根据ISO标准，数控机床运动描述采用右手直角坐标系，其中z轴平行于主轴，A、B、C分别代表绕x、y、z轴的旋转坐标。这些坐标轴的运动可通过工作台或刀具实现，但方向均以刀具相对于工件的运动为准。五轴联动指的是x、y、z及A、B、C中任意五个坐标的线性插补运动，即x、y、z三个移动轴加上任意两个旋转轴。相较于三轴加工（x、y、z三个自由度），五轴加工适用于复杂几何形状零件，允许刀具在五个自由度上定位和移动。

       五轴加工所用的机床称为五轴机床或五轴加工中心，常用于航天领域加工自由曲面零件如机体部件、涡轮机部件和叶轮等。五轴机床能在不移动工件位置的情况下加工其不同侧面，显著提升棱柱形零件的加工效率。

五轴技术的发展

       几十年来，五轴数控加工技术被广泛视为加工连续、平滑、复杂曲面的首选方法。面对设计、制造复杂曲面时的难题，人们常求助于五轴加工技术。

       五轴联动数控技术融合了计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术，是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，特别适用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上，五轴联动数控技术被视为国家生产设备自动化技术水平的标志。因其对航空、航天、军事工业的重要影响及技术复杂性，西方工业发达国家一直将其视为战略物资，实行出口许可证制度。

       与三轴联动数控加工相比，从工艺和编程角度看，五轴数控加工复杂曲面具有以下优势：提高加工质量和效率，扩大工艺范围，并满足复合化发展的新趋势。

       然而，五轴数控加工在干涉避免以及刀具在加工空间中的精确位置控制方面，其数控编程、数控系统和机床结构的复杂性远超过三轴机床。因此，尽管五轴加工概念看似简单，但实际实现起来却极具挑战性。更为关键的是，要熟练操作并充分利用五轴加工技术的优势，难度更是显著提升，如果想掌握，最好系统的培训学习。

       谈及五轴加工，真假五轴的概念不容忽视，其核心差异在于是否具备RTCP功能。RTCP，即旋转刀具中心点（Rotational Tool Center Point）的缩写，也有厂商称之为实时刀具中心点旋转（Real-time Tool Center Point rotation）或其他类似表述，如TCPM（刀具中心点管理）和TCPC（刀具中心点控制）。

       RTCP功能意味着，在执行该功能时，刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触点保持恒定。对于球头刀而言，刀具中心点即为数控代码的目标轨迹点，刀柄会围绕此点旋转。为实现这一点，需实时补偿刀柄转动引起的刀具中心点直线坐标偏移，从而保持刀具中心点与接触点不变，同时改变刀柄与接触点法线间的夹角，优化切削效率并避免干涉。RTCP技术主要关注刀具中心点，处理旋转坐标的变化。

       不具备RTCP功能的五轴机床和数控系统高度依赖CAM编程和后处理来预先规划刀路。一旦更换机床或刀具，就必须重新编程和后处理，这类系统通常被称为假五轴，国内众多五轴数控机床和系统多属此类。尽管它们自称五轴联动，但实则与真正的五轴系统有所区别。

       行业专家指出，真五轴指的是五轴五联动，而假五轴可能是五轴三联动，其余两轴仅用于定位。这仅是通俗说法，并非专业术语。一般而言，五轴机床分为五轴联动和五轴定位加工两种。五轴联动指五个轴可同时联动，而五轴定位加工实为五轴三联动，即两个旋转轴用于定位，仅三个轴可联动加工，俗称3+2模式，也可视为假五轴。

目前五轴数控机床的形式

       当前五轴数控机床的形式多样，机床制造商不断开发新的运动模式以满足各种需求。尽管机械结构各异，但市场上主要的五轴机床形式包括（列举具体形式可根据实际情况添加）。

       两个转动坐标直接控制刀具轴线的方向（双摆头形式）。

       两个坐标轴在刀具顶端，但是旋转轴不与直线轴垂直（俯垂型摆头式）。

       两个转动坐标直接控制空间的旋转（双转台形式）。

       两个坐标轴在工作台上，但是旋转轴不与直线轴垂直（俯垂型工作台式）。

       两个转动坐标一个作用在刀具上，一个作用在工件上（一摆一转形式）看过这些结构的五轴机床，相信我们应该明白了五轴机床什么在运动，怎样运动。

五轴数控编程抽象、操作困难

       传统数控编程人员常对五轴机床的复杂性感到头痛。与三轴机床仅具直线坐标轴不同，五轴数控机床结构多样。三轴机床的NC代码可通用，但五轴机床的NC代码则不具备完全通用性。五轴数控编程不仅涉及直线运动，还需处理旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校正和刀具旋转运动计算等，信息量巨大且抽象。

       五轴数控加工的操作与编程技能紧密相连，增添特殊功能会进一步增加其复杂性。编程及操作人员需通过反复实践才能掌握所需知识和技能，而这类人才的缺乏阻碍了五轴数控技术的普及。

       国内许多企业虽已购买五轴数控机床，但部分企业因人员的技术培训和服务不足，机床功能难以充分发挥，利用率低下，有时甚至不如三轴机床实用。

       五轴机床的运动是五个坐标轴运动的综合，旋转坐标的加入不仅增加了插补运算的负担，而且其微小误差也会显著降低加工精度，因此对NC插补控制器和伺服驱动系统的要求极为严格。五轴机床的运动特性还要求伺服驱动系统具备良好的动态特性和较大的调速范围。

五轴数控的NC程序校验尤为重要

       为了提高机械加工效率，必须摒弃传统的“试切法”校验方式。在五轴数控加工中，NC程序的校验至关重要，因为五轴机床加工的工件往往价值高昂，且碰撞是常见问题，包括刀具切入工件、刀具高速碰撞工件、刀具与机床、夹具等加工范围内设备的碰撞，以及机床移动件与固定件或工件的碰撞。在五轴数控中，碰撞难以预测，因此校验程序需对机床运动学及控制系统进行全面分析。

       若CAM系统检测到错误，可立即处理刀具轨迹；但若在加工过程中发现NC程序错误，则无法像在三轴数控中那样直接修改刀具轨迹。在三轴机床上，操作者可直接调整刀具半径等参数，但在五轴加工中，由于刀具尺寸和位置的变化会直接影响后续旋转运动轨迹，因此情况更为复杂。

刀具半径补偿

       在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，但刀具半径补偿功能失效。使用圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需为不同直径的刀具编制不同程序。当前流行的CNC系统因ISO文件中数据不足，无法完成刀具半径补偿。加工时频繁换刀或调整刀具尺寸后，需将刀具轨迹送回CAM系统重新计算，导致加工效率低下。

       针对此问题，挪威研究人员正开发LCOPS（低耗最优生产策略）作为临时解决方案。该方案通过CNC应用程序将刀具轨迹修正数据传送至CAM系统，并将计算后的刀具轨迹直接发送至控制器。LCOPS需借助第三方CAM软件，该软件能直接与CNC机床连接，传输CAM系统文件而非ISO代码。最终解决方案则需引入能识别通用工件模型文件（如STEP）或CAD系统文件的新一代CNC控制系统。

后置处理器

       五轴机床与三轴机床的关键差异在于其额外的两个旋转坐标，这导致刀具位置从工件坐标系转换到机床坐标系需经过多次坐标变换。市场上流行的后置处理器生成器可轻松为三轴机床生成后置处理器，但五轴机床的后置处理器相对较少且需进一步开发。

       三轴联动时，后置处理器能自动处理工件坐标系与机床坐标系的关系，无需考虑工件原点位置。然而，在五轴联动中，如X、Y、Z、B、C五轴联动的卧式铣床上加工时，必须考虑工件在C转台上的位置尺寸以及B、C转台间的相对位置尺寸。这些位置关系的处理耗费工人大量时间。若后置处理器能处理这些数据，工件安装和刀具轨迹处理将大大简化，仅需将工件装夹在工作台上，测量工件坐标系的位置和方向，并将这些数据输入后置处理器进行后置处理，即可得到合适的NC程序。

非线性误差和奇异性问题

       五轴数控机床因旋转坐标的加入，其运动学相较于三轴机床更为复杂。旋转带来的首要问题是非线性误差，这属于编程误差，可通过减小步距来控制。前置计算时，编程者无法预知非线性误差大小，需经后置处理器生成机床程序后才能计算。刀具轨迹线性化可解决此问题，通常在后置处理器中进行。

       此外，旋转轴还可能导致奇异性问题。若奇异点位于旋转轴极限位置，附近微小振荡都可能导致旋转轴180°翻转，存在极大风险。

对CAD/ CAM系统的要求

       对五面体加工的操作, 用户必须借助于成熟的CAD/CAM 系统，并且必须要有经验丰富的编程人员来对CAD/CAM 系统进行操作。

       以往，五轴机床与三轴机床之间的价格差异显著。如今，为三轴机床增加一个旋转轴的成本已接近普通三轴机床的价格，且能实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅比三轴机床高出30%～50%。

       除了机床投资外，还需升级CAD/CAM系统软件和后置处理器，以满足五轴加工的需求；同时，校验程序也需升级，以实现对整机的仿真处理。

五轴加工机床未来智能化趋势

       智能装备的控制模式和人机界面将迎来显著变革。随着WiFi宽带、蓝牙等网络性能的提升，基于平板电脑、手机和穿戴设备的网络移动控制方式将日益普及。触摸屏与多点触控的图形化人机界面将逐步取代传统的按钮、开关、鼠标和键盘。这一变化顺应了人们，尤其是年轻人对智能电子消费产品操作方式的习惯，使他们能够迅速响应、切换屏幕、上传或下载数据，从而极大地丰富了人机交互内容，并显著降低了误操作率。