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第一章：认识多轴数控机床
思维导图：
一、多轴数控机床
11、 多轴数控机床(Multi-axis CNC machine tool)
1) 多轴数控机床是一种具有多个坐标轴的数控机床，能够对工件进行多方向、多角度的切削加工。这些坐标轴可以是直线的或旋转的，使得机床能够在复杂的空间范围内进行加工操作。
2) 多轴数控机床的主要优点在于其能够实现复杂零件的自动化加工，提高加工精度和效率，减少人工干预，降低生产成本。此外，多轴数控机床还具有很高的灵活性，可以应对各种不同类型的加工需求。
3) 多轴数控机床的应用范围非常广泛，包括航空航天、汽车制造、医疗器械、模具制造、电子设备等领域。它们可以加工各种复杂的零件，如曲面、异形件、精密零件等。根据坐标轴的数量，多轴数控机床可以分为三轴、四轴、五轴等不同类型。五轴数控机床是目前最先进的多轴数控机床，具有五个坐标轴，可以实现复杂空间范围内的加工操作
4) 多轴数控加工机床是指4轴以上的数控加工机床，加工时能同时控制4个以上坐标轴的联动，对刀具和工件的相对位置来说，多轴数控加工中心可以设置6个轴，即作直线运动的X、Y、Z 轴，还有控制工作台倾斜角度的A、B 轴和控制主轴回转角度的C 轴。使用回转刀具时，由Z 轴控制回转的主轴作直线运动，就成为5轴控制，只有使用回转刀具时可作6轴控制，加工时将数控铣、数控镗、数控钻等功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对加工面进行铣、镗、钻等多工序加工，有效地避免了由于多次安装造成的定位误差，能缩短生产周期，提高加工精度。多轴数控机床是指一台机床上除了具有X、Y、Z三个移动坐标轴外，至少还有1一2个旋转坐标轴，即4轴以上的数控机床。见1-1图 [二维码1-1多轴数控机床]
图1-1：多轴数控机床及加工产品
22、 五轴数控机床(Five-axis CNC machine tool)
1) 五轴数控机床是一种具有五个坐标轴的数控机床，能够对工件进行五个方向的切削加工。这五个坐标轴通常包括三个直线轴（X、Y、Z）和两个旋转轴（A、B或C）。这种机床的设计使得刀具可以以几乎任何角度接近工件，从而实现在复杂的空间范围内加工零件。
2） 五轴数控机床的主要优点在于其能够实现复杂零件的高效加工，提高加工精度和效率，减少人工干预，降低生产成本。此外，五轴数控机床还具有很高的灵活性，可以应对各种不同类型的加工需求。[二维码1-1五轴数控机床]
3） 五轴数控机床的应用范围非常广泛，包括航空航天、汽车制造、医疗器械、模具制造、电子设备等领域。它们可以加工各种复杂的零件，如曲面、异形件、精密零件等。五轴数控机床尤其适用于加工具有复杂几何形状的零件，可以有效减少加工时间、提高生产效率
常见五轴数控机床见图1-2 五轴机床，见图1-3 五轴加工中心的标杆德国HERML哈默五轴。
a) 常见立式五轴加工中心 b)立式摇篮式五轴加工中心结构图 图1-2五轴数控机床
图1-3五轴加工中心的标杆德国HERML哈默五轴
33、 车铣复合机床（Turning-Milling-Compound-MachiningCenter简称TMC机床）
车铣复合机床是一种集成了车削、铣削、钻孔、攻丝等多种加工功能于一体的多功能数控机床。这种机床可以在一次装夹过程中完成零件的多种加工操作，大大提高了加工效率和精度。
车铣复合机床的主要优点如下：
1）高效：通过集成多种加工功能，减少了工件的多次装夹和搬运，缩短了加工时间，提高了生产效率。
2）高精度：一次装夹即可完成多种加工操作，减少了由于多次装夹引起的定位误差，提高了加工精度。
3）灵活性：可加工各种形状复杂的零件，如曲面、异形件、精密零件等，适用于多种行业和领域。
4）节省空间：与分别购买车床、铣床等设备相比，车铣复合机床更加节省工厂空间，降低了设备投资成本。
5）降低操作难度：操作人员只需熟悉一台设备的操作，降低了培训和操作难度。
车铣复合机床广泛应用于机械制造、航空航天、汽车制造、医疗器械、模具制造、电子设备等领域，可以加工各种复杂的零件，如轴类、盘类、壳体类等。[二维码1-3车铣复合机床]见图1-4 常见车铣复合机床， 图1-5 车铣复合机床的轴组合。
a）车铣复合机床的结构 b)车铣复合机床
图1-4：常见车铣复合机床
图1-5 卧式车铣复合机床的轴组合。
44、多轴复合机床专用机床(Multi-axis compound machine tool special machine tool)。
多轴复合机床专用机床是一种具有多个坐标轴并集成了多种加工功能的专用数控机床。这种机床通常是为了满足特定零件加工需求而设计制造的，具有很高的针对性和专业性。
多轴复合机床专用机床的主要优点如下：
1） 高效：通过集成多种加工功能和采用多轴控制技术，减少了工件的多次装夹和搬运，缩短了加工时间，提高了生产效率。
2）高精度：一次装夹即可完成多种加工操作，减少了由于多次装夹引起的定位误差，提高了加工精度。
3）高专业性：针对特定零件的加工需求进行设计，具有很高的专业性和针对性，能够满足特殊零件的加工要求。
4）节省空间：与分别购买多种设备相比，多轴复合机床专用机床更加节省工厂空间，降低了设备投资成本。
5）降低操作难度：操作人员只需熟悉一台设备的操作，降低了培训和操作难度。
多轴复合机床专用机床广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车制造、医疗器械、模具制造、电子设备等。它们可以加工各种复杂的零件，如曲面、异形件、精密零件等。这些机床的设计和制造需要充分考虑零件的加工特点和工艺要求，以实现高效的自动化加工。[二维码1-3多轴复合专用机床] 多轴复合机床专用机床见图1-6 多功能多轴复合数控机床，见表1 多功能多轴复合数控机床分类。
a）德玛吉激光增材及五轴铣削复合机 b）内部激光增材及五轴摇篮铣削
图1-6 激光增材铣削多轴数控机床
a）德玛吉激光增材及五轴车削复合机 b）内部激光增材及五轴车削
图1-7 激光增材车削多轴数控机床
a）德玛吉激光增材及五轴车削复合 b）内部激光增材及五轴车削
图1-8 激光增材车削多轴数控机床
表1 多功能多轴复合数控机床分类
多轴数控机床分类 | |||
序号 | 加工工艺类型 | 控制轴数 | 结构型式 |
1 | 车削类 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
2 | 铣削类 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
3 | 磨削类 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
4 | 车铣复合类 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
5 | 车磨复合类 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
6 | 单元复合多轴机床 | 3轴以上 | 立式、卧式 |
55、混联多轴轴机器人系统（Hybrid Multi-Axis Robotic System）
混联多轴轴机器人系统是一种结合了串联机器人（串联关节机器人）和并联机器人（平行关节机器人）特性的机器人系统。在这种系统中，机器人关节既可以像串联机器人一样连续运动，又可以像并联机器人一样在一定范围内进行固定操作。通过这种方式，混联多轴轴机器人系统可以实现高精度、高速度、高稳定性和高灵活性的运动控制。
混联多轴轴机器人系统的主要优点如下：
1）高精度：混联结构可以充分利用串联机器人的高精度特性和并联机器人的稳定性，实现高精度的运动控制。
2）高速：通过优化设计，混联多轴轴机器人系统可以实现高速运动，提高生产效率。
3）高稳定性：混联结构可以提高机器人的稳定性，降低振动和误差，提高系统的可靠性。
4）高灵活性：混联多轴轴机器人系统可以根据不同的应用需求调整关节配置和运动模式，具有很高的灵活性。
混联多轴轴机器人系统广泛应用于各个领域，如工业制造、自动化物流、医疗设备、科学研究等。它们可以实现各种复杂的操作任务，如装配、搬运、焊接、切割、喷涂等。随着技术的发展，混联多轴轴机器人系统将为各领域带来更多创新和便利。见图1-9 天津大学研发的混联多轴轴机器人系统
图1-9 天津大学研发的混联多轴轴机器人系统
二、五轴加工的结构
五轴加工通常采用五轴联动数控机床来实现，这种机床具有五个坐标轴，包括三个直线轴（X、Y、Z）和两个旋转轴（A、B或C）。五轴加工的结构主要由以下几个部分组成：
1) 机床主体：机床主体是五轴加工机床的基础，通常由床身、立柱、滑座、工作台等组成。这些部件采用高强度铸铁或钢材制造，具有很高的刚性和稳定性。
2) 直线轴：直线轴负责在三个垂直和水平方向上的移动。通常，X轴负责左右移动，Y轴负责前后移动，Z轴负责上下移动。这三个直线轴可以实现工件在平面上的二维运动。
3) 旋转轴：旋转轴负责在两个垂直于直线轴的方向上的旋转运动。通常，A轴负责绕X轴旋转，B轴负责绕Y轴旋转，C轴负责绕Z轴旋转。这两个旋转轴可以使工件在空间中实现三维旋转。
4) 刀具系统：刀具是五轴加工中的重要组成部分，它负责对工件进行切削加工。刀具可以根据加工需求选择不同的类型和规格，如铣刀、钻头、铰刀等。
5) 控制系统：控制系统是五轴加工机床的核心，负责控制各个坐标轴的运动。通常采用数控系统（CNC），可以对机床进行精确控制，实现复杂的空间轨迹控制。
6) 操作界面：操作界面是人机交互的部分，提供给操作人员进行参数设置、程序输入、状态监控等功能。
7) 辅助设备：辅助设备包括润滑系统、冷却系统、排屑系统等，用于保证机床的正常运行和提高加工效果。
五轴加工机床的结构设计可以根据具体的应用需求和工艺要求进行调整，以实现最佳的加工效果。
2五轴加工（5 Axis Machining），顾名思义，数控机床加工的一种模式。根据ISO的规定，在描述数控机床的运动时，采用右手直角坐标系；其中平行于主轴的坐标轴定义为z轴，绕x、y、z轴的旋转坐标分别为A、B、C。各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。通常五轴联动是指X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动。五轴加工所采用的机床通常称为五轴机床或五轴加工中心。见图1-107：三轴XYZ及旋转轴A/B/C轴的定义. 图1-11：常见立式五轴加工中心结构.
图1-10：三轴XYZ及旋转轴A/B/C轴的定义
图1-11 立式五轴加工中心结构图
32、 五轴联动加工中心目前的整体结构划分两大类。一是立式五轴加工中心，二是卧式五轴加工中心，图1-12 五轴加工中心轴组合型式说明-立式 ，图1-13 五轴加工中心轴组合型式说明-卧式。1)[二维码1-4 五轴加工中心的结构]
图1-12 常见立式五轴加工中心结构
图1-13五轴加工中心轴组合型式说明-卧式
3、三轴、四轴、五轴铣削加工中心的区别
11) 三轴、四轴、五轴铣削加工中心是经常遇到的数控机床，其分别是指具有三个、四个和五个坐标轴的数控机床，主要用于铣削加工。对于其结构进行分析对比，见图1-14 3/4/5轴结构区别。
2） 三轴铣削加工中心：三轴铣削加工中心具有三个坐标轴，通常为X、Y、Z轴。这三个轴可以实现工件在平面上的二维运动和在空间中的三维造型。三轴铣削加工中心适用于加工平面、曲面和简单的三维零件，具有结构简单、操作方便、应用广泛的优点。
3） 四轴铣削加工中心：四轴铣削加工中心在三轴的基础上增加了一个旋转轴，通常为A、B或C轴。这个旋转轴可以使工件在空间中实现三维旋转，从而提高加工的灵活性和精度。四轴铣削加工中心适用于加工具有复杂曲面和形状的零件，如叶轮、模具等。
4） 五轴铣削加工中心：五轴铣削加工中心具有五个坐标轴，包括三个直线轴（X、Y、Z）和两个旋转轴（A、B或C）。这种机床的设计使得刀具可以以几乎任何角度接近工件，从而实现在复杂的空间范围内加工零件。五轴铣削加工中心适用于加工具有复杂几何形状的零件，可以有效减少加工时间、提高生产效率。
5） 五轴加工中心的主要优点如下：
aa) 加工精度：五轴加工可以减小刀具切削时的倾斜角，降低切削力，提高加工精度
bb) 提高加工效率：五轴加工可以实现一次装夹完成全部加工，减少换刀次数，提高加工效率。
cc) 加工复杂零件：五轴加工可以加工具有复杂几何形状的零件，如曲面、异形件、精密零件等。
dd) 减少夹具数量：五轴加工可以实现一次装夹完成全部加工，减少夹具数量，降低生产成本。
ee) 五轴铣削加工中心广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械、模具制造、电子设备等领域。随着技术的发展，五轴铣削加工中心将为各领域带来更多创新和便利。
图1-14：3/4/5轴的应用区别
三、车铣复合加工中心结构介绍
1. 车铣复合加工中心结构
车铣复合加工中心是一种集车削、铣削、钻孔、攻丝等多种加工功能于一体的数控机床。其结构主要包括以下几个部分：
1)机床主体：机床主体是车铣复合加工中心的基础，通常采用高刚性、高稳定性的铸铁结构，以保证机床在加工过程中的精度和稳定性。机床主体包括床身、立柱、滑鞍、工作台等主要部件。
2)主轴系统：主轴系统是车铣复合加工中心的核心部分，负责安装和驱动刀具进行切削加工。主轴系统通常包括主轴电机、主轴轴承、主轴编码器等部件。主轴的转速、扭矩和精度直接影响到加工中心的加工性能和加工质量。
3)伺服驱动系统：伺服驱动系统是车铣复合加工中心的动力来源，负责驱动刀具和工件进行相对运动。伺服驱动系统通常包括伺服电机、伺服放大器、位置编码器等部件。伺服驱动系统的性能直接影响到加工中心的加工速度、精度和稳定性。
4)数控系统：数控系统是车铣复合加工中心的控制核心，负责对加工过程进行控制和管理。数控系统通常包括数控装置、操作面板、显示器等部件。数控系统的性能和功能直接影响到加工中心的操作便利性、加工效率和加工质量。
5)刀具和附件：车铣复合加工中心可以根据加工需求选择不同的刀具和附件，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。此外，还可以选择自动换刀装置、刀库、第四轴、第五轴等附件，以实现更高效的加工和更复杂的工艺要求。
6)冷却系统：冷却系统用于降低刀具和工件的温度，以提高加工效率和加工质量。冷却系统通常包括冷却泵、冷却喷嘴、冷却液箱等部件。
7)润滑系统：润滑系统用于对机床的导轨、丝杠、轴承等运动部件进行润滑，以降低摩擦阻力，提高加工精度和延长机床使用寿命。润滑系统通常包括油泵、油箱、油管、润滑喷嘴等部件。
8)排屑系统：排屑系统用于收集和处理加工过程中产生的切屑，以保持机床工作环境的清洁和安全。排屑系统通常包括排屑器、切屑输送带、切屑收集箱等部件。
2.立式车铣复合机床结构
立式车铣复合机床使零件绕垂直轴旋转。与卧式多任务机床相比，可加工零件的直径通常更大，并且不需要通过辅助支架、尾座或副主轴进行支撑。这类机床从5轴加工中心进化而成，通过提高C轴的旋转能力 (车削转台) 以及利用主轴定向锁止功能实现了车削应用。将所有工序结合在一台机床上，通过5轴加工能力，因此减少了零件装夹次数。见图1-25 立式车铣复合机床结构图， 见图1-26 常见立式车削复合机床。
a）立式车铣复合结构图 b）立式车铣复合结构图
图1-25 立式车铣复合机床结构图
a）常见车铣复合机 b）德国哈默车铣复合机
图1-26 常见立式车削复合机床
33、 卧式车铣复合机床结构
卧式车铣复合机床是在车床的基础上设计而成。零件绕水平轴旋转，车削和旋转刀具由上方的B轴夹持。通常，零件需要大量的绕对称中心的加工工序。零件的加工范围可以从长度只有几毫米到长度为3 m，直径为600 mm。将所有工序结合到一台机床中是该机床类型的主要优势，因此减少了零件装夹的次数。此外，使用该机床的原因通常还包括其5轴加工能力。其结构 见图1-27 卧式车铣复合机床结构；见图1-28卧式车铣复合结构分解图 ；见图1-29 德国五轴车铣复合标杆机。[二维码1-7车铣复合机床结构]
a）车铣复合机结构图 b)车铣复合机裸机图
图1-27 卧式车铣复合机床结构
图1-28 卧式车铣复合结构分解图
图1-29 德国五轴车铣复合标杆机
四、多轴车铣复合机床分类[二维码1-8多轴车铣复合机床分类]
1.根据结构、功能和应用领域等特点，可以分为以下几类：
1)立式车铣复合机：立式车铣复合机的主轴垂直设置，适用于加工直径较小、高度较高的零件。这类机床具有结构紧凑、占地面积小、加工范围广等特点，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、模具等领域。见图1-30 立式车铣复合机
图1-30 立式车铣复合机
2）卧式车铣复合机：卧式车铣复合机的主轴水平设置，适用于加工直径较大、长度较短的零件。这类机床具有结构稳定、承载能力强、加工效率高等特点，广泛应用于机械制造、船舶、轨道交通、能源等领域。见图1-31 卧式车铣复合机
图1-31 卧式车铣复合机
3) 车铣龙门加工中心：车铣龙门加工中心是一种大型、高性能的车铣复合机，通常用于加工大型、重型零件。这类机床具有结构牢固、刚性好、加工精度高等特点，广泛应用于大型机械制造、风电、冶金、矿山等领域。见图1-32 龙门式车铣复合机
图1-32 龙门式车铣复合机
4）车铣加工中心：车铣加工中心是一种集车削、铣削、钻孔、攻丝等功能于一体的数控机床，适用于加工各种复杂零件。这类机床具有加工效率高、加工质量好、操作简便等特点，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、模具等领域。见图1-33车铣加工中心
见图1-33车铣加工中心
5）五轴车铣复合机：五轴车铣复合机是一种具有五个自由度的车铣复合机，可以实现零件的五面体加工。这类机床具有加工范围广、加工精度高、加工效率高等特点，广泛应用于航空航天、汽车、模具等领域。见图1-34 五轴车铣复合机
图1-34 五轴车铣复合机
6）特种车铣复合机：特种车铣复合机是指针对特定行业和加工需求设计的车铣复合机，如专用的曲轴车铣复合机、轧辊车铣复合机等。这类机床具有针对性强、加工效率高、加工质量好等特点，广泛应用于特定行业的加工领域。见图1-35 特种车铣复合机
图1-35 特种车铣复合机
五、多轴数控加工机床的应用[二维码1-9多轴数控加工机床的应用]
多轴数控加工技术是指采用具有多个坐标轴联动的数控机床，对零件进行连续、自动化的切削加工。多轴数控加工技术具有加工精度高、加工效率快、加工范围广等优点，广泛应用于各个领域的机械加工。以下是多轴数控加工技术的一些典型应用：
1.航空航天领域：多轴数控加工技术在航空航天领域得到广泛应用，用于加工飞机发动机的叶片、涡轮盘、轴类零件、航空结构件等复杂零件。通过五轴联动加工，可以实现零件的曲面加工和复杂形状加工，提高零件的表面质量和尺寸精度。常见应用产品见图1-36 航空航天领域零部件。
图1-36 航空航天领域零部件
2.汽车制造领域：多轴数控加工技术在汽车制造领域也有广泛应用，用于加工汽车发动机、变速器、底盘等关键零部件。通过多轴联动加工，可以实现零件的高效、高精度加工，提高汽车的整体性能和可靠性。见常见应用产品见图1-37 汽车制造领域-1；图1-38 汽车制造领域-2；图1-39 汽车制造领域-3。
图1-37 汽车制造领域-1
图1-38 汽车制造领域-2
图1-39 汽车制造领域-3；
3.医疗器械领域：多轴数控加工技术在医疗器械领域主要用于加工医疗设备、手术工具、植入物等精密零件。通过多轴联动加工，可以实现零件的复杂形状加工和高精度加工，提高医疗设备的性能和可靠性。常见应用产品见图1-40医疗器械领域零部件。
图1-40医疗器械领域零部件
4.精密数控刀具：刀具是机械工程的工业牙齿，三份技术，七分刀具，刀具的性能直接涉及到加工的精度，因此把先进刀具的制造作为重中之重不为过。数控刀具是数控机床进行切削加工的关键部分，对于加工精度、加工效率和加工质量具有重要意义。数控刀具的重要性主要体现在以下几个方面：
1)提高加工精度：数控刀具具有高精度、高刚性和高耐磨性等特点，能够保证在数控机床高速、高精度的切削加工过程中，实现精确的尺寸控制和良好的表面质量。
2)提高加工效率：数控刀具采用先进的涂层技术和刀片形状设计，可以提高切削速度和进给速度，从而缩短加工时间，提高生产效率。此外，数控刀具还可以通过更换刀片或刀具的方式，实现不同加工需求的快速切换，进一步提高加工效率。
3)提高加工质量：数控刀具采用优质的材料和先进的制造工艺，具有高耐磨性、高抗冲击性和高稳定性等特点，能够在复杂的加工条件下，保证稳定的加工质量和加工效率。
4)减少加工成本：数控刀具可以通过提高加工效率和加工质量，降低生产过程中的废品率和返工率，从而降低加工成本。此外，数控刀具的可更换刀片设计，也使得刀具的维护和更换更加方便，降低了刀具的使用成本。
5)实现复杂形状加工：数控刀具可以根据加工需求，选择不同的刀片形状和切削方式，实现复杂形状零件的加工。例如，可以采用球头刀具进行曲面加工，采用成型刀具进行复杂形状加工等。
6)加工的刀具种类很多，常见应用刀具见图1-41 精密数控刀具-1；图1-42 精密数控刀具-2。
见图1-41 精密数控刀具；
图1-42 精密数控刀具-2
5.模具制造领域：多轴数控加工技术在工模具制造领域也有广泛应用，用于加工冲压模、注塑模、压铸模等各种模具。通过多轴联动加工，可以实现模具的复杂形状加工和高精度加工，提高模具的使用寿命和产品质量。典型应用产品见图1-43 模具制造领域。
见图1-43 模具制造领域
6.矿山机械领域：直接用于矿物开采和富选等作业的机械。包括 采矿机械 和 选矿机械 。探矿机械 的工作 原理 和结构与开采同类矿物所用的采矿机械大多相同或相似，广义上说，探矿机械也属于矿山机械。另外，矿山作业中还应用大量的 起重机 、 输送机 、 通风机 和排水机械等。常见应用产品见图1-44 矿山机械零部件。
图1-44 矿山机械零部件
7.装备能源领域：多轴数控加工技术在能源装备领域主要用于加工风力发电机、水电站、火电站等能源设备的关键零部件。通过多轴联动加工，可以实现零件的高效、高精度加工，提高能源设备的性能和可靠性。常见应用产品见图1-45 装备能源领域。
图1-45 装备能源领域；
总之，多轴数控加工技术在各个领域的机械加工中都得到了广泛应用，为提高零件的加工精度、加工效率和加工质量提供了有力保障。随着数控机床技术和控制技术的不断发展，多轴数控加工技术的应用领域将进一步拓宽。
