǎng）種類型的一些共同（tóng）特性: 高剛度和大行程，可（kě）以（yǐ）實現重載（zǎi）與高速數控加工。因此（cǐ），本文以第（dì）3 種基本型———混合（hé）( 複合) 型，並結合立、臥兩類布局，詳細說明融合（hé）CAD 技術和數（shù）控加工後置（zhì）驗證技術，分析五軸加工中心總體設計（jì）的基本原理和方法。

      1．2 五軸加工中心總體布局CAD

      由於曆史沿襲和使用（yòng）習慣原因，國內不同地域、不同企業（yè）使用的CAD 平台，各不相同。從低端專用產品設計軟件包到集大成的Catia 不等，但其中，計算機輔助產品開發的基本原理是相同（tóng）的，即: 從市場需（xū）求中（zhōng）獲取產品工程特征要素（sù），把這些工程要素，轉換成（chéng）產品總體特征模型; 對該總體（tǐ）模型進行可行性、可（kě）靠性、技術經濟（jì）性等初步評估( 也稱（chēng）產（chǎn）品概念（niàn）設計) ; 結合手工分析和各個層次的CAE 技術，包括使用產品各個層級的數（shù）字樣機技術，進行產品（pǐn）各個次級零部件細化設計( CAD 過程中，特（tè）征信息不斷地被（bèi）傳遞、升級（jí）、完善) ，此細化過程中實質（zhì）是融合DFX( Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…) 理念的並行（háng）設計; 數字樣機被驗證無誤之後，便是物理樣機的試製、評估（gū）、量（liàng）產、市（shì）場反饋、更新……不斷迭代升級而使產（chǎn）品（pǐn）持（chí）續地被完（wán）美化。顯而易見，這一複雜過程中，產品的總體設計起著（zhe）統領全局的關（guān）鍵作用。對於五軸加工中心（xīn）這類高端產（chǎn）品而言，更是如此。現以Inventor和Solidworks 兩個CAD 平台中，進行立、臥兩種混合型五軸加工中心總（zǒng）體布局設計為例，分析說明（míng）其中的關鍵問題。

      如圖1 所示，是Inventor 中立式混（hún）合型五軸加（jiā）工中心總體布局方案: X /Y /Z + C 軸數控回轉工作台+ B擺動軸( 主軸依附（fù）其上，實現± 90° ～ 120°擺動) ; 如圖2所示，是Solidworks 中臥式混合型五軸加工中心（xīn）總體（tǐ）布局方案（àn）: X /Y /Z + B 軸數（shù）控回（huí）轉工（gōng）作台+ A 擺動軸( 主軸依附其上，實現± 90° ～ 120°擺動) 。此總體布局方案是通過TopDown 設計和BottomUp 裝配確定的。

      以Topdown 方式進行布局設計時，設計平台的“組件”環境，類似於“產品開發（fā）部（bù）”。由於帶回轉工作台的加工中（zhōng）心，一般以轉台的（de）邊（biān）長為主參數，整體加工中心就以回轉工作台的（de）幾何特征（zhēng）為驅動源———“回（huí）轉工作台”是該類（lèi）機床型譜結構變化中，控製全局的零件。所以在（zài）“產品開發部（bù）”頂層節點就是“回轉工作台”( 參看圖3) ，並由此逐級展開且關聯式（shì）創建: 可以（yǐ）跟隨工作台變化的（de）加工中心總體布局特（tè）征模型。此過程不再贅述，讀者可（kě）以參看文獻（xiàn）［1］。 

      以BottomUp 方式進行（háng）加工中心裝配時，設計平台的“組件”環境，類似於（yú）“裝配車間”。在（zài）此“裝配車間”進行五軸加工中心組裝時，一個重要問（wèn）題就是該數字樣機的（de）“機床原點”與設計平台缺省的坐標原（yuán）點的一致性問題。一般情況下（xià），五軸（zhóu）加工中心的“機（jī）床原點”是各個轉軸的交點，而X /Y /Z 方向必（bì）須（xū）符合右手直角笛卡爾坐標（biāo）係規範，由此可以建立機床坐標係。此（cǐ）坐標係應該與所用CAD 平台（tái）內缺省坐標係重合。這一（yī）要求，必須在BottomUp 組裝中得到充分保證。需要注意的（de）是: 不同CAD 平台往往缺省的坐標係方位是不同的，如Solidworks 和Catia 同屬一（yī）個母公司，但兩（liǎng）者缺省坐標係方位完全不同。本文中，涉及到的Inventor和Solidworks 也是不同的: Inventor 缺省的Z 是朝上的( 圖1，與立式布局（jú）一致) ; Solidworks 缺省的Z軸是水（shuǐ）平的( 圖2，與臥（wò）式布局吻合) 。

      在CAD 平台內完（wán）成的五軸加工中心總體布（bù）局（jú），是否能夠與數控加（jiā）工所需的複雜運動要求相適應? 即，與配套的CNC 協（xié）調一致（zhì）性如何? 目前，從低端（duān）到高端的（de）CAD 平（píng）台內，是不能夠解答這些疑問的。在所設（shè）計的五軸加工中（zhōng）心物理樣機被製造出來之前，解決這些問（wèn）題的可行性手段，便是借助專業數控加工驗證（zhèng）平台，對疑問進行逐（zhú）步排解。下麵以Vericut 軟（ruǎn）件為（wéi）例，針對五軸加工中心總體布局（jú）設計，具體說明處理這些問題的基（jī）本方法和關（guān）鍵（jiàn）措施。

      2 數控加工驗（yàn）證所需的準備工作

      2. 1 根據機床用途選擇典型加工零件

      圖1 和圖2 所（suǒ）示的混合型五軸加工中心，在複位狀態（tài）時，主（zhǔ）軸分別處於豎直和水平姿（zī）態。顯然，圖1 展示的機床總體（tǐ）布局屬於立式數控機床範疇，圖2 則為臥式數控機床（chuáng）範疇。這兩種機床的主軸依附在擺（bǎi）動轉頭（tóu）上，工（gōng）作運動（dòng）時，主軸可以分別實現水平和立式姿態; 使用這類（lèi）機床加工箱（xiāng）體類零件時，一次裝夾便可以完成，除底（dǐ）麵之外的其他各個表麵上所有加工要求（qiú）。所以，筆者選擇（zé）2 個減速器下箱體作為典型被加工零件，來進行五軸加工中心總體布局相關問題的探索。

      如圖4 和5 所示，是兩種不同類型的上下合蓋式減速器的下箱體。完整的減速器上下合蓋加工工藝規程設計，不屬（shǔ）於本研究、討（tǎo）論範圍，本文選（xuǎn）擇其（qí）分體粗加工階段（duàn）、使用五軸加工中心，完成下箱體各個（gè）相關表麵的預加工工序，以研究五（wǔ）軸加工中心機械本體與（yǔ）由CNC 驅動的運動之間（jiān），協調性與（yǔ）合理性方麵的問題。 

      2．2 完成典型零件的（de）數控程序

      從圖4 和圖5 可以看出，下箱體的預加工階段（duàn），需要對（duì）頂麵、兩軸承蓋（gài）側麵以及注油口側麵( 含斜麵和垂麵) 上的孔係和平麵進行初步加工。考慮到（dào）柔性製造的發（fā）展趨勢，本例（lì）中，用組合夾具實現工件的裝夾要求。圖6 和圖7 分別是兩個零（líng）件預加時，在立、臥五軸加工中心上被裝夾後的狀態展示。計算機輔助數控編程（chéng）( CAM) 時，可以連同夾具一起導入到CAM 平（píng）台，也可以單獨把下箱體（tǐ）( 預加工終了狀態特（tè）征結構) 導入CAM 平台，來完成數控程序。 

      完成的數控程序和相應刀具信息，將是加（jiā）工中心後（hòu）置驗證時（shí）的（de）基礎信息。有關G 代碼解讀與修改等數控程序後（hòu）置驗證問題，不是本文（wén）研究的重點內容。

      2．3 創（chuàng）建機床驗證模型樹及其模型

      首先在Vericut 中創建與立、臥（wò）五軸加工中心各零部件（jiàn）結構拓撲關係一致的模型樹。在模型樹的相應節點，導入CAD 平台中已經完成（chéng）的各個零部件模型文件( 與此過程相關的細節，請參看文獻［1］) 。如圖（tú）8 和圖9 所示，分別是在Vericut 驗證（zhèng）平台中，立式和臥式五軸加工中（zhōng）心的驗證模型樹和模型。

      2．4 把工裝信息（xī）和數控程序導入驗證平台

      在模型樹的“Fixture”節點導入組合夾（jiá）具模型文件; 在模型樹的“Stock”節（jiē）點導入“本（běn）工序前工件狀態”模型( 毛坯) 文件; 在模型樹的“Design節點導入“本工序（xù）終了工（gōng）件狀態”模型文件。數控程序可以直接在“NC Programs”中，導入由CAM 平台創建的數控文件。 

                                    ‘

      而數控加工中的多把刀具信息，則必須借助CAM平台和Vericut 平台之間的無縫（féng）連接技術，進行數（shù）據的傳（chuán）遞。如圖10 所示，分別是Catia /CAM( 左) 和SiemensNX/CAM( 右) 平台下激（jī）活Vericut 對話框（kuàng）。與此相關的一（yī）些具體方法，讀者還可以參看（kàn）文獻［1］。 

      3 五軸加（jiā）工中心的加工（gōng）運行驗證及改進案例

      3．1 為驗證模型設定CNC 型號

      在模型樹的Control 節點，根據機床製（zhì）造企業實際為五軸加工中心配置的CNC 型號，從Vericut 控製器（qì）數據庫中選擇相應的（de）“* ． ctl”文件進行加載。參看圖8 和圖9 左上角線框部分，本次研究中，選擇的是Fanuc15M 控製器。

      3．2 MDI 方式初步驗（yàn）證及RTCP 功能觀察實例

      在MDI 調試（shì）環境中，逐（zhú）行輸入相關G 代碼指令，驅動機床運動。此方式可直觀目測（cè）: 主軸擺動、工作台轉動、X /Y /Z 向直線移動等是否（fǒu）合適。進而，可以（yǐ）初步判斷五軸加工（gōng）中心機械本（běn）體與CNC 的協調性好壞與否。下麵，以RTCP 功能動作為例，進行說明。

      RTCP 是五軸加工中心工（gōng）作中，考慮刀具長（zhǎng）度三維補償時特有的問題。有關RTCP 編（biān）程及後置驗證方（fāng）麵的問題，不是本文討論的重點。此處，筆（bǐ）者從機（jī）床設計角度，討論針對CNC 的RTCP 功能，在五軸加（jiā）工（gōng）中心總體布局確定過程中，需要注意的問題。

       五軸加工中（zhōng）心在激（jī）活RTCP 功能的（de）情況（kuàng）下，如果刀具需要相對瞬時被加工麵的法向，進行角度調整時，其主軸將以刀位點為樞軸進行轉動，轉動的角度是通過對應的X /Y /Z 向直線位移增量來（lái）獲得的。此時，刀杆越長，轉角越大，需（xū）要（yào）X /Y /Z 向移動的行程（chéng）就越大。作為機床總體布局設（shè）計而言，這個因素是需（xū）要考慮在內的( 若不修改G 代碼，機床就需要額外增加行程（chéng）空間) 。如（rú）圖11 ～ 13，展示的是不同長短刀具（jù）、不同（tóng）轉動角度下，可以直觀發現（xiàn）的行程問題。 

      MDI 方式並不能預知五軸加工中（zhōng）心在複雜、多變的實際加工狀（zhuàng）態下，是否能夠順利實現工作運行。因此，就需要借助對（duì）實際數控加（jiā）工程序的運行（háng）觀察，來完成機床運（yùn）動協調性的全麵驗證（zhèng）。 

      3．3 總體布局的全麵驗證

      五軸加工中心，將來麵對（duì）的工作任務，大體可以分為兩種情況，一（yī）種是“多麵定向加工”場合; 另一種為“五軸聯（lián）動”方式加工複雜自由曲麵。對五軸（zhóu）加工中心設計者而言，需要查看的是: 在加工運動過程中或在不（bú）同極限方位時，五軸加工中心機械本體的各個零部件是否協調? 對此，用（yòng）前一（yī）種方式———“多麵（miàn）定向加工”，可（kě）以更加快捷地解決（jué）問題。2. 1 和2. 2 節中所涉及到的減速器下箱（xiāng）體預加工程序，便是出於此目的（de）而準備的。

      該預加工程序運行時，將驅動五軸加工中（zhōng）心，完成工作（zuò）台360° 範圍的分度（dù）轉動，同時還配合有主軸±90°擺動。可看出加工（gōng）運行中，涵蓋了絕大部分可能的機床姿態，而且耗時少，設計者（zhě）能夠立竿見影地判斷:機床布局合理與否。圖（tú）14 展（zhǎn）示的是（shì）立、臥五軸加工中心，鑽削下箱體45°斜麵注油孔時，瞬間運行位姿。

      3．4 發現及解（jiě）決問題案例

      在MDI 方式的初步驗證和運行完整數控程序的全麵驗證過程中，機床局（jú）部（bù）拓撲結構（gòu）及（jí）尺寸上的不合理性，特（tè）別是總體布局上的不協調等諸多問題被發現和糾正。現舉一個布局由此而改進（jìn）的實例進行說（shuō）明。

      本文研（yán）究的五軸立（lì）式（shì）加工中心，在早先的配置方案中，直接借鑒了（le）一般四軸立式加工中心的布局（jú）結構。眾（zhòng）所周知，常見的立式加工中心（xīn）工作台是類似（sì）萬能立（lì）式銑（xǐ）床（chuáng）的“十字（zì）滑台”配置方式: 工作台依附在X 滑台上，X 滑台依附（fù）在固定的（de）Y 導軌上，從（cóng）而實現X /Y 直線位移。如此布局（jú）的（de）五軸立式加（jiā）工中心，在加工減速器（qì）下箱體側麵時，工作台是處於（yú）左右兩個極端位置，此時的重力載荷（hé），將使機床的承載呈現極不對稱性。如圖15 所示: B 軸（zhóu）刀具擺（bǎi）頭轉動45°，C 軸工作台（tái）轉動90°，進行下（xià）箱體注油孔及端麵加工。此時整（zhěng）體X 導軌副因為左邊懸空而承受顛覆力矩。這對機床（chuáng）導軌磨損、受力和熱平衡上的（de）穩定性，機（jī）床的振動，機床的壽命都會（huì）產生負麵（miàn）影響。圖16 展示的是改進X /Y 結構布局（jú）後，相同（tóng）工步的瞬時姿態。顯而易見，前述問題就不存在了。 

      4 結（jié）論與展（zhǎn）望

      對於五軸加工中心這類高端（duān）製造裝備而（ér）言，無論是設（shè）計與（yǔ）製造者，還是終（zhōng）端用戶，都需要借助計算機輔助技術，來改善其在與此類產品相關生產活動中的質量（liàng）、效率、成本目標。本文，從機床設備設計與製造者角（jiǎo）度出發，以混合型五（wǔ）軸加工中心研發工作為（wéi）研究對象，分析、闡述了在不同（tóng）CAD 平台( Inventor 和Solidworks)中進行五軸加工（gōng）中心總體設計以及在專業數控加工驗證（zhèng）平台( Vericut) 進行機床運行驗證的基（jī）本方法、工作原理和流程。結果證明: 五軸加工中心機械（xiè）本（běn）體與其（qí）配（pèi）套CNC 間，協調性（xìng）上的困惑; 機床自身各（gè）個（gè）零（líng）部件間，布局合理性中的疑問，都（dōu）可以非常（cháng）快捷而準確地被判斷（duàn）並解決。高（gāo）端數控機床設計與製造者可以在其習慣使用的CAD 平台，借助這些通用原理與方法，來改善其五軸加工中（zhōng）心的設（shè）計與製造工作。

      五軸加（jiā）工（gōng）中（zhōng）心（xīn）進一步的設計工作中，可以把數控加工運行驗（yàn）證中的運（yùn）動信息輸出到CAE 平台，而在CAE 平台內，可以結合CAD 平台的（de）詳細工程特征信息，進行加工中（zhōng）心（xīn）運動（dòng）學（xué）與動力學方麵的實時分析; 還可以（yǐ）使用FEA 方法，對機床各個（gè）零部件（jiàn）的物理、機械性能進行定性和定量判斷。另外，五軸加工中心的設計與製造者，也可以（yǐ）把加（jiā）工中心總體布局幾何模（mó）型（xíng），提供給該類機床的（de）終端用戶，以方便其在機床使用過程中各個具（jù）體的數控程序的後置驗證工（gōng）作。