数控机床作为装备制造业的“工业母机”，是促进国家工业强力发展及加快建设制造强国的重要战略性装备，代表机床制造业最高水平的五轴联动数控机床系统，更是衡量一个国家复杂精密零件制造能力技术水平和国家生产设备自动化技术水平的重要标准。随着工业的发展，五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、军事、机密器械、高精医疗设备等领域加工制造关键部件最重要的高精密加工设备。作为难度大、应用广，集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体的数控机床技术，五轴联动数控机床与传统三轴数控机床相比，有着无可替代的优点：
1)五轴联动数控机床可以加工三轴数控机床无法加工的复杂形状工件，加工过程可有效避免刀具干涉。例如，加工航空航天应用领域的叶轮、叶片和整体叶盘等零件时，五轴机床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，避免了专用刀具的产生。
2)相比于三轴数控机床，五轴联动数控机床可以减少装夹次数、基准转换并减少夹具的使用数量，显著提高加工效率和加工精度。
3)五轴联动数控机床具有高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力，能够很好地解决航空航天、汽车等领域新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，从而大大缩短研发周期，提高新产品的成功率。目前，五轴联动数控机床已成为各国高档数控机床工业发展的热点和重点。
一、五轴联动数控机床的基本结构
目前的五轴联动数控机床大多是“3+2”结构，即 X、Y、Z三个直线运动轴加上分别绕 X、Y、Z轴旋转的 A、B、C 三个旋转轴中的两个组成。因此，从大方向分类，五轴联动数控机床有X、Y、Z、A、B;X、Y、Z、A、C;X、Y、Z、B、C 三种形式。根据两个不同旋转轴的组合形式进行划分，五轴联动数控机床主要有双转台式、转台加摆头式和双摆头式三种形式。
双转台结构的五轴联动数控机床
该五轴联动机床的转台结构为 A 轴 +C 轴的双转台结构。设置在床身上的工作台可以围绕 X 轴回转，定义为 A 轴，A 轴的工作范围一般为 30°~120°。设置在工作台中间的回转台可以绕Z 轴旋转，定义为 C 轴，C 轴可进行 360° 回转。因此，通过 A 轴与 C 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以用立式主轴进行加工。
转台加摆头结构的五轴联动数控机床
A 轴、B 轴或 C 轴都可以成为该机床的转台和摆头，因此，转台加摆头结构的五轴联动机床可以实现不同的组合，以适应不同的加工对象。这种设置方式的优点是机床主轴可以实现灵活加工，并且通过将机床的工作台变大，可以实现大型复杂工件的加工。
双摆头结构的五轴联动数控机床
该结构的摆头带有松拉刀结构的电主轴，因此双摆头自身的尺寸不宜过小，一般在400 mm~500 mm，加上双摆头活动范围的需要，双摆头结构的五轴联动机床的加工范围较大，一般为龙门式或动梁龙门式，龙门的宽度一般在2 000 mm~3 000 mm之间。目前较先进的双摆头式五轴联动机床的摆头结构一般采用“零传动”技术的扭矩电动机，“零传动”技术在旋转轴中的应用是解决其传动链刚性和精度问题的主要技术路线。
二、五轴联动数控机床的国内外研究现状
五轴联动数控机床国外研究现状
当前，五轴联动数控机床的国外研究主要以欧美发达国家、日本为代表，这些国家代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。随着技术进步和社会对高档数控机床要求的不断提高，国外著名五轴数控机床大型制造公司的数控技术正在向高速度、高精度、智能化、复合化、高可靠性和绿色化的方向发展。
德国西口技术(SycoTec)将 4015 DC-R-HSK63 高速精密电主轴应用到五轴数控机床加工中心，使得机床的加工范围从原来的 0~24 000 r/min 扩展到 0~100 000 r/min 的五轴超高转速精密加工，并且机床采用标准的 HSK-63 刀柄，实现了标准快速、无摩擦更换刀具，缩短了机床停止时间，提高了生产产量和效率，拓宽了机床的加工范围。兹默曼(Zimmermann)公司设计的五轴联动式数控机床配备 M3 ABC 配弧形导轨的高端三轴铣头，B 坐标多出一个，即内含 A、B、C 三个不同回转的坐标头，该五轴联动式数控机床具有刚性优良的特点，且结构相对紧凑，因内设 A、B、C 三个不同的坐标头，增加了偏转范围，致使 C 轴的转动过程不受限制，提高了五轴联动数控机床加工作业期间的精度。
法国索玛(SOMAB)公司制造的DIAM五轴加工中心复合化功能强大，一次装夹，可实现车、铣、镗、钻、车铣、齿轮加工、曲轴加工、在线检测等复合化工作，大大提升机床加工效率和加工精度。
美国赫克(Hurco)公司制造的偏摆主轴式 i 系列五轴加工中心，采用整体式电主轴，并配置高精度陶瓷轴承，加工工作台可无角度限制地连续旋转，减少节拍时间，可以最大限度地进行刀具进给，在复杂零件轮廓加工方面具有超强的性能。哈斯(Haas)制造的VF-6TR多功能五轴数控加工中心能够提供完全同步的五轴运动，并可将工件定位到几乎任何角度进行加工，提高了加工的灵活性。
日本安田工业株式会社(YASDA)出厂的 YASDA YBM Vi40超精密五轴数控机床采用一体化桥式结构的刚性机身，在模具制造领域实现了高精度加工及高表面品质。山崎马扎克株式会社(Mazak)研制的多功能五轴联动加工中心 VARIAXIS i 系列，一次装夹就能完成大型、重型零部件的复杂弯曲表面加工，该系列设备应用了 Done-in-One 理念，能在一台设备上完成从原料到终产品的所有加工。大大缩短加工时间，提升了加工精度。
韩国现代威亚(HYUNDAI WIA)展出的高速、高精度五轴立式加工中心 XF6300，具有高级模具产品和高精密加工特性，该机采用高性能内置式15 000 r/min 主轴，可以使传递给轴的震动最小化，通过配合高精密多样化主轴，可实现微米级高精密加工。
意大利菲迪亚(FIDIA)推出了五轴高速铣削立式加工中心，高速主轴可达24 000 r/min，AC五轴摆动头，主要应用于汽车保险杠、车灯、内饰模具、塑胶模具等的高速五轴铣削加工。
五轴联动数控机床国内研究现状
虽然近些年我国数控技术发展较快，在一些先进领域取得了长足的进步，但由于我国工业基础相对薄弱、数控机床产业化时间短等原因，在技术上和产业上与发达国家相比还存在一定差距，尤其是高端五轴联动数控机床，相比于国际先进水平差距更大。具体体现在五轴数控机床高档数控系统、关键功能部件还不能自主研发，与国外先进的五轴联动数控机床相比，在可靠性、效率、精度保持性和智能化方面差异较大。但是在国家政策的大力支持和企业、高校的共同努力下，尤其是在《中国制造 2025》制造强国战略将高端数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战略必争领域之一后，我国高档数控机床的研发迎来重大发展机遇，五轴联动数控机床实现了由研发试制向定型量产的快速转型，技术方面有了很大的进步，逐渐形成了我国自己的成熟数控机床产品。
武汉华中数控股份有限公司经过攻关，已掌握了五轴联动的许多关键技术，研制了拥有自主知识产权的五轴数控系统。其中，华中数控开发的8型五轴数控系统装置软硬件体系结构采用的是开放式、全数字、总线式数控系统体系结构，在总线拓扑结构方面，采用环形或线形结构，连接具有标准总线接口的伺服驱动、I/O单元或数据采集模块，使得五轴系统与不同的转台数控机床灵活地组合在一起，大大提高了加工效率。目前，华中8型五轴数控系统已应用在 AC摆头五轴龙门加工中心、BC摆头五轴立式加工中心、动梁龙门式五轴加工中心等五轴高档数控机床。
科德数控股份有限公司高度重视技术研发，坚持核心、自主、可控的发展战略，承担国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”研发，其研发的 KMC800SU 五轴联动立式加工中心产品更是入选 “军工领域国产高档数控机床供应目录”。该机床床身使用矿物铸石材料浇铸，有着极佳的抑振性和抗热变形能力，采用主轴移动模式，具备高达 48 m/min、0.7 g的性能指标，相比于传统机型，具有更高的材料去除率、更小的干涉、更强的切削刚度、更高的速度和精度。此外，科德数控最新研制的双五轴立式加工中心DMC50，采用先进的模块化设计理念，在铣削、钻孔、攻丝等功能的基础上，还可集成车削模块、超声加工模块、磨削模块等复合化功能。一次装夹即可完成多工序、多任务加工，保证精密零件的较高加工精度和加工效率。机床可搭配机械手加料仓实现单机自动化，同时，因机床结构紧凑，宽度尺寸小，有利于多机组线，能够有效节省占地空间。该机床特别适合航空航天、刀具工具、精密模具、医疗器械、新能源汽车与半导体等行业的零件高效、高精度加工。
沈阳机床作为中国老牌机床制造骨干企业，拥有着丰富的机床制造经验和雄厚的研发实力，早在 2010 年，沈阳机床就展出了用于钛合金航空结构件加工的VMC25100u型立式五轴联动加工中心和铣头可自动交换的 GMC1230u 高速龙门五轴加工中心，打破了国外对该机床相似产品的垄断，是当时我国五轴联动数控机床产业的一项重大突破。沈阳机床充分发挥自身优势，于 2020 年研制的国内首台高铁行业专用的高速五轴加工中心成功上线，该机床针对高铁行业典型零件加工需求，攻克了大型机床的整机轻量化技术、超长行程床身精度保障技术、X 轴超高速快速移动技术、整机高精度加工技术、变形补偿加工技术等关键技术，大大提升了我国高端数控机床自主创新能力。
济南二机床展出了自主研发的 XHSV2525A×40 高架式五轴联动高速镗铣加工中心，加工中心核心功能部件应用了 JIER 自主知识产权的 AC 轴双摆角数控铣头，具有高精度、高效率和高可靠性特点，能够满足国内航空航天领域大型薄壁类结构件、汽车模具行业大型复杂曲面等不同加工工艺的高难度需求。
北京机床研究所在第十七届中国国际机床展览会上展出了μ1000/5ST-400V精密立式五轴加工中心，可对多种加工材料进行加工，一次装夹即可完成铣、镗、铰、攻丝和轮廓的粗、精加工并可实现五面加工，具有高效率、高精度、高可靠性，适用于国家重点领域复杂精密结构件的加工及精密零件的高效加工。
上海交通大学和上海电机学院合作研发了大型龙门式五轴联动加工中心，其中，五轴联动数控系统和摆动轴关键部件实现了自主研发，该加工中心主要用于船用螺旋桨复杂曲面精密加工的五轴联动高效路径规划及其工艺优化，实现了大型五轴联动数控装备在螺旋桨加工等领域的应用。上海交通大学还与拓璞数控等单位合作，首次研制出了航空航天大型曲面蒙皮 / 箱底的双五轴镜像铣削技术与装备，实现了高端工业母机在高精度、大范围和多坐标等关键指标方面的提升，带动了大型高精度机床、双五轴联动同步、加工过程质量闭环等共性技术的突破，解决了飞机和火箭超大超薄柔性曲面的精密加工难题，可应用于我国航空航天重点企业，支撑起我国大飞机及运载火箭等型号的研制与批产。
清华大学(机械系)-科德数控技术联合研发中心共同负责的“航天复杂构件国产五轴高效精密加工成套工艺与制造系统”项目，针对航天复杂构件的高效精密加工开展了五轴加工中心标定技术、在线测量技术的研究，提高了国产机床的精度保持性;针对传统数控加工“连续 - 离散 - 连续”造成的信息丢失，进行了CAM 刀具路径规划、NURBS 曲线直接插补、五轴联动全局时间最优速度控制技术研究，提高了加工精度和效率。
南京航空航天大学、电子科技大学等多所高校在国家科技重大专项等项目支持下，持续十余年合作攻关，研发了五轴联动数控机床 S 形试件检测方法，突破了基于S形试件的五轴数控机床精度优化和复杂曲面零件加工工艺优化技术，保障了国家重点型号飞机的批产，推进了国产五轴联动数控机床的自主可控发展，实现了我国在机床精度检测领域“零”国际标准的突破。
三、五轴联动数控机床的发展趋势与未来展望
发展趋势
从上述国内外五轴联动数控机床的研究现状可以明显看出，如今五轴联动数控机床的发展趋势为：
1)高速化。随着机床技术的持续发展，五轴联动高速数控机床内部高速化进给机构、高速化电主轴等均有所突破，使得数控机床的主轴转速和进给量的范围变大。其中，直线型电机驱动主轴实际转速现已达到100 000 r/min，而进给运作部件的快速移动实际速度已达到120 m/min，机床系统切削进给速度已达到60 m/min，有效地减少了零件的加工时间和辅助时间，提高了生产效率。
2)精密化。五轴联动数控机床的加工精度非常高，随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已达到微米级。在加工高精度零件时，可以保证零件的尺寸精度和形状精度，避免了加工误差。
3)复合化。五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的，随着机床复合化技术的发展，出现了五轴车铣复合加工中心、镗铣钻复合加工中心、铣镗钻车复合加工中心等，可以同时进行多个加工操作，大大提升了加工效率。比如，在加工复杂零件时，可以同时进行铣削、钻孔、攻丝等操作，从而缩短零件加工周期。
4)智能化。随着人工智能、大数据、物联网等技术的发展，数控机床已快速向智能化方向发展，目前，数控机床加工过程已实现加工参数的智能优化与选择、加工过程的自适应控制、加工过程智能故障自诊断与自修复、加工过程智能故障回放和故障仿真、智能化交流伺服驱动装置等。
5)柔性化。五轴联动数控机床对复杂曲面等加工对象的变化有很强的适应能力，被加工工件经过一次装夹就可以实现多个曲面和多个角度的加工，避免了普通数控机床加工多次变换工种、工序间的转件以及划线等情况。目前，数控机床正朝着单元和系统柔性化的方向发展。
未来展望
综上，五轴联动数控机床目前已朝着高速化、高精度化、复合化、智能化、柔性化的方向快速发展。国外在五轴联动数控机床的设计制造方面已比较成熟，而我国由于工业基础相对薄弱、数控机床产业化时间短、基础共性技术短板突出、高端创新人才短缺等原因，在五轴联动数控机床技术和产业上与西方发达国家相比还存在一定差距。因此，国产高端数控机床要想尽快缩小与国际高端数控机床间的差距，解决困扰我国高端数控机床产业技术发展的工程难题，建议做到以下几点：
1)大力构建高端数控机床产业以企业为主体的产学研用协同创新体系，加快我国高端数控机床关键核心技术攻关，为强链补链提供技术支撑，不断提升我国五轴联动高端数控机床产业链自主可控能力。
2)国家研发部门要大大提高对高端数控机床装备制造领域基础共性技术研究的重视和投入，建设五轴联动高端数控机床国家重点实验室，完善共性技术创新体系。
3)大力培养我国的高端数控技术人才，以《中国制造 2025》的发布为契机，聚焦国家制造强国战略需求，动态调整优化高等教育学科设置，加强工程教育、科学教育，加强高端数控技术拔尖创新人才自主培养，为我国进一步加快攻克高端数控机床关键核心技术提供人才保障。
参考文献略.