五軸機床的五個軸通常是由三個直線軸外加兩個回轉(zhuǎn)軸組成的，其結(jié)構(gòu)方式卻有很大差別。不同的結(jié)構(gòu)形式會使機床在剛性、動態(tài)性能和精度穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生一些差異。本文主要針對立式頭擺、立式工作臺擺動這兩種不同結(jié)構(gòu)的五軸機床進行分析比較，以便用戶充分了解其結(jié)構(gòu)形式，從而有利于其根據(jù)自己產(chǎn)品的特點和經(jīng)濟能力挑選合適的機床。
五軸機床的典型應(yīng)用是五軸聯(lián)動加工和五軸定位加工。五軸聯(lián)動加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是葉輪、刀具、模具以及復(fù)雜曲面加工。五軸定位加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是殼體類零件加工以及有空間位置度要求的孔及平面角度加工。
（a） （b） （c）
圖1 五軸機床應(yīng)用舉例，（a）發(fā)動機，（b）刀具，（c）模具
立式五軸機床根據(jù)擺動軸的擺動方式分為兩類，一類是主軸頭擺動（通常稱為B軸），另一類是工作臺擺動（通常稱為A軸）。這里以哈默生產(chǎn)的U系列機床（如圖2所示）和C系列機床（如圖3所示）為例進行對比，他們分別代表頭擺和工作臺擺動的機床。
圖2 U系列機床結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 C系列機床結(jié)構(gòu)示意圖
這里以兩種機床加工同一個零件上的空間垂直孔為例，說明兩種機床的區(qū)別。
圖4 此零件需要在兩個相鄰面上加工兩個相互垂直的通孔
1. 機床主軸剛性和加工效率的比較
U系列機床在加工的過程中，由于是頭擺，所以主軸刀具都要聯(lián)動擺動，使得主軸的剛性差；而C系列機床，由于是工作臺擺動，所以不會對主軸的剛性產(chǎn)生任何影響。
由于旋轉(zhuǎn)點的不同，刀尖實現(xiàn)同樣的位移時，頭擺機床的主軸需要擺動更大的角度（類似杠桿原理），所以加工同樣的零件，頭擺機床的效率更低。
圖5 頭擺和工作臺擺動的旋轉(zhuǎn)點位置
2. 刀具長度對機床加工精度的影響
擺動誤差=擺臂×擺角
擺臂=主軸長度+刀具長度
也就是說，在頭擺的情況下，刀具的長度影響擺臂
長度，放大誤差。即誤差會隨刀具的長度增長而增大。
圖6
圖7 頭擺機床中刀具長度與位置誤差的關(guān)系
圖8 工作臺擺動機床長度與位置誤差的關(guān)系
3. 頭擺機床會產(chǎn)生形狀誤差，而工作臺擺動則不會產(chǎn)生形狀誤差
頭擺機床刀具旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生位置誤差。與此同時，加工孔的進給方向和刀具的回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏離，情況如圖9所示，所以加工孔產(chǎn)生位置誤差的同時，還會產(chǎn)生形狀誤差，出現(xiàn)楔形孔。
圖9 頭擺機床在產(chǎn)生位置誤差的同時會產(chǎn)生形狀誤差
而工作臺擺動機床的位置誤差是有工作臺擺動造成，主軸的進給方向和刀具的旋轉(zhuǎn)中心始終重合，所以不會再附加產(chǎn)生形狀誤差。這是工作臺擺動與頭擺相比另一個明顯的優(yōu)勢。
圖10 工作臺擺動機床不產(chǎn)生形狀誤差
4. 加工范圍的比較
當(dāng)頭擺機床的主軸旋轉(zhuǎn)90°而轉(zhuǎn)為臥式加工時，其加工范圍會大大減小。如圖11所示，較長的尺寸為主軸不旋轉(zhuǎn)時所能加工的最大距離，較短尺寸為轉(zhuǎn)為臥式時的加工距離，有明顯的變化。而工作臺擺動機床則不會出現(xiàn)這種情況。
圖11 頭擺機床轉(zhuǎn)為臥式時加工范圍的縮小
結(jié)論
工作臺擺動機床的剛性好，加工效率高；刀具長度對加工精度不會產(chǎn)生影響；加工不會產(chǎn)生形狀誤差；五軸加工與三軸加工時可加工零件的大小是相同的。
頭擺機床主軸的剛性相對較差，加工效率相對較低；加工精度會隨刀具長度的增長而降低；加工會產(chǎn)生形狀誤差；主軸擺動角度時會吃掉行程，從而導(dǎo)致能夠加工的最大工件尺寸變小。
另外，U系列機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計是，X軸和Y軸通過刀具運動實現(xiàn)，Z軸由工件體現(xiàn)。Ｕ系列機床Y軸的剛性會隨使用而逐漸減弱。Y軸由主軸和刀具的持續(xù)承重而產(chǎn)生的彎曲可以得到補償，然而這并不能抵消Ｙ軸在加工不同重量的工件時發(fā)生的彎曲。Z軸的動力性和精度會由于加工很重的工件或者工件的位置距離Z軸導(dǎo)軌太遠而降低。而C系列機床是改進的龍門設(shè)計，一體化鑄造，工作臺雙支撐。設(shè)計特征包括：3個線性軸的運動是由刀具的移動實現(xiàn)的，動態(tài)性能不受工件限制；驅(qū)動和導(dǎo)軌在加工區(qū)之外；緊湊的結(jié)構(gòu)，最低空間要求；優(yōu)化的靜態(tài)和動態(tài)特性；高的運行、定位和持久精度；加工過程高
