提高加工質(zhì)量和工效，充分滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的要求是制造技術(shù)發(fā)展永恒的主題。迄今為止，所有制造技術(shù)的研發(fā)、改進(jìn)和創(chuàng)新，無(wú)一不是直接或間接地在此主題的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的，五軸加工機(jī)床的產(chǎn)生、應(yīng)用和發(fā)展也不例外。它既是為了加工某些具有特殊要求的復(fù)雜形面的大型工件而出現(xiàn)的，也是為了提高對(duì)這些形面的加工精度、質(zhì)量和工效才得到應(yīng)用和發(fā)展的。所謂五軸加工這里是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有五個(gè)坐標(biāo)軸(三個(gè)直線坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))，而且可在計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。這樣的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、可以加工一般三軸數(shù)控機(jī)床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續(xù)、平滑的自由曲面。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)的葉片，艦艇用的螺旋推進(jìn)器，以及許許多多具有特殊曲面和復(fù)雜型腔、孔位的殼體和模具等，如用普通三軸數(shù)控機(jī)床加工，由于其刀具相對(duì)于工件的位姿角在加工過(guò)程中不能變，加工某些復(fù)雜自由曲面時(shí)，就有可能產(chǎn)生干涉或欠加工(即加工不到)。而用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床加工時(shí)，則由于刀具/工件的位姿角在加工過(guò)程中隨時(shí)可調(diào)整，就可以避免刀具工件的干涉并能一次裝夾完成全部加工；
2、可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率。例如，三軸機(jī)床加工復(fù)雜曲面時(shí)，多采用球頭銑刀，球頭銑刀是以點(diǎn)接觸成形，切削效率低，而且刀具/工件位姿角在加工過(guò)程中不能調(diào)，一般就很難保證用球頭銑刀上的最佳切削點(diǎn)(即球頭上線速度最高點(diǎn))進(jìn)行切削，而且有可能出現(xiàn)切削點(diǎn)落在球頭刀上線速度等于零的旋轉(zhuǎn)中心線上的情況。這時(shí)不僅切削效率極低，加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化，而且往往需要采用手動(dòng)修補(bǔ)，因此也就可能喪失精度。如采用五軸機(jī)床加工，由于刀具/工件位姿角隨時(shí)可調(diào)，則不僅可以避免這種情況的發(fā)生，而且還可以時(shí)時(shí)充分利用刀具的最佳切削點(diǎn)來(lái)進(jìn)行切削，或用線接觸成形的螺旋立銑刀來(lái)代替點(diǎn)接觸成形的球頭銑刀，甚至還可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化刀具/工件的位姿角來(lái)進(jìn)行銑削，從而獲得更高的切削速度、切削線寬，即獲得更高的切削效率和更好的加工表面質(zhì)量。
隨著科技的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量要求也更高，形式更多樣化和個(gè)性化。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，充分滿足使用者的多方要求，如節(jié)能、省材、輕便、美觀、舒適等，現(xiàn)代產(chǎn)品，不僅是航空、航天產(chǎn)品和運(yùn)載工具(如汽車(chē)、船、艦等)，而且也包括精密儀器、儀表，醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)器械，以及家用、辦公用的電器和兒童玩具等產(chǎn)品的零件，都愈來(lái)愈多地采用由整體材料鏤銑而成，而且其上還包含有許多各種各樣的復(fù)雜曲面和斜孔、斜面等。這些零件，如用傳統(tǒng)機(jī)床或三軸數(shù)控機(jī)床來(lái)加工，必須用多臺(tái)機(jī)床，經(jīng)過(guò)多次定位安裝才能完成。這樣不僅設(shè)備投資大，占用生產(chǎn)面積多，生產(chǎn)加工周期長(zhǎng)，而且精度、質(zhì)量還難于保證。為了解決這些問(wèn)題，就要發(fā)展能集中工序進(jìn)行高精、高效和復(fù)合加工的機(jī)床，以期能實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工。這已成為當(dāng)今機(jī)床發(fā)展的大趨勢(shì)，而配備上高速加工能力的五軸機(jī)床，完全符合這一發(fā)展要求的趨勢(shì)，而且還可能是最佳的方案選擇。因?yàn)樗粌H具有現(xiàn)代生產(chǎn)加工設(shè)備所要求具有的主要功能，而且一臺(tái)五軸機(jī)床的工效約相當(dāng)于兩臺(tái)三軸加工機(jī)床，甚至可以省去更多機(jī)床。
五軸加工機(jī)床與一般機(jī)床的最大區(qū)別在于它除了具有通常機(jī)床的三個(gè)直線坐標(biāo)軸外，還有至少2個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，而且可以五軸聯(lián)動(dòng)加工。而五軸加工機(jī)床之間的區(qū)別，除了有立式、臥式之分外，則主要還在于他們實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式和五個(gè)運(yùn)動(dòng)的分配(配置)上。一般而言，五軸機(jī)床有三種結(jié)構(gòu)型式和三種運(yùn)動(dòng)配置方式，這兩者的組合，就可以得到有9種可能的五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。
并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床與傳統(tǒng)(串聯(lián)結(jié)構(gòu))機(jī)床比較，其主要的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕，運(yùn)動(dòng)慣性小，更有利于實(shí)現(xiàn)高速度和高加速度的加工；主軸部件具有重復(fù)性，通用性高，適于專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)；比剛度高，且容易通過(guò)預(yù)加載荷來(lái)提高機(jī)床的綜合剛度；理論精度較高，一般加工誤差不會(huì)大于6根伸縮桿運(yùn)動(dòng)誤差的平均值，不像串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床那樣，各軸運(yùn)動(dòng)誤差有可能被累積和放大。但并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床也存在一些固有的缺點(diǎn)：有效空間比(即有效加工空間對(duì)設(shè)備占用空間之比)比較小，而且可加工空間呈非規(guī)則形，并隨桿長(zhǎng)和位姿角變化；?因受球鉸和虎克鉸鏈轉(zhuǎn)角的制約，Stewart平臺(tái)所能傾斜的角度(即刀具的位姿角)較小，一般只有±40°左右(常用為±30°以下)，從而影響了可加工的範(fàn)圍；運(yùn)動(dòng)和編程較復(fù)雜，而且簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)也要6根桿聯(lián)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；存在非線性誤差和奇異性問(wèn)題，當(dāng)加工在極限位置上進(jìn)行時(shí)，由于微小的振動(dòng)誤差就有可能導(dǎo)致奇異性出現(xiàn)，即導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸的180°翻轉(zhuǎn)，這種情況非常危險(xiǎn)。
五軸加工的方法和機(jī)床，早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外航空工業(yè)為了加工一些具有連續(xù)平滑而復(fù)雜的自由曲面大件時(shí)，就已開(kāi)始采用了，但一直沒(méi)能在更多的行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，只是近10年來(lái)才有了較快的發(fā)展。究其原因，主要是五軸加工存在著很多難點(diǎn)，譬如：
1、編程復(fù)雜、難度大。因?yàn)槲遢S加工不同于三軸，它除了三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)外，還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參與，其所形成的合成運(yùn)動(dòng)的空間軌跡非常復(fù)雜和抽象，一般難以想象和理解。如為了加工出所需的空間自由曲面，往往需通過(guò)多次坐標(biāo)變換和復(fù)雜的空間幾何運(yùn)算，同時(shí)還要考慮各軸運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，避免干涉、沖撞，以及插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)要適時(shí)適量等，以保證所要求的加工精度和表面質(zhì)量，編程難度就更大了；
2、對(duì)數(shù)控及伺服控制系統(tǒng)要求高。由于五軸加工需要有五軸同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這就要求數(shù)控系統(tǒng)首先必須具有至少五軸聯(lián)動(dòng)控制的功能；另外由于合成運(yùn)動(dòng)中有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加入，這不僅增加了插補(bǔ)運(yùn)算的工作量，而且由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微小誤差有可能被放大從而大大影響加工的精度，因此要求數(shù)控系統(tǒng)要有較高的運(yùn)算速度(即更短的單個(gè)程序段的處理時(shí)間)和精度。所有這些都意味著數(shù)控系統(tǒng)必須增加RISC芯片的處理器來(lái)進(jìn)行處理(即采用多個(gè)高位數(shù)的CPU結(jié)構(gòu))。另外如前所說(shuō)，五軸加工機(jī)床的機(jī)械配置有刀具旋轉(zhuǎn)方式，工件旋轉(zhuǎn)方式和兩者的混合式，數(shù)控系統(tǒng)也必須能滿足不同配置的要求。最後，為了能實(shí)現(xiàn)高速、高精的五軸加工，數(shù)控系統(tǒng)還要具有前瞻(Look Ahead)功能和較大的緩沖存儲(chǔ)能力，以便在程序執(zhí)行之前對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行提前運(yùn)算、處理并進(jìn)行多段緩沖存儲(chǔ)，從而保證刀具高速運(yùn)行時(shí)誤差仍然較小。所有這些要求，無(wú)疑都將增加數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)的難度；
五軸機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造也比三軸機(jī)床更復(fù)雜和困難。因?yàn)闄C(jī)床要增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)，就必須采用能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)的工作臺(tái)或能轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)的主軸頭部件。對(duì)增加的這兩個(gè)部件，既要求其結(jié)構(gòu)緊湊，又要具有足夠大的力矩和運(yùn)動(dòng)的靈敏性及精度，這顯然就比設(shè)計(jì)和制造普通三軸加工機(jī)床難多了；作為上述三項(xiàng)因素綜合影響的結(jié)果，五軸加工機(jī)床的價(jià)格比較昂貴，因而在某種程度上也影響了企業(yè)對(duì)五軸機(jī)床的投資。
