五轴加工中心旋转轴构型

五轴加工中心相对于三轴加工中心多了 2 个旋转轴，提高了复杂曲面工件加工的灵活性，但加工时刀轴矢量发生改变，2 个旋转轴需要联动运动，同时平动轴要进行补偿运动，影响加工中心的加工精度和效率。五轴加工中心旋转轴构型指 2 个旋转轴的配置组合方式，常用的旋转轴构型有 CA 型、 CB 型、 AB 型、 BA 型等 4 种。五轴加工中心运动链中的旋转轴构型差异，导致零件加工时在运动误差和效率等运动性能方面存在差异。

装夹姿态与旋转轴构型的等效转换

加工中心加工运动的本质是刀具与工件之间的相对运动，当工件装夹姿态变化时，加工刀具的位置和姿态在加工中心笛卡尔坐标空间中也发生改变，因此加工中心旋转轴构型与工件装夹姿态之间存在联动变化关系。加工中心旋转轴与工件装夹姿态相当于观测与被观测的关系，从空间姿态转换的角度，某个旋转轴构型下的装夹姿态，可能与另一旋转轴构型下的装夹姿态是等效的。基于这一等效转换思想，可以将加工中心不同旋转轴构型的变化等效转换为工件装夹姿态变化，装夹姿态与旋转轴构型的等效转换关系示意如图 1 所示。

图1 装夹姿态与旋转轴构型的等效转换关系示意 Fig.1 The equivalent conversion relationship between clamping posture and rotary-axis combinations

图 1 中以双摆头构型为例从运动学角度进行分析，采用 AB 旋转轴构型与 CA 旋转轴构型同时加工同一个工件，若工件装夹姿态不变，则其加工运动学数据必然会存在差异。但是，当在 CA 旋转轴构型情景下，将工件装夹姿态绕工件坐标系的 Y 坐标轴整体旋转 90° 后，再与 AB 旋转轴构型的初始加工情景进行比较，二者在旋转轴构型的联动与工件装夹姿态的关系上是等效的。所谓等效，是指二者的主副旋转轴产生了对应等效关系，AB 旋转轴构型的 A 、 B 分别与 CA 旋转轴构型的 C 、 A 相互对应等效。二者整体的轴坐标位置可能存在差异，但旋转轴构型的相对运动学数据 (如轴的角速度、角加速度、累计行程、运动范围等) 在运动学层面是等效的。

针对上述等效转换关系建立模型，可以将原本关联耦合却姿态空间离散的旋转轴构型对比分析进行同一化处理，实现旋转轴构型的连续性分析。通过该连续性分析，可实现旋转轴方案与装夹姿态的融合，利用中间态设计旋转轴构型的同时计算得到最优装夹姿态，并可进一步拓展应用于非正交型五轴加工中心设计。