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隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展各種高檔建筑、異形建筑的數(shù)量逐漸增加，導(dǎo)致用于建筑的異形裝飾產(chǎn)品的需求量日益增大。同時(shí)隨著人們生活品質(zhì)及審美觀念的提高，人們對(duì)藝術(shù)雕刻品、家居裝飾產(chǎn)品的需求迅速擴(kuò)大。石材制品正在逐漸高品質(zhì)化、異型化、藝術(shù)化、產(chǎn)品多樣化、需求擴(kuò)大化[1]，同時(shí)，石材藝術(shù)品、異形產(chǎn)品應(yīng)用范圍越來越廣泛、市場(chǎng)需求量日益增加，消費(fèi)者及市場(chǎng)對(duì)石材產(chǎn)品質(zhì)量及美觀性的要求逐漸增高，對(duì)加工工期的要求逐漸縮短[2-3]。必將引起異形石材加工設(shè)備的迅速發(fā)展，并促使其實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、加工自動(dòng)化、功能多樣化甚至信息化、智能化。
由于異形石材產(chǎn)品擁有曲面及其他復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，若直接使用三軸或四軸機(jī)床進(jìn)行加工，由于刀軸不能在空間位置旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)位姿有限，也就無法加工出想要的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，達(dá)不到預(yù)期的加工效率及加工質(zhì)量，更無法滿足快速擴(kuò)張的市場(chǎng)需求[4]。于是出現(xiàn)了五軸機(jī)床，其在三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸或在四軸機(jī)床的基礎(chǔ)上增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，大大擴(kuò)展刀軸在空間的旋轉(zhuǎn)范圍，使其能夠根據(jù)產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整刀軸方向，大大提高加工效率及加工質(zhì)量，能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求[5-6]。同時(shí)，五軸加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、工自動(dòng)化已在全球范圍內(nèi)進(jìn)行。
1.1.1 五軸數(shù)控加工設(shè)備的分類與特點(diǎn)
理論上，加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，相對(duì)于工件而言，需要刀具至少有五個(gè)獨(dú)立自由度。五軸數(shù)控加工設(shè)備的自由度組合分為如下類型[7]：（1）三個(gè)平動(dòng)加兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）兩個(gè)平動(dòng)加三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）一個(gè)平動(dòng)加四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。五軸數(shù)控加工設(shè)備較為常用的組合類型為第（1）種。五軸數(shù)控加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型分為立式、臥式、龍門式、橋式等。根據(jù)五軸數(shù)控加工設(shè)備各運(yùn)動(dòng)軸之間的關(guān)系，又可對(duì)其進(jìn)行如下分類：
（1）刀具旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中刀具可繞兩個(gè)相互正交的軸（如 X-Y、X-Z、Y-Z）轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中一個(gè)為主動(dòng)軸另一個(gè)為從動(dòng)軸，從動(dòng)軸附屬于主動(dòng)軸并跟隨主動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)。根據(jù)由主到從的順序，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式有A-B、A-C、B-C、B-A、C-A、C-B。其中，A、B、C 分別為繞 X、Y、Z 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。這類機(jī)床的特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)靈活、操作方便、適用于大型重量型工件加工，但其剛性較差。（2）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中工作臺(tái)可繞兩個(gè)相互正交的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣存在主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的關(guān)系，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式同刀具旋轉(zhuǎn)型。這類機(jī)床的特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)、剛性較大、適用于中量型工件加工。（3）刀具/工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)：這種結(jié)構(gòu)中工作臺(tái)和刀具分別繞兩個(gè)相互正交的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在主動(dòng)軸、從動(dòng)軸的關(guān)系，根據(jù)由工作臺(tái)到刀具的順序，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式同刀具旋轉(zhuǎn)型。這類機(jī)床的特點(diǎn)界于刀具旋轉(zhuǎn)型和工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)型之間。
1.1.2 五軸數(shù)控加工的分類與特點(diǎn)
五軸數(shù)控加工分為以下方式：（1）刀具點(diǎn)接觸式：此種方式加工中以點(diǎn)接觸成型（如球頭銑刀），其編程難度小、易于計(jì)算，可加工任意自由曲面。但在切削點(diǎn)處的速度接近于零，導(dǎo)致精度低、效率差。（2）刀具面接觸式：此種方式加工中以面接觸成型（如端面刀），其在切削點(diǎn)處的速度較高，進(jìn)給量較大，故而精度高、效率高。但由于刀具形狀及加工方式的限制，導(dǎo)致加工范圍受限。（3）刀具線接觸式：此種方式加工中以線接觸成型（如圓盤鋸），其在切削點(diǎn)處的速度較高，故而精度高。同時(shí)，以線接觸成型有較高的加工效率。五軸數(shù)控加工不僅能實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件進(jìn)行任意位置移動(dòng)，而且能夠?qū)?/span>現(xiàn)刀具軸向相對(duì)于工件在一定范圍內(nèi)進(jìn)行任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，故而五軸數(shù)控加工的特點(diǎn)如下：
通過使用面接觸成型或線接觸成型方式，在切削點(diǎn)處提供較高的速度及較大進(jìn)給量，從而保證較高的加工質(zhì)量和效率；加工復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)時(shí)，通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的配合能夠有效的避免刀具和工件之間的干涉現(xiàn)象；加工中心多采用五軸數(shù)控加工，能夠擴(kuò)展加工中心的加工能力，便于數(shù)控制造設(shè)備的集成化；五軸數(shù)控加工能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多工序加工，有利于提高加工效率及保證不同曲面間的位置精度；通過旋轉(zhuǎn)能夠保證刀具相對(duì)于工件處于最佳的加工位置。