1 、五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)所在

　　所謂五軸加工在這里指的是一個(gè)人機(jī)至少五軸（三線性坐標(biāo)，兩個(gè)坐標(biāo)），而且在計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)控制下，可處理某些復(fù)雜自由曲面，如渦輪葉片和渦輪機(jī)、艦船螺旋槳、許多殼體、模具表面特殊和復(fù)雜型腔；對(duì)于孔加工，一般三軸數(shù)控機(jī)床常常可能產(chǎn)生干擾、難處理或缺乏處理等問(wèn)題，但五軸加工時(shí)，由于刀具/工件在加工過(guò)程中姿態(tài)角可以隨時(shí)調(diào)整，可以避免刀具與工件之間的干涉。此外，五軸加工可提高空間自由曲面的加工精度、效率和質(zhì)量。例如，三軸加工復(fù)雜曲面使用的球頭銑刀，球頭銑刀是點(diǎn)接觸成型，切割效率低，刀具/工件的姿態(tài)角在加工過(guò)程中，一般很難保證球頭銑刀球頭上的切割線速度位于最佳切割點(diǎn)（即最高點(diǎn)），并有可能處于零旋轉(zhuǎn)中心線上，這不僅使切割效率降低，加工表面質(zhì)量惡化，往往需要手動(dòng)補(bǔ)丁，因此可能導(dǎo)致精度丟失。但五軸加工中，使用的刀具/工件的姿態(tài)角可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，不僅可以防止這種情況發(fā)生，也可以用于切割充分的切削工具，并利用最佳螺旋線刀具（非點(diǎn)接觸的球頭銑刀）接觸成形，甚至通過(guò)工具/工件的姿態(tài)角銑刀，切削速度進(jìn)一步優(yōu)化，從而獲得較高的切割寬度，表面質(zhì)量，提高加工效率。

　　五軸加工夾緊工件機(jī)的發(fā)展使得所有或大部分的處理得以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們有了更高的產(chǎn)品的性能和質(zhì)量要求。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，充分滿足用戶的要求，如節(jié)能、省材，美麗，舒適，現(xiàn)代產(chǎn)品不僅是航空、航天產(chǎn)品和車輛（如汽車，船，船舶等），還包括精密儀器，儀表，醫(yī)療，體育器材及配件，電器和家庭的兒童玩具，辦公室用品等等，越來(lái)越多的產(chǎn)品需要整體材料雕銑，并含有多種復(fù)雜的表面和斜孔、斜平面等。這些零件，使用傳統(tǒng)的機(jī)器或三軸數(shù)控加工，必須一個(gè)以上的機(jī)器，經(jīng)過(guò)反復(fù)定位、安裝。這不僅設(shè)備投資大，占用生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且精度和質(zhì)量等難以保證。為了解決這些問(wèn)題，必須開(kāi)發(fā)出能加工高精度、高效率的復(fù)合加工機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)工件的夾具一次性可以完成所有或大部分的處理，這已成為機(jī)床發(fā)展的一大趨勢(shì)，五軸工具機(jī)高速加工和高性能，完全適應(yīng)這一趨勢(shì)的發(fā)展要求。因?yàn)樗粌H擁有現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備所必需的主要功能，而且五軸機(jī)床工作效率與約兩套三軸工具機(jī)相當(dāng)，甚至可以消除更多的機(jī)器。

2 、基于激光跟蹤儀標(biāo)定五軸數(shù)控加工中心主軸技術(shù)

　　以下基于激光跟蹤儀標(biāo)定五軸數(shù)控加工中心主軸技術(shù)，筆者主要針對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸與主軸電機(jī)溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)進(jìn)行討論。

　　該系統(tǒng)采用C8051F350單片機(jī)作為主控芯片，使用高精度的溫度傳感器PT100作為溫度檢測(cè)元件的數(shù)控機(jī)床主軸和主軸電機(jī)TN9紅外溫度傳感器，使用KEILC和LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)出機(jī)器監(jiān)測(cè)溫度較低的工藝溫度采集程序和主機(jī)，以及該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，并給出了計(jì)算機(jī)程序框圖和LabWindows/CVI編程實(shí)例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有靈敏度高，實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定，準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)控機(jī)床保證加工精度和無(wú)故障安全運(yùn)行。

　　數(shù)控機(jī)床加工精度的影響因素很大部分來(lái)自于熱誤差。而機(jī)床的主軸和主軸電機(jī)的熱誤差當(dāng)機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是其主要來(lái)源，且一旦數(shù)控機(jī)床主軸溫度超過(guò)極限，將不僅直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，而且使電機(jī)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可使電機(jī)燒毀，基于此必須對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸和主軸電機(jī)的溫度進(jìn)行監(jiān)控，我們?cè)O(shè)計(jì)與完成了一套數(shù)控機(jī)床主軸和主軸電機(jī)的溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)可以很好地對(duì)機(jī)床主軸及其電機(jī)溫度實(shí)施監(jiān)控。

　　該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念為：系統(tǒng)主軸電機(jī)與主軸的溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)，由單片機(jī)，繼電器，交流接觸器，冷卻泵，冷卻風(fēng)機(jī)，數(shù)控機(jī)床的主軸，主軸電機(jī)，溫度傳感器等組成。其工作原理（如圖1所示）是定量Ti1和溫度反饋誤差信號(hào)經(jīng)處理，由繼電器1閉合，數(shù)控機(jī)床冷卻泵的開(kāi)/關(guān)主軸；定量Ti2和溫度反饋誤差信號(hào)經(jīng)處理，溫度控制繼電器2打開(kāi)/關(guān)閉，使主軸電機(jī)冷卻風(fēng)扇開(kāi)啟/關(guān)閉，從而控制數(shù)控機(jī)床主軸和主軸電機(jī)的溫度，并使溫度保持在安全操作的規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 主軸溫度測(cè)控系統(tǒng)原理圖

圖2 溫度測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)程序流程圖

　　我們對(duì)該系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)內(nèi)容為：上位機(jī)程序設(shè)計(jì)利用了LabWindows/CVI多線程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和軟件濾波技術(shù)，這可大大提高CPU響應(yīng)速度和控制精度，提高吞吐量。其設(shè)計(jì)原理為：PC機(jī)用于發(fā)送和顯示監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和超限判斷，根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)送控制命令，并控制冷卻系統(tǒng)開(kāi)啟或關(guān)閉。在溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)的主界面，可單擊“確定”按鈕，分別設(shè)置機(jī)床主軸和主軸電機(jī)溫度值；單擊“開(kāi)始”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的冷卻控制溫度，開(kāi)始溫度采集；單擊“校準(zhǔn)”按鈕來(lái)消除系統(tǒng)誤差，提高該系統(tǒng)的精度；點(diǎn)擊“保存”按鈕，將采集的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel表中；單擊“退出”按鈕，電腦程序關(guān)閉。

　　下位機(jī)程序設(shè)計(jì)：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行初始化，利用PT100進(jìn)行溫度采集，使用TN9進(jìn)行紅外接收、發(fā)送和控制。程序通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)的模擬溫度的仿真數(shù)據(jù)，與SPI方式讀取的TN9紅外傳感器得到數(shù)控機(jī)床主軸溫度值進(jìn)行比較，以確認(rèn)是否發(fā)送控制命令。否則將采集到的溫度值從RS232發(fā)送到主計(jì)算機(jī)，并對(duì)溫度值進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 、結(jié)束語(yǔ)

　　該系統(tǒng)經(jīng)運(yùn)行因使用了濾波和多線程的控制，大大提高了系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性；通過(guò)紅外輻射探測(cè)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸，測(cè)量實(shí)時(shí)、快速，而且具有高分辨率的特點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；由于采集模塊采用C8051F350芯片內(nèi)部的24位AD，簡(jiǎn)化了接口電路的設(shè)計(jì)，不需要復(fù)雜的外圍設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，性能穩(wěn)定；利用LabWindows/CVI虛擬儀器軟件編程，具有人機(jī)交互界面，運(yùn)行速度快，精度高，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。