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理論上，加工復雜結構的工件，相對于工件而言，需要刀具至少有五個獨立自由度。五軸數控加工設備的自由度組合分為如下類型：
(1)三個平動加兩個轉動;
(2)兩個平動加三個轉動;
(3)一個平動加四個轉動;
(4)五個轉動。
五軸數控加工設備較為常用的組合類型為第(1)種。
五軸數控加工設備的結構類型分為立式、臥式、龍門式、橋式等。根據五軸數控加工設備各運動軸之間的關系，又可對其進行如下分類:
(1)刀具旋轉:這種結構中刀具可繞兩個相互正交的軸(如X-Y , X-Z ,YZ)轉動，兩個旋轉軸中一個為主動軸另一個為從動軸，從動軸附屬于主動軸并跟隨主動軸的旋轉而運動。根據由主到從的順序，兩個旋轉軸的組合形式有A-B, A-C, B-C, B-A, C-A, C-B。其中，A, B, C分別為繞X, Y, Z軸旋轉的旋轉軸。
這類機床的特點是旋轉機構的結構復雜、運動靈活、操作方便、適用于大型重量型工件加工，但其剛性較差。
(2)工作臺旋轉:這種結構中工作臺可繞兩個相互正交的軸轉動，同樣存在主動軸、從動軸的關系，兩個旋轉軸的組合形式同刀具旋轉型。
這類機床的特點是旋轉機構的結構較簡單容易實現、剛性較大、適用于中量型工件加工。
(3)刀具/工作臺旋轉:這種結構中工作臺和刀具分別繞兩個相互正交的軸轉動，不存在主動軸、從動軸的關系，根據由工作臺到刀具的順序，兩個旋轉軸的組合形式同刀具旋轉型。
這類機床的特點界于刀具旋轉型和工作臺旋轉型之間。

五軸數控加工分為以下方式:
(1)刀具點接觸式:此種方式加工中以點接觸成型(如球頭銑刀)，其編程難度小、易于計算，可加工任意自由曲面。但在切削點處的速度接近于零，導致精度低、效率差。
(2)刀具面接觸式:此種方式加工中以面接觸成型(如端面銑刀)，其在切削點處的速度較高，進給量較大，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)，其在切削點處的速度較高，故而精度高。同時，以線接觸成型有較高的加工效率。
五軸數控加工不僅能實現刀具相對于工件進行任意位置移動，而且能夠實現刀具軸向相對于工件在一定范圍內進行任意方向轉動，故而五軸數控加工的特點如下:
通過使用面接觸成型或線接觸成型方式，在切削點處提供較高的速度及較大進給量，從而保證較高的加工質量和效率;加工復雜曲面結構時，通過兩個旋轉軸的配合能夠有效的避免刀具和工件之間的干涉現象;加工中心多采用五軸數控加工，能夠擴展加工中心的加工能力，便于數控制造設備的集成化;五軸數控加工能夠實現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;通過旋轉能夠保證刀具相對于工件處于最佳的加工位姿。