當前（qián），我國的製（zhì）造（zào）業正在不斷地向高柔性、高精度、高技術密集方向發展，作為（wéi）高端製造裝備（bèi）的五軸加工中心，日漸成為不（bú）少數控機床（chuáng）設計（jì）與製造企業（yè）新的研（yán）製、開（kāi）發、推廣（guǎng）目標，也是未來很長一段時間內，該類公（gōng）司的新利潤增長點; 同時（shí）各類機械加工生產企業，對這類高端機床的需求欲望也（yě）日益（yì）強（qiáng）烈。

      從機床（chuáng）設計、製造角度看，五軸加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（gèng）加靈活。其機械本體與所用CNC 之（zhī）間的整體協調性，機床靜態（tài）布局與其動態位姿（zī）匹配則（zé）是總體設計階段首先要解決好的問題。為此，筆者研究（jiū）了各類計（jì）算機輔助設計( CAD) 平（píng）台和數（shù）控（kòng）加工驗證平台，提出了一種融合兩方麵技（jì）術，實現五軸（zhóu）加工中心高效率、高質量研（yán）發（fā）的方法。

      1 五軸加工（gōng）中心的特點（diǎn）及總體設計工作

      1. 1 五（wǔ）軸加工中心類型

      所（suǒ）謂加工中（zhōng）心的五軸，是指3 個移動軸( X /Y /Z) 和兩個轉動（dòng）軸( A /B /C 中任意兩個) 。不同轉動軸的組合方（fāng）式，就形成了不同的五軸加（jiā）工中心類（lèi）型; 不同的類型，其總體性能特點和適用範圍也不相同。從（cóng）兩個轉動軸所依附的機械本體而言，可（kě）以把五（wǔ）軸加工中心大致分為3 種基本（běn）型: ( 1) 兩個轉動軸都由工作台來完成;

      (2) 兩個轉動軸都由主軸來完成;

      (3) 混（hún）合方式———一個（gè）轉動軸由（yóu）工作台完（wán）成，另一個轉動由主軸（zhóu）來（lái）完成。進一步考慮A /B /C 以及（jí）主軸的立、臥方式，可以細分出更（gèng）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（kǎo）慮到第3 種類型———混合方式，具備第1、2 兩種類（lèi）型的一些共同特性: 高剛度和大行程（chéng），可以實現重載與高速（sù）數（shù）控（kòng）加工。因（yīn）此，本（běn）文以第3 種基本型———混合( 複合) 型，並（bìng）結合立、臥兩類布局（jú），詳細說明融合CAD 技術和數控加工後置驗證技術，分析五軸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（zǒng）體（tǐ）布局CAD

      由於曆史沿襲和（hé）使用習慣原（yuán）因，國內不同地（dì）域、不同企業使（shǐ）用的（de）CAD 平台，各不相同。從（cóng）低端專用產品設計軟件包到集大成的Catia 不等，但其中（zhōng），計算（suàn）機輔助產品開發的基本原理是相同的，即: 從市場需求中（zhōng）獲取產品工程特（tè）征要（yào）素，把這些工程要素，轉換成產品（pǐn）總體特征（zhēng）模型; 對該總體模型進行可行性、可靠性、技術經濟性等初步評估( 也稱產品概念設計) ; 結（jié）合手工分（fèn）析和各個層次的CAE 技術，包括使用產品各個層級的數字樣機技術，進行（háng）產品各個次級零部件細化設計( CAD 過程中，特征信息不斷地被傳遞、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…) 理念的並行設計; 數字樣機被驗證無誤之後，便是（shì）物理樣機（jī）的試製（zhì）、評估、量產、市場反饋、更新……不斷迭代升級（jí）而使產品持續地被完美化（huà）。顯而易見，這一複雜過程中，產品的總體設計起著統領全（quán）局的關鍵（jiàn）作用。對於五軸加工中心這類高端產品而言，更（gèng）是如（rú）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（shì）混合型（xíng）五（wǔ）軸加工中心總體布局方案: X /Y /Z + C 軸數（shù）控回轉工作台+ B擺動軸( 主軸依附其（qí）上，實現± 90° ～ 120°擺動) ; 如圖2所示，是Solidworks 中臥（wò）式混合型五軸加工中心總體布（bù）局（jú）方案（àn）: X /Y /Z + B 軸數控回轉工作台+ A 擺動軸( 主軸依附其上，實現± 90° ～ 120°擺動) 。此總體布（bù）局方案是通過（guò）TopDown 設計和BottomUp 裝配確定的（de）。

      以Topdown 方式進（jìn）行布局設計時，設（shè）計平台的“組件”環境，類（lèi）似（sì）於“產品開（kāi）發部”。由於帶回轉工作台的加工中心，一般以轉台的邊長為主參數（shù），整體加工（gōng）中心就以回轉工作台的幾何特征為驅動源———“回轉工作台”是該類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”頂層節點就是“回轉工作台”( 參看圖3) ，並由此逐（zhú）級展開且關聯式創建: 可以跟隨工作台變化的加工中心總體布局特征模型。此過程不（bú）再贅述，讀者可以參看文獻［1］。 

      以BottomUp 方式進行加工（gōng）中心裝配時，設計平台的“組件”環境，類似於“裝配車間”。在此“裝（zhuāng）配車間”進行（háng）五軸加工中心組裝時，一個重要問題就是該數字樣機的“機床原點”與設計（jì）平台缺省的坐標原點的一致性問題。一般情況下，五軸加工中心的“機床原點”是各個轉軸的交（jiāo）點，而X /Y /Z 方向必（bì）須符合右手直角笛卡爾坐標係規範，由此可以建立機床坐標係。此坐（zuò）標（biāo）係應該與所用CAD 平（píng）台內缺省坐標係重合（hé）。這一要求，必須在BottomUp 組裝（zhuāng）中得到充（chōng）分保證。需要注意的是: 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（gè）母公司，但兩（liǎng）者缺省坐（zuò）標係方（fāng）位完全不同。本文中，涉（shè）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（bù）局一致) ; Solidworks 缺省的Z軸是水（shuǐ）平的( 圖2，與臥（wò）式布局吻合) 。

      在（zài）CAD 平台內完成的五軸加工中心總體（tǐ）布局，是否能夠與數控加工所需的複雜運動要求相適（shì）應? 即，與配套（tào）的CNC 協（xié）調一致性如何? 目前，從低端到高端的（de）CAD 平台（tái）內，是不能夠解答這些疑問的。在所設計的五軸加工中心物理樣機被製造出來之前，解決這些問題的可行性手段，便是借助專業數控加工驗證平台，對（duì）疑問進行逐步排解。下麵以Vericut 軟件為例（lì），針對五軸加（jiā）工中心（xīn）總體（tǐ）布局設計，具體說明處理（lǐ）這（zhè）些問（wèn）題的基本方法和（hé）關鍵措施。

      2 數控加工驗證所需的準備（bèi）工作

      2. 1 根據機床用途選擇典型加工（gōng）零件

      圖（tú）1 和（hé）圖2 所示的混合型五軸加工中心，在複位狀態時，主（zhǔ）軸分別處於（yú）豎直和（hé）水平姿態。顯然，圖1 展（zhǎn）示（shì）的機床總體布局屬於立式數控機床範疇，圖2 則為臥式數控機床範疇。這兩（liǎng）種機床的主（zhǔ）軸依附在擺動轉頭上，工作運動時，主軸可以分別實現水平和（hé）立式（shì）姿態; 使用這（zhè）類機床加工箱體類零件時（shí），一次裝夾便可以完成，除底麵之外的其他各個表麵上所有加（jiā）工要（yào）求。所以，筆者選擇2 個減速器下（xià）箱體作為典型（xíng）被加工零（líng）件，來進行五軸加工中（zhōng）心總體布局相關問題的探索。

      如圖4 和5 所示（shì），是（shì）兩種（zhǒng）不同類型的上（shàng）下合（hé）蓋式減速器的下箱（xiāng）體。完整的減速器上下（xià）合蓋加（jiā）工工藝規程（chéng）設計，不屬（shǔ）於（yú）本研究、討論範圍，本文選擇其分體粗加工階（jiē）段、使（shǐ）用五軸加工中心（xīn），完成下（xià）箱（xiāng）體各個相關表麵的預加工工序，以研究（jiū）五軸加（jiā）工中心機械本體與由CNC 驅（qū）動的運動之（zhī）間，協調性與合理性方（fāng）麵的問題。 

      2．2 完（wán）成典型零件（jiàn）的數控程序（xù）

      從圖4 和（hé）圖（tú）5 可以看出，下箱體（tǐ）的預加工階段，需要對頂麵、兩軸承蓋側麵以及注油（yóu）口側麵( 含斜麵和垂麵) 上的孔係和平麵進行初（chū）步加工。考慮到柔性製（zhì）造的發展趨勢，本例中，用組合夾具實現工件的裝夾要求。圖6 和圖7 分別是兩個零件預加時，在立、臥五軸（zhóu）加工中心上被裝夾後的（de）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CAM 平台，也可以單獨（dú）把下箱體( 預加工終了（le）狀態特征結構) 導入CAM 平台（tái），來完成數控程序。 

      完成的數控程（chéng）序和相應刀具信息，將是加工中心後置驗證時的基（jī）礎信息。有關G 代（dài）碼解讀與（yǔ）修改等數控程序後置驗證問題，不是本文研究的重點內容。

      2．3 創（chuàng）建機床驗證（zhèng）模型樹及其模型

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

      2．4 把工裝信（xìn）息（xī）和數控程序導入驗證平台

      在模型樹的“Fixture”節點導入組合夾具模型文（wén）件; 在模型樹的“Stock”節點導入“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（tái）創建的數控文件。 

                                    ‘

      而數控加工中的（de）多把刀（dāo）具（jù）信息，則必須借助CAM平（píng）台和Vericut 平台之間的無縫連接技術，進行數據的傳（chuán）遞。如圖10 所示，分別是Catia /CAM( 左（zuǒ）) 和SiemensNX/CAM( 右) 平台下激活Vericut 對話框。與此相關的一（yī）些（xiē）具體方法，讀者還可以參看文獻［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（zhèng）模（mó）型設定CNC 型號

      在模型樹（shù）的Control 節點，根據機床製造企業（yè）實際為五軸加工中心配置的CNC 型號，從Vericut 控製器數據（jù）庫中選擇相應（yīng）的“* ． ctl”文件（jiàn）進行加載。參看（kàn）圖8 和圖9 左上角線框部分，本次研究（jiū）中，選擇的是（shì）Fanuc15M 控製器（qì）。

      3．2 MDI 方式初步驗證及（jí）RTCP 功（gōng）能觀（guān）察實例

      在（zài）MDI 調試環境中，逐行輸入相關G 代碼指（zhǐ）令，驅動機（jī）床運動。此方式可直觀目（mù）測: 主軸擺動、工作台轉動（dòng）、X /Y /Z 向直線移動等是否合適。進而，可以初步（bù）判斷五軸加工中（zhōng）心（xīn）機械本體與CNC 的協調性好（hǎo）壞與否。下麵，以RTCP 功（gōng）能動作為例，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的（de）問題。有關RTCP 編程及後（hòu）置驗證方麵的問題，不是本文討論的重點。此（cǐ）處，筆者從機床設計角度，討論針對CNC 的RTCP 功能，在五軸加工中心總體布局（jú）確定過程中，需要注意的問（wèn）題。

       五軸（zhóu）加工中心在激活RTCP 功能的情況（kuàng）下，如果刀具（jù）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（jiǎo）度是通過對（duì）應的X /Y /Z 向直線位移增量（liàng）來獲得的。此時，刀杆（gǎn）越長（zhǎng），轉角越大，需要X /Y /Z 向移動的行程就越大。作為機床總體布（bù）局（jú）設計而言，這（zhè）個因素是需要考慮在內的( 若不修改G 代碼，機床就需要額外（wài）增加行程空間) 。如圖11 ～ 13，展示的是不同長短刀具（jù）、不同轉動（dòng）角度下，可以直觀發現的行程問題。 

      MDI 方式並不能預知五軸加工中心在複雜、多變的（de）實際加工狀（zhuàng）態下，是否能夠順（shùn）利實現工作運行。因此，就需要借助對實際數控加工程序的運行觀察，來完成機床運動（dòng）協調性的全麵驗證。 

      3．3 總體布局的全麵驗證

      五軸加工中心，將來麵對的工作（zuò）任務，大體可以分為兩種情況，一種是“多麵定向加工”場合; 另一種為“五（wǔ）軸聯動”方式加工複雜自由曲麵（miàn）。對五軸加工中心設計者而（ér）言，需要查看的（de）是: 在加工運動過程中或在（zài）不同極限方（fāng）位時，五軸加工中心（xīn）機（jī）械本體的各個零（líng）部件是否協調? 對此（cǐ），用（yòng）前一種方式———“多（duō）麵定向加工”，可以更加快捷地解決問題。2. 1 和2. 2 節中所涉及到的減速器下箱體預（yù）加工程序，便（biàn）是出於此目的而準（zhǔn）備的。

      該預加工程序（xù）運行時（shí），將驅動五軸加工中心，完成工作台360° 範圍的分度（dù）轉動，同時還配合有主（zhǔ）軸±90°擺動。可看出加工運行中，涵蓋了絕大部（bù）分可能的機床姿態，而且耗時少，設計者能（néng）夠立竿見影地判斷:機床布局合理與（yǔ）否。圖14 展示的是立、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 發現及解決問題（tí）案例

      在MDI 方（fāng）式的初步（bù）驗證和運行完整數控程序的全麵驗證過程中，機（jī）床局部拓撲結構及尺寸上的不合理性，特別是（shì）總體布局上的不協調等（děng）諸多問題被發現（xiàn）和糾正（zhèng）。現舉一個布局由此（cǐ）而改進的實例進行說明。

      本文研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（sì）軸立式加工中心的布局結構。眾所周知，常見的立式加工中心工作台是（shì）類似萬能立式銑床的“十字滑台”配置方式: 工（gōng）作台依附在X 滑台上，X 滑台依附在固定的（de）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（gōng）中心，在加工減速器下箱體側麵時，工作台是處於左右兩個極端位置，此時的重力載（zǎi）荷，將使機床的承載（zǎi）呈現極不對稱性。如圖15 所示: B 軸刀具擺頭轉動45°，C 軸工作台轉動90°，進行下箱體（tǐ）注油孔及端麵加工。此時整體X 導軌副因為左邊懸空而承受顛（diān）覆力矩。這對機（jī）床導軌磨損、受力（lì）和熱平衡上的穩定性，機床的振動，機床的壽命都會（huì）產生負（fù）麵（miàn）影響。圖16 展示的是改進X /Y 結構布局後，相同工步的瞬時姿態。顯而易見，前述問題就不存（cún）在了。 

      4 結論與展望

      對於五軸加工中心這類高端（duān）製造裝備而言，無論是設計（jì）與製造（zào）者，還是終端（duān）用戶，都需要借助計算（suàn）機輔助技術，來改善其在與此類（lèi）產品（pǐn）相關生產（chǎn）活（huó）動中的質量、效率、成本目標。本文，從機床（chuáng）設備設計與製造（zào）者角度出發，以混合型五軸加工中心研發工作為研究對象，分析、闡述了在不同CAD 平台（tái）( Inventor 和Solidworks)中進行五軸加工中心總體設計以及在專業數控加工驗證平台( Vericut) 進行機床運行驗證（zhèng）的基本方法、工作原理和流程（chéng）。結果證（zhèng）明: 五軸加工中心機械本體與其（qí）配（pèi）套CNC 間，協（xié）調性（xìng）上的困惑; 機床自身各個零部件間，布局合理性中的疑問，都可以非常快捷而準確地被判（pàn）斷並解決。高端數控機床設計（jì）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（jiā）工中心的設計與製造工作。

      五軸加（jiā）工中心進一步的設計工（gōng）作中，可以把數（shù）控加工運行驗證中的（de）運動信息輸（shū）出到CAE 平台，而在CAE 平台內，可以結合CAD 平（píng）台的詳細（xì）工程特征信息，進（jìn）行加工中心運動學與（yǔ）動力學方麵的實時分析; 還可以使用FEA 方法，對機床各（gè）個零部件的物理、機（jī）械性能進行定（dìng）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（jiā）工中心總體布局幾何模型，提（tí）供給（gěi）該類（lèi）機（jī）床的終端（duān）用戶，以方便其在機（jī）床使用（yòng）過程中各個具體的數控程序的後置驗證工作。