摘要：现阶段，市场竞争大环境风云多变，从而导致不同企业面临生存与发展空间越来越狭窄，故需要不断创新与研发新型产品，且以较低投入来换取较大收益来维持自身可持续发展。但过往普通机床却呈现出生产量小，无法完全胜任多种类型商品生产，随即则升级成了数控机床，并在机械加工领域不断扩大使用范围。尤其引进了微电子技术与自动检测技术，更加适合小批量加工及其高精准度、短周期生产零部件的需求；与此同时，凭借着经济实用型数控机床，且操控维保便捷，只需替换零配件加工程序即可更换加工对象，且机床自身无需调整，可满足产品多种花生产制作需求。因此，科学挑选精密数控机床系统是成功升级变革的关键步骤。

关键词：数控机床；设计与研究；微型五轴联动

目前，在经济发达的国家，五轴 CNC技术的发展，使其能够实现微机操作、高性能伺服驱动和精密加工的一体化。从而更加完美精准的生产制作曲面产品，尤其对比普通三轴数控机床在制作叶轮、叶片及其大型曲轴等呈现出特有优点。毕竟五轴联动技术困难度较大，从侧面反映出本国科学技术水平高低的关键编制。再加上世界发达国家掌握了五轴联动数控技术的核心技术，因此，发展中国家势必要冲破阻力，结合本国国情来深入研发五轴联动数控技术，进一步提升国家整体综合实力，且长远发展有着实践意义。

一、数控机床加工中心类别划分分析

（一）依据机床形态划分类型

首先，卧式加工中心，它的特点是3-5运动坐标，通常，它可以显示X、Y、Z轴方向的直线运动坐标，再加上一个旋转坐标，就是工作台因此，它可以实现零件的装夹，除了安装表面和顶部外，还可以进行其他四面的制作生产。不仅如此，对比立式加工中心其使用范围较为宽泛，比较应用在繁杂箱体类零件、泵体、阀体等生产制作。反之此类型机床占地面积较大，自重大，结构复杂，投资成本高。其次是立式加工中心，特别是在主轴轴线处于竖直状态下的机床。并且还具有三个直线运动坐标，并且还在工作台上设置了分度与旋转功能，并且在工作台上还设置了水平轴数控转台，可适用生产制作螺旋线零配件。且此机床绝大多数适用于生产制作单一箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮等零件。从而表现出结构单一、占地面积少、费用投入较少的优势所在。最后，万能加工中心，又被称作五面加工中心，可实现小工件装夹，且排除安装面之外全部面生产制作，呈现出立式与卧式生产制作功能。市场上常见的通用加工中心，是一种可以像立式加工中心一样，主轴可以转动900度，和卧式加工中心差不多。另外，所述的主轴不会转向，并且所述的工作台设有回转900，使得所述的五个侧面的加工能够更好地完成。此类型机床的优势为预防了二次装夹产生的偏差现象，因此整体工作效率与精准度有所提升，随之整体结构繁杂，且费用投入成本较大。

（二）依据换刀方式划分类型

首先，一种带有刀库的机械手加工中心，这种机床的刀具更换装置由刀库、机械手等组成，并且更换刀具的工作是由机械手来完成的；其次是机械加工中心，该类型的刀具更换采用了刀具库与主轴箱的协作方式，实现了相应的工作流程；最后，是旋转的刀具库，主要用于小的机床，例如：钻孔等。另外，在加工中心中，一个主轴空间的位置可以分为两种，一种是垂直的，另一种是水平的。而当主轴处于水平位置时，就被称为水平加工中心。当主轴既可垂直，又可水平转换时，称为立卧式加工中心，或五面加工中心，也称为复合加工中心。但根据机床的立柱数量，又可以分为单立柱和双立柱两种，例如：龙门。

（三）依据数控系统功能划分类型

通过加工中心按照数控系统功能划分为三轴二联动、三轴三联动、四

轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。其中，三、四轴具体为加工中心具备运动坐标数，而联动则表示操控系统一并操控运动坐标数，进一步来完成刀具加工零件的位置与速率操控精准性。

二、精密数控机床组成与方案设计分析

（一）五轴联动数控机床组成

首先，五轴联动数控机床可根据实际情况需求生产出多种多样的机床，其中使用范围较为宽泛的是铣镗类机床。与此同时，此类机床变化也较为多样化，一般情况下，很简单的数控镗铣床操控台只是简单地添加了A/B轴转台，然后将其植入到数控系统中，从而完成了X、Y、Z三个直线运动与A/B轴两个旋转运行，并且可以进行联动。但是，为更好地解决刚度不够理想和连接层数过多的问题，在A/B旋转轴上安装了集成式支架和平台。加之本工件转盘的规格和重量本身的不足，所以可以用来制造小工件转盘。相反地，要想制造出体积较大的工件，就必须使用立式龙门式数控铣床、数控卧式铣镗床和刨台式铣镗床等设备，并且在主轴位置上还设置了A/C转轴，从而简化了主轴箱体整体结构。同时箱体结构外面要重点关注主轴电机设置及其主轴电机与主轴间传送方式。

其次，分析比较了主轴组件与主轴单元结构之后，不难发现，主轴前支承利用了三角接触球轴承，组配方法为三联组配、双联组配及单独组配。可以承载轴向和径向的两个前部轴承，在轴向和一些径向的后部轴承。但通过市场生产轴承产品来讲，不同生产商可为客户生产组配完成三联及其之上轴承组，且可做到即插即用。反之，后支承可挑选双列圆柱滚子轴承或者背靠背组合的角接触球轴承，其中双列圆柱滚子轴承则不承受轴向力，故极易导致轴向相对位移。因此，务必利用前支承固定，且后支承游动的形式为最佳方法。而利用背靠背组合的角接触球轴承，需将主轴尾端设置为游动支承或者固定支承，其中游动方法需把轴承外部箱体做成轴承座孔游动，且针对箱体座孔的生产制作精准度有更高标准。不仅如此，箱体内孔游动方法通过运行精准度分析，对比双列圆柱滚子轴承滚动体轴承外圈内壁游动运行较强。但比较前轴承精准度针对主轴运行精准度干扰比后轴承干扰较小。故最终二者轴承件区别点可不计入参考数值内。

最后，通过主轴单元结构方式分析，主轴传送零配件可转移到主轴末端，设置于两支承外部，此为主轴组件创新设计理念，可较好精简了主轴箱体内部架构，可大范围普及使用。但传动零件设置在箱体外部之后，传动件最佳位置需离主轴电机较近。而通过大量实践最佳设计为将主轴与电机间利用同步带传送，与此同时，可完成精准的传动臂。不仅如此，同步带自身体积较小，杂音非常小，且传送较为紧密。但要想完成斜齿轮的精加工，主轴不仅要具备B轴回转运行之外，同时可实现角度范围偏转功能。要想完美达成此目的，则要在主轴单元与前立柱关联位置安装回转轴，方才可利用主轴单元偏转，及其结合尾架偏转，从而精准生产制作出斜齿轮配件。

（二）数控机床方案设计理念

方案设计理念1，能在前面安装两个轴向和径向支承，在后面安装几个径向支承。CNC加工设备需要采用CNC龙门驱动的铣床结构，这个平台需要固定在龙门驱动的基座上，并且要安装两个主轴的连杆转动平台。其中，双丝杆驱动加上直线滚珠导轨是X轴，当双直线滚珠导轨是竖直排列时，就是Y轴，而大尺寸直线滚珠导轨和双平衡油缸是Z轴，因此，这种无平衡油缸装置结构，就是五轴立式加工中心的代表。特别是三个轴线均为伺服电机配合滚珠丝杆螺母的连接方式。

方案设计理念2与上述方案基本一致，主要参考龙门移动的结构，使龙门台和基座完整地连成一体，在Z轴的滑枕上装有五轴连杆铣头，而导轨的安装也与上面的设计一样。

方案设计理念3，该机床采用了定梁龙门铣床的结构，并配备了两轴联动的转动平台，在直线滚珠导轨上进行 X方向的运动，最终的滚珠丝杠螺母和导轨的安装，参考了方案设计理念1中的技术参数。

方案设计理念4对比方案设计理念3基本一致，采用的也是梁式龙门铣床的结构，并在直线滚珠轨道上作X方向运动，五轴铣头安装在 Z轴的滑枕上。另外，轨道的设定参数，也是和方案的设计理念1一样。

方案设计理念5，此设计结构主要组成为：主轴组件、床身、铣削动力头、圆工作台组件、尾座组件、Z轴电机、Z 轴进给机构等。

方案设计理念6，此设计结构主要内容为：主轴组件、床身、铣削动力头、圆工作台组件、尾座组件、Z轴电机、Z 轴进给机构等。

通过上述六种方案设计理念具体分析，其中设计理念1与2使用了动梁式龙门结构，其中优势表现为机床整体工作效率高，但不足之处为比较依赖滚珠丝杠与线性滚珠导轨驱动方式，无法确保整体机床刚性，同时引入了双丝杠驱动技术双刃剑，不仅机床操控难度增大，且零部件生产制作技术水平也随之升高。上述二者理念设计不同之处为：理念1使用了二轴联动的旋转工作台结构，理念2 则是五轴联动铣头结构。最终通过实际操作比较发现，二轴联动旋转工作台弊端受制于结构与空间限制，无法生产制作较大型零件，反之五轴联动铣头结构非常紧密，空间自由度非常理想。

然而，方案设计理念3与4使用了定梁式龙门结构，呈现出的优势为刚度较为随意，同时不会因质量有瑕疵干扰机床加速度性能；反之不足之处为X轴方向占用面积非常大，阻碍了X轴向加速度性能。

其中方案设计理念5不足之处为Y轴方向无进给，且位置移动主要依赖工作台上下摇摆实现，从而缺少联动轴数，整体数控系统比较单一。

最后方案设计理念6，由于主要采用了两个主轴，所以机床的整体性能得到了提高。此外，在立柱斜托板上，还安装了铣削动力头和圆工作台，从而将铣削时铣刀方向的问题完美地解决了，还对 Y方向进给进行了有效的改进，但是在操作技术方面，存在着比较麻烦的问题。与此同时，还将车削和铣削分开，将车刀改成了八方刀架，并添加了转头、镗刀和车削动力头，最终实现了钻孔与镗削的功能，直接导致整体操控技术难度增大。

总而言之，综合整体机床设计技术性能基本数据，结果表明：采用定梁式门架结构是最优的设计方案，直线球导轨工作台采用 X方向的移动方式， Z轴滑枕上装有五轴铣头，Y轴上装有双直线球导轨， Z轴上装有大尺寸直线球导轨和两个平衡油缸。此结构优势为：定梁式龙门结构刚度任意，同时不会因质量缺陷干扰机床加速度性能，与此同时，五轴联动铣头结构紧密，空间自由度较为理想，综上所述方案设计理念5为最佳解决方案。

三、数控机床未来研发方向

（一）高速与高效化方向

要想完成机床生产效率大幅度提升，首要做的就是改良切削速度、进给速度与降低辅助时长。因此，全新数控机床则利用电主轴、直线电机、高速滚珠丝杆等全新型功能零部件来完成超速度生产制作。

（二）智能化与柔性化方向

从市场上主流数控系统生产商家未来研发方向不难发现，重点通过PC机丰富的软硬件资源来延伸出全新一代开放式数控系统，而且，还将开发出更多的智能控制系统。同时，随着人工智能计算机产业的持续发展，自适应操控、模糊系统与神经网络控制机理被引入到数控系统之中，从而使其具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿、温差刚性变形补偿等多功能。完美体现出人工与智能化操作的自由切换，同时自诊断与故障监控功能弥补了故障诊断方面的不足之处。此外，主轴交流驱动与智能化进给伺服装置表现出伺服系统智能化不断完善，可自主辨别负载，同时自主化调节相关技术参数要件。不仅如此，制造系统柔性化也在不断创新，尤其体现在单机智能化、柔性化持续增强，主要代表为虚拟轴机床，不仅相关技术水平实现了质的飞跃，同时机床产品网络化成为了未来主要发展方向。

（三）复合加工方向

此生产制作具体为工件一次装夹，可以完成不同工序复合生产制作，从而不断有效提升整体工作效率，随之整体生产制作精密度有所提升。毕竟不同企业针对复合化精密度水平要求越发严格，随之演变出了加工与车削中心复合机床，及其加工与激光加工复合机床，将集车、磨、铣、钻、铰、镗、滚齿等多种程序集成的车磨复合机床，此类机床比较适合不同类型产品的小批量加工，及其变品种变批量加工需求，从而受到市场的青睐。

（四）精密度加工方向

当前，世界上加工技术发展主流是从精密加工演变成超精密加工，具体精度由微米级别提升至亚微米级、纳米级。主要包含了超精密切削、超精密磨削、超精密研磨抛光及其超精密特种生产制作。

总结

总而言之，数控机床技术发展核心要素为数控功能部件技术水平发展。尤其功能部件技术水平高低，及其性能优劣与整体配套水平差异，其与数控机床整机技术水平与性能息息相关。与此同时，伴随着数控部件技术不断创新发展，且通过大量实践操作总结经验教训，倾听市场客户机床应用建议，持续改进机床整体结构与软件功能，从而更好地明确高档数控机床研发技术路线，为国内机床领域更快发展提供了有益的实践经验，并为数控机床高效、高精度、高自动化与高柔性发展提供技术支持。

参考文献

[1]王雷.桌面式小型五轴数控机床的升级改造[D].2020.（2）.

[2]张雄.高性能五轴联动机床结构设计与系统应用分析[J].内燃机与配件.2020.（17）.

[3]赵强.小型精密机床的多目标优化集成设计方法研究[D].2021.（22）.