1.2 五轴联动机床结构简介
五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力。目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。
一般来说，三轴机床只有三个正交的运动轴（通常定义为X、Y、Z轴），只能实现三个方向直线移动的自由度。因此，沿加工刀轴方向的结构都能加工出来，但侧面结构特征无法加工。三轴机床因设计多套夹具，进行多次安装、定位、夹紧，将整体加工进行分解，加工周期延长，质量大大降低。
然而，五轴联动机床可以在一台机床上至少有五个坐标轴（X、Y、Z三个直线坐标轴和A/C或者B/C两个旋转轴），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行加工。即五轴联动机床有五个伺服轴（不包括主轴）可以同时进行插补（五个坐标轴可以同一时间、同时移动对一个零件进行加工）。
五轴联动机床的使用，让工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高了模具加工精度。采用五轴技术加工模具可以减少夹具的使用数量。另外，由于五轴联动机床可在加工中省去许多特殊刀具，所以降低了刀具成本。五轴联动机床在加工中，根据零件造型特点，增加了刀具的有效切削刃长度，减小了切削力，提高了刀具使用寿命，降低了成本。采用五轴联动机床加工模具可以很快地完成模具加工，交货快，更好地保证了模具的加工质量，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改也变得容易。
相对于一般数控机床，多轴机床主要有以下几个加工特点：
1）可以加工更为复杂的工件。
2）可一次装夹完成多面、多方位加工，有效提高加工效率和精度。
3）通过改变刀具或工件姿态，有效避免刀具干涉问题，提高切削效率和工件表面质量。
4）可以简化刀具和夹具形状，降低加工成本。
五轴数控机床有多种不同的结构形式，主要分为以下三大类：
1）工作台上有两个旋转轴（摇篮式五轴）。
2）主轴上有两个旋转轴（双摆头式五轴）。
3）工作台上有一个旋转轴、主轴上有一个旋转轴（单摆头、单旋转式五轴）。
1.2.1 摇篮式五轴
摇篮式五轴即工作台上有两个旋转轴，如图1-5和图1-6所示。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴（如可以环绕Y轴回转，则定义为B轴），A轴一般工作范围为-100°～+100°。工作台的中间还设有一个回转台，其在如图1-5所示的位置环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴可以±360°回转（A轴、B轴、C轴可以根据每个生产厂家的结构来定义正负方向）。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由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001°，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。
图1-5 摇篮式五轴机床机构示意图
图1-6 摇篮式五轴机床机构模型
这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚度非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计得太大，承重也较小，特别是当A轴回转≥90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。
1.2.2 双摆头式五轴
双摆头式五轴即主轴上有两个旋转轴，如图1-7和图1-8所示。主轴前端是一个回转头，能环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴可以±360°回转。回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴（环绕Y轴旋转定义为B轴），一般可达±110°，实现上述同样的功能。这种结构的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大，飞机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种结构还有一大优点，在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀顶点处的线速度为零，顶点处切出的工件表面质量会很差，而采用主轴回转的结构，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点处切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。
图1-7 双摆头式五轴机床机构示意图
图1-8 双摆头式五轴机床机构模型
这种结构非常适合加工模具的高精度曲面，而这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，但这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。
1.2.3 单摆头、单旋转式五轴
单摆头、单旋转式五轴即工作台上有一个旋转轴、主轴上有一个旋转轴，两个旋转轴分别在主轴和工作台上，如图1-9和图1-10所示。这类机床的旋转轴结构布置有最大的灵活性，在A/B/C轴中可以任意两个组合。环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴可以±360°回转；环绕X轴旋转的A轴（或环绕Y轴旋转的B轴），一般可达±110°。
图1-9 单摆头、单旋转式五轴机床机构示意图
图1-10 单摆头、单旋转式五轴机床机构模型
这种结构简单、灵活，同时具备主轴旋转型与工作台旋转型机床的部分优点。这类机床的主轴可以旋转为水平状态和垂直状态，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心，将主轴进行立、卧转换，再配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本低，且非常实用。