3.2 国产五轴头现状及发展趋势

五轴头在五轴联动数控机床中是第一关键部件，也是五轴数控机床制造企业市场竞争的焦点之一。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航空航天、模具和高精密仪器等民用和军工迫切需要的关键加工设备在有些国外厂商的产品售价中，五轴头占有率高达30%。在中国机床市场上，五轴联动机床的高额丰厚利润向来为国外厂商所独享，国内机床厂家由于无法获得多轴数控系统和高精度双摆头这两大关键部件，而只能望洋兴叹。[15]近年来，由于国产数控系统的发展，国外数控系统厂商逐渐失去了对中国市场的多轴数控系统的绝对垄断地位。高精度双摆头作为五轴联动机床的关键部件，已经成为影响国内机床厂家争取五轴联动机床这块高端市场的瓶颈。因此，如果我们能研发制造出高性能的五轴头，就等于迈上了世界领先水平的台阶———同国外的厂家站到了一个起跑线上。[16]
五轴头可分为万能式镗铣头和摆动式镗铣头。在用于五轴联动时，要求双回转轴(A/B或A/C)都有联动功能。如用于多(或五)面加工，只能采用有级分度的五轴头，不需要联动(即3+2轴加工方式)。在驱动方式上有力矩电动机和电动机、齿轮两种方式，随着力矩电动机技术的成熟，应用日趋普遍。在国外，由于五轴头的利润巨大，很多都是由主机厂家自己设计制造。五轴头转角分度定位精度/重复定位精度为10arcsec/5arcsec(VDI标准)，高速、重载、性能优越，并且技术仍在不断发展。[17]
在国外机床市场上，双摆头作为五轴联动机床的关键部件，已经有20余年的发展历程。其两个旋转轴的机械驱动机构在经过了双导程蜗轮蜗杆驱动和大减速比减速器(如行星齿轮、谐波齿轮、摆线针轮等)+双齿轮驱动的两轮发展后，可挖掘的潜力已经不是很大了，而其固有的传动背隙大、重复定位精度低、动态响应特性和加减速特性差等固有缺点，在高精度、高速加工的时代则被暴露无遗。力矩电动机技术的渐趋成熟正好弥补了机械传动结构的上述缺点，成为近几年旋转传动技术领域的新亮点。因此，力矩电动机直驱结构的双摆头渐有取代机械传动结构的双摆头后来居上的趋势。采用力矩电动机直驱方式，省去了繁琐的机械传动机构，避免了可能由齿轮或者蜗轮等机械传动方式带来的传动背隙，改善了两个旋转轴高转速下的动态响应特性和加减速特性。同时，由于力矩电动机相对于普通伺服电动机，具有在较低转速下即可输出大转矩的特点，使两个旋转轴输出所需转矩的转速范围成倍提高，最高转速可达360°/s(即60 r/min)。而且，A、C轴还集成了液压锁紧功能，使两个旋转轴可以锁定在特定的角度进行大切削量加工。另外，A、C轴的反馈元件分别采用Heidenhain公司的高精度角度编码器和INA公司的轴承集成高精度环形磁栅，使两个旋转轴的定位精度达到了±0.002°。CyTec高速直驱双摆头使用的力矩电动机为CyTec集团旗下的TorqueTec公司制造，其本质上可以看成是可低速使用的伺服电动机，可以与国内用户所熟知的。
尽管国内有很多厂家都宣称自己已能成功制造出高精度的五轴头，但是精度、性能(特别是高速、重载性能)和可靠性等与国际先进水平还有很大差距。在今后的发展中，笔者认为，主要从以下几方面把握：
(1)五轴头动作控制结构技术研究。包括装夹固定和旋转刀具时五轴头动作控制机构设计；高速准停机构设计；摆动轴和回转轴定位分度、锁紧、反向游隙结构设计等的技术研究。
(2)功能部件的应用技术研究。包括：力矩电动机等的应用技术；包括轴承的计算、选择、润滑条件等的研究；精密弧齿锥齿轮副；精密蜗杆副；精密细齿鼠牙盘；精密分度锁紧齿盘等关键零部件应用技术。
(3)换头技术研究。由于在模具加工中，五轴铣削只占3%～5%，高速主轴的使用率只有5%左右。非加工过程耗去大量时间，采用高效的切削刀具、高效的切屑工艺、高性能CNC控制系统、机床加工复合化仅是提高效率的一种方式，而采用高速、稳定的驱动方式、高效的换头技术则具有更重大的意义，故五轴联动龙门式加工中心、五面龙门式加工中心、落地式镗铣床/加工中心必须具有有效的换头技术。换头技术除要求定位准确外，还要求快速、动作简洁。

3.3壳体及外围设备设计制造技术

如果没有高精度、高刚性的壳体来支撑五轴头的其余部件，那整个五轴头就只能是一个装饰品。除此之外，对于当今大量装备的高精度数控机床，微小的震动都有可能给高精度的实现带来致命的影响。因此怎样提高机床的精度和稳定性，成了摆在人们面前的一个很大的问题。精度的影响主要来源于两方面，一是机床工作时本身具有的震动，二是受到外界环境（如温度、外力等）的干扰引起的误差。对于前者，设法提高机床的一阶固有频率可以有效地提高精度，具体做法为：
1对整机的结构进行必要的简化；
2 利用ANSYS等有限元分析软件中的特定模块对整机进行动态性能分析，得到固有频率和振型；
3结合机床实际工作过程中受外力激振下各阶振型对机床的震动作用，对机床进行改进。[18]
对于消除由温度引起的机床构件伸缩而造成的加工误差的常用方案是温度闭环控制系统的使用，提高系统的分辨率及其灵敏度可以相应的提高加工精度，还有个理念就是保持工作环境恒温，将产热部件所产生的热量即使带走，避免引起相关构件的形变。
由外界振动引起的加工误差可以通过采用新材料的机床床身。在这方面，新型材料的树脂混凝土得到了极大的发展。特别是在高精度机床的床身应用方面，树脂混凝土正逐步地替代传统的铸铁。在高速切削时，工件和机器部件移动得越来越快．提高转速、进给速度和增加零部件重量将会产生振动，从而降低精度。树脂混凝土能消除振动，从而以提高机器的精度。树脂混凝土，一种由天然矿石(不同尺寸，不同来源)和环氧树脂(作为粘合剂)为主的混合物，相对于传统的铸铁来说有很大的优势。越来越多规模不等的国际机床制造商和机器制造商开始设计使用树脂混凝土的机器。诸如阿奇夏米尔、德马吉、格里森、百超等机床行业内著名的公司一直使用树脂混凝土作为机床床身。
除此之外，工作环境的选址也是很重要的一方面，精密加工的环境尽量远离多震动、多噪音的场所，或者在机床周围挖隔振沟，这都可以有效地提高机床的稳定性，从而提高其加工精度，满足现代制造的精度要求。

4 小结

五轴联动技术的目的之一是实现高速切削加工，提高生产效率，而高速切削一个囊括了机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、、高性能刀夹系统、高性能CNC控制系统高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的复杂系统工程。因此。高速切削加工涉及着机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。当前，主轴、直线电动机、力矩电动机这些功能部件，与国外有很大差距；在高速（快速进给速度40m/min 以上）、高精度（分辨率0.1um 以下）、多通道数控系统的功能、性能上，国产系统与国外系统有较大差距。新一轮国家科技重大专项实施之际正值后危机时代，这对我国的制造业发展所带来的机会大于冲击，我国投入大量人力、物力、财力，力求在全球机床业大洗牌之际脱颖而出，因此，我们应该抓住这次难得的机会，将开发出自主品牌的高档数控系统作为头等任务，同时兼具其他各方面，最终实现整个行业的平稳、迅速发展。