當前，我國的製造業正在不（bú）斷地向高柔性、高精度、高（gāo）技術密集方向發展，作為高端製（zhì）造裝備的五軸加工中（zhōng）心，日漸（jiàn）成為（wéi）不少數控機床設計與製造企業（yè）新的研製、開發、推廣目標，也是未（wèi）來很長一段時間內，該類公司的新利潤增長點; 同時各類機（jī）械加工生產企業，對（duì）這類高端機床的需求（qiú）欲望也日益強烈。

      從機床設計、製造角度看，五軸加（jiā）工中心相對於普通三軸、四軸（zhóu）加工中心而言，其結構布局更加複雜，CNC 配置更加（jiā）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（pèi）則是總體設計階段首先（xiān）要解決好的問題。為此（cǐ），筆者研究了各類計算機輔（fǔ）助（zhù）設計( CAD) 平台和數控加（jiā）工驗證平台，提出了一（yī）種（zhǒng）融合兩方麵技術，實現五（wǔ）軸加工（gōng）中（zhōng）心高效率、高質量研發的方法。

      1 五軸加工中（zhōng）心（xīn）的特點及總體設計工作

      1. 1 五軸加工（gōng）中心類型

      所謂加工中（zhōng）心的五軸，是指3 個移動軸( X /Y /Z) 和兩個（gè）轉動軸( A /B /C 中任意兩個) 。不同轉動軸的組合方（fāng）式，就形（xíng）成了不同的五軸加工中心類型; 不同的類型，其（qí）總體性能特點和適用範圍也不相同。從兩個轉動軸（zhóu）所依附的機械本體而（ér）言，可以把五軸（zhóu）加工中心大致分為（wéi）3 種基本型: ( 1) 兩個（gè）轉動軸都由工作（zuò）台來完成;

      (2) 兩個轉（zhuǎn）動軸都由主軸來完成;

      (3) 混合方式———一個轉動軸由工作台完成，另（lìng）一個轉動由主軸來完成。進一步（bù）考慮A /B /C 以及主軸（zhóu）的（de）立、臥方式，可以細分出（chū）更多具體的配置方式。不同的配置（zhì）方式，各有不同的優缺點。

      考慮到第3 種類型———混合方式，具備第1、2 兩種類型（xíng）的一些共同特性: 高剛度和大行程，可以實現重載與高速數控加工。因此，本文（wén）以第3 種基（jī）本型———混合( 複合) 型，並結合立（lì）、臥兩類布局，詳（xiáng）細說明融合CAD 技術和數控加工後置驗（yàn）證技術，分析（xī）五軸（zhóu）加工中心總體設計的基本原理和方法。

      1．2 五軸加工中心總體布局（jú）CAD

      由於曆史沿襲和使用習慣原因，國內不同地域、不同企（qǐ）業使用的CAD 平台，各不相同。從低（dī）端專用產品設計軟件包到集大成的Catia 不（bú）等，但其中，計算機（jī）輔助產（chǎn）品開發（fā）的基本原理是相同的，即: 從市場需求中獲取產品工程特征要素，把這些工程要素，轉（zhuǎn）換成產品總體特征模型; 對該總體模型（xíng）進行可行性、可靠性、技術經濟性等（děng）初步評估( 也稱產（chǎn）品概念設（shè）計) ; 結合手工分析和（hé）各個層次的CAE 技術，包（bāo）括使用產品各個層級的數字樣機技術，進行產品各個次級零部件細化設計( CAD 過程中，特征信息不斷（duàn）地被傳遞、升級、完善) ，此細化過程中實質是融合DFX( Design for Manufacturing，Design for Assembly，Design for Dismantle…) 理念的並（bìng）行設計; 數字樣機被驗證無（wú）誤之後，便是物理樣機的試製、評估、量產、市場反饋、更新……不斷迭代（dài）升級而使產品（pǐn）持續地被完美化。顯而易見，這（zhè）一複雜過程中，產品的總體設計起（qǐ）著統領（lǐng）全局的關鍵作用。對於五軸加（jiā）工中心這類高端產品而言，更是如（rú）此。現以（yǐ）Inventor和Solidworks 兩個（gè）CAD 平台中，進行立、臥兩種混合型五軸加工中心總體布局設計為例，分析說明其中的關鍵問題。

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

      以Topdown 方式進（jìn）行布局設計時，設計平台的“組件”環境，類似於“產品開發（fā）部”。由於帶回轉工（gōng）作台的加（jiā）工中心，一般以轉台的邊長為主參數，整體加工中心就（jiù）以回轉工作台的幾何特征為驅動源———“回轉（zhuǎn）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“產品開（kāi）發部（bù）”頂層節（jiē）點就是“回轉工作台”( 參看圖3) ，並（bìng）由此（cǐ）逐（zhú）級展開且關聯式創建（jiàn）: 可以跟隨工（gōng）作台變化的加（jiā）工中心（xīn）總（zǒng）體布局特征模（mó）型。此過程不再贅述，讀者可以參看文獻［1］。 

      以BottomUp 方式進行（háng）加工中心裝配時，設計平台的“組件（jiàn）”環境，類似於（yú）“裝配車間”。在此“裝配車間”進行（háng）五軸加工中心組裝時，一（yī）個重（chóng）要問題就（jiù）是該數字樣機的“機床原點”與設計平（píng）台缺省（shěng）的坐標原點的一致性問題。一般情況下，五軸（zhóu）加工中心的“機床原點（diǎn）”是各個（gè）轉（zhuǎn）軸的交（jiāo）點，而X /Y /Z 方向必須符合右手直角笛卡爾（ěr）坐標係規範，由此可以建（jiàn）立機床坐標係。此坐標係應該與所用CAD 平台內缺省坐標係重（chóng）合。這一要求，必須在BottomUp 組（zǔ）裝中得到充分保證（zhèng）。需（xū）要注意的是: 不同CAD 平台往往缺（quē）省的坐標（biāo）係方位是（shì）不同的，如Solidworks 和Catia 同屬一個母公司，但兩者缺省坐（zuò）標係方位（wèi）完全不同。本文中，涉及到的Inventor和Solidworks 也是不同的: Inventor 缺省的（de）Z 是朝上（shàng）的( 圖1，與立式布局（jú）一致) ; Solidworks 缺（quē）省的（de）Z軸是水平的( 圖2，與臥式布局吻（wěn）合) 。

      在CAD 平台內完成的五軸加工中心總體布局，是（shì）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 協調一（yī）致（zhì）性如何? 目前，從低端到高端的CAD 平台內，是不能夠解答這些疑問的。在（zài）所設計的五軸加工中心物理（lǐ）樣機被製造出來之前，解決這些問題的可行性手段（duàn），便（biàn）是借助專業數控加工驗證平台，對疑問進行逐步排解。下（xià）麵以Vericut 軟件為例，針對五軸（zhóu）加工中（zhōng）心總（zǒng）體布局設計，具體說明處理（lǐ）這些問題的基（jī）本方法和關鍵措施。

      2 數（shù）控加工驗證所需的準備工作

      2. 1 根據機床用途選擇典型加（jiā）工零件

      圖1 和圖2 所示的混合（hé）型五軸加工中心，在複位狀態（tài）時，主軸分別處於豎直和水平姿態。顯然，圖1 展示的機床總體布局屬於（yú）立式數控機床（chuáng）範疇，圖（tú）2 則為臥式（shì）數（shù）控機床（chuáng）範疇。這兩種機床的主軸依附在（zài）擺（bǎi）動轉（zhuǎn）頭上，工作運動時，主軸可以分別實現（xiàn）水平和立式姿態; 使用（yòng）這類機床（chuáng）加工箱（xiāng）體類零件時，一次裝夾便可以完成，除底麵之外的其他各個表（biǎo）麵（miàn）上所有加（jiā）工要求。所以，筆者選擇2 個減速器下箱體作（zuò）為典型被加工零件，來進行五軸加工中心總體布局相（xiàng）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（sù）器的下箱體。完整的減速器上下（xià）合（hé）蓋（gài）加工（gōng）工藝規程設計，不屬（shǔ）於本研究、討論範圍（wéi），本文選擇其分體（tǐ）粗加工階段、使用五軸加（jiā）工中心，完成下箱（xiāng）體各個相關表麵的（de）預加工工序，以研究五軸加（jiā）工中心機械本體與由CNC 驅動（dòng）的運動之間，協調（diào）性與合理性方麵的問題。 

      2．2 完成典型零件（jiàn）的（de）數控程序

      從圖4 和圖5 可以看出，下箱體的預加（jiā）工階段，需要對頂麵、兩軸承蓋側麵以及注油口側麵( 含斜麵和垂麵) 上的孔係和平麵進（jìn）行初步加工。考慮到柔（róu）性製造的（de）發展趨勢，本例（lì）中，用組合夾具實現（xiàn）工件的裝夾要求。圖6 和圖7 分（fèn）別是兩個零件預加時，在（zài）立、臥五軸加工中心上（shàng）被裝夾後的狀態（tài）展示。計算機輔（fǔ）助數控編程( CAM) 時，可以連同夾具一起導入到（dào）CAM 平台，也可以單獨把下箱體( 預加工終了狀態特征（zhēng）結（jié）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（shì）加工中心後置（zhì）驗（yàn）證時的基（jī）礎（chǔ）信息。有關G 代碼解讀與修改等數控程序（xù）後置驗證問題，不（bú）是本（běn）文研（yán）究的重點（diǎn）內容。

      2．3 創建機床驗證模型樹及其模型

      首先在Vericut 中創建與立、臥五軸加工（gōng）中（zhōng）心各零部件結構拓（tuò）撲關係一致的模型（xíng）樹。在模型樹的相應節點，導入CAD 平台中已經完成的（de）各個零部件模（mó）型文件( 與此過（guò）程相關的細節，請參看文獻［1］) 。如圖8 和圖9 所示，分別是在Vericut 驗證平台中，立式和（hé）臥式五軸加工中心的驗（yàn）證模型樹和模型。

      2．4 把工裝信息和數控（kòng）程序導入驗證平台

      在模型樹的“Fixture”節點導（dǎo）入組合夾具模型文件; 在（zài）模型樹（shù）的“Stock”節點導入“本工（gōng）序前（qián）工件狀態”模型( 毛坯) 文（wén）件; 在模型樹的“Design節點導入“本工序終了工件狀態”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（de）無縫連接技術，進（jìn）行數據的傳遞。如圖10 所示，分別是Catia /CAM( 左) 和SiemensNX/CAM( 右) 平台下激活（huó）Vericut 對話框。與此（cǐ）相關的一些具體方法，讀者還可以（yǐ）參看文獻［1］。 

      3 五軸加工中心的加工運行驗證及改進案例

      3．1 為驗證模（mó）型設定CNC 型號

      在模型樹的Control 節點，根據機床製造企業實際（jì）為五軸（zhóu）加工中心配置的CNC 型（xíng）號，從Vericut 控（kòng）製（zhì）器數據庫中選擇相應的“* ． ctl”文件進行（háng）加載。參看圖8 和（hé）圖（tú）9 左上角線框部分，本次研究中，選擇的是Fanuc15M 控製器。

      3．2 MDI 方式初步驗證及RTCP 功能（néng）觀察實例（lì）

      在MDI 調試（shì）環境中，逐行輸入相關G 代碼指令，驅動（dòng）機床運動。此方式可直觀目測: 主軸擺（bǎi）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）初步判斷五軸加工中心（xīn）機械（xiè）本體與CNC 的協調性好壞與否。下麵，以（yǐ）RTCP 功能動作為例（lì），進行說明。

      RTCP 是五軸加工中心工作中，考慮刀具長度三維補償時特有（yǒu）的問題。有關RTCP 編程及後置驗證方麵的問（wèn）題，不（bú）是本文（wén）討論的（de）重點。此處，筆者從機床設計（jì）角度，討論針對CNC 的RTCP 功能，在五軸加工中心總體布局確定過（guò）程中，需要注意的問題。

       五軸加（jiā）工中心在（zài）激活RTCP 功能的情況下（xià），如果刀具需要相對瞬時被（bèi）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（háng）轉動，轉動的角度是通過對應的X /Y /Z 向直線位移增量來獲得的。此時，刀杆越長（zhǎng），轉角越大，需要（yào）X /Y /Z 向移動的行程就越大。作為機床總體布局設計而言，這個因（yīn）素是（shì）需要考慮在內的( 若不修改G 代碼，機床就需要額外增加行程空間) 。如（rú）圖11 ～ 13，展示的是不同長短刀具、不同（tóng）轉動角度下，可以直觀發現的行程問題。 

      MDI 方式並不能預（yù）知五（wǔ）軸（zhóu）加工中心在複雜、多（duō）變的實際加工狀態下，是否（fǒu）能夠順利實（shí）現工作運（yùn）行。因此，就需要借助對實際（jì）數控加工程序的運行（háng）觀察，來完成機床運動協調性的全麵驗證。 

      3．3 總（zǒng）體（tǐ）布局的（de）全麵驗證

      五軸（zhóu）加工中心，將來麵對的工作任務，大體可以分（fèn）為兩種（zhǒng）情況，一種是“多麵定向加工”場合; 另一種（zhǒng）為（wéi）“五軸聯動”方式加工複雜自由曲麵。對五軸加工中心設計者而言，需要查看的是（shì）: 在加工運動過（guò）程中或在（zài）不同極限方位時，五軸加工中（zhōng）心機械（xiè）本體的各個零部件是否協調? 對此，用前一種方式———“多麵（miàn）定向加工”，可以更加快捷地解決問題。2. 1 和2. 2 節中所（suǒ）涉及到的減速器下箱體預加工程序（xù），便是出（chū）於此目的而準備的。

      該預加工程序運行時，將驅動五軸加工中心，完成工（gōng）作台360° 範（fàn）圍的分度轉動，同時還配合（hé）有主（zhǔ）軸±90°擺動。可看出加工運行中，涵蓋了絕大部分可能的機床姿態，而且耗時（shí）少，設計（jì）者能夠立竿見影地判斷:機（jī）床布局合理與否。圖14 展示的是立（lì）、臥（wò）五軸加工中心，鑽削下箱體45°斜麵注油孔時，瞬間運（yùn）行位姿。

      3．4 發現及解決問（wèn）題（tí）案例

      在MDI 方式的初步驗（yàn）證和運行完整數控程序的全麵驗證過程中，機床局部拓撲結構及尺寸上的不合理性（xìng），特別是總體布局上的不協調等諸多問題被發（fā）現和糾正。現舉一個（gè）布局由此而改進（jìn）的實例進（jìn）行說明。

      本文研（yán）究的五軸立式加工中心，在早先的配置方案中，直接借鑒了一般四軸立式加（jiā）工中心的布（bù）局結構。眾所（suǒ）周知，常見（jiàn）的（de）立式加工中（zhōng）心工作台是類似（sì）萬能立式銑床的“十字滑台”配置方式: 工作台依附在X 滑（huá）台上，X 滑台依（yī）附在固定的Y 導軌上，從而實現X /Y 直線位移。如此布局的五（wǔ）軸立式加工中心（xīn），在加（jiā）工減速器下箱體側麵時，工作台是處於左右兩個極（jí）端位（wèi）置，此時的重力載荷，將使機（jī）床的承載呈現極不對稱（chēng）性。如圖15 所示: B 軸刀具擺頭轉動45°，C 軸工作台轉（zhuǎn）動90°，進行下（xià）箱體注油孔及端（duān）麵加工（gōng）。此時整體X 導軌副因為左邊懸空而承（chéng）受顛覆力矩。這對機床導軌磨損、受力和熱平衡上的穩定性，機床的振（zhèn）動，機床的壽命都會產生負麵影響。圖16 展示的是改進（jìn）X /Y 結（jié）構布局後，相同工步的瞬時姿（zī）態。顯而易見，前述（shù）問題就不存在了。 

      4 結論與（yǔ）展望

      對於五軸加工中心這（zhè）類（lèi）高端製造裝備而言，無論（lùn）是設（shè）計與製造者，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（guān）生（shēng）產活動（dòng）中的質量、效率、成本目標。本（běn）文，從機床（chuáng）設備設（shè）計與製造（zào）者角度出發，以混合型（xíng）五（wǔ）軸（zhóu）加工中心研發（fā）工作為研究對象，分析、闡述了在不同（tóng）CAD 平台( Inventor 和Solidworks)中進行五軸加工中心總體設計（jì）以及在專業數控加工驗（yàn）證平台( Vericut) 進行機床（chuáng）運行驗（yàn）證的基本方法、工作原理和流程。結果（guǒ）證明: 五（wǔ）軸加工中心機械本（běn）體（tǐ）與其配套CNC 間，協調性上的困惑; 機床自身各（gè）個零部件間，布局合理（lǐ）性中的疑問，都可以非常（cháng）快捷而準確地被判斷並解決。高端數控機床設（shè）計與製造者可以在其（qí）習慣使用的（de）CAD 平台，借助這些通用原理與方法，來改善其五軸加工中心的設計與製造工（gōng）作。

      五軸加工中心進一（yī）步的設計工作中，可以把數控加工運行驗證中的運動信息輸出到CAE 平台，而在CAE 平（píng）台（tái）內，可以結合CAD 平台的詳細工程特征信（xìn）息，進（jìn）行加工中心運（yùn）動學與動力學方麵的實時分析; 還可以使（shǐ）用FEA 方法，對機床各個零部（bù）件的物理、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（kě）以把加工中心總體布局幾何模型，提供給該類機床的終端用戶，以方便其在機床使用過程（chéng）中各個具體的數控程序的（de）後置驗證工作。