摘 要：本文將基於激光跟蹤儀標定五軸數控（kòng）加工中心主軸技術（shù），主要針對數控機床的主軸及主軸電（diàn）機溫（wēn）度檢測和控製係統作討論。
  

 
      1 、五軸數控加工的優勢所在

      所謂五軸加工在這裏指的是一個人機至少五軸（三線性坐標，兩個坐標（biāo）），而（ér）且在計算機數（shù）控（CNC）係統控製下，可處理某些複雜自（zì）由曲（qǔ）麵，如渦輪葉片和渦輪機（jī）、艦船螺旋（xuán）槳、許多殼體、模具表麵特殊和複雜型腔；對於孔加工，一般三軸數控機床常（cháng）常可能（néng）產生幹擾、難處理或缺乏處理等（děng）問（wèn）題，但五軸加工時，由於刀具/工件在加工過程中姿態角可（kě）以隨時調整，可（kě）以避免刀具與工件之間的幹涉。此外，五軸加工可提高空間自由曲麵的加工精度（dù）、效率和（hé）質量。例（lì）如，三軸加工複雜曲麵（miàn）使用的球頭銑刀，球頭銑刀是點接（jiē）觸成型，切割效率低，刀具/工件的姿態角在加工過程中，一般很難保證（zhèng）球頭銑刀球頭上的切割線速度位於最佳切割點（即最高點），並有可能處（chù）於零旋轉（zhuǎn）中心線上，這不僅使切（qiē）割效率降低，加（jiā）工表麵質量惡化，往往需要手動補丁，因此可能導致精度丟失。但五軸加工中，使用（yòng）的刀具（jù）/工件的姿態角可隨（suí）時進行調整，不僅可以防止這種情況發生，也可以用於切割充分的（de）切削工具（jù），並利用最佳螺旋線（xiàn）刀具（非點接觸的球頭銑刀）接觸成形（xíng），甚至通過工（gōng）具/工件的姿態（tài）角銑刀，切削速度進（jìn）一步優化，從而獲得較高的切割寬度，表麵質量，提高加工效率。

   
      五軸（zhóu）加工（gōng）夾緊工件機的發展使（shǐ）得所有或大部分（fèn）的處理（lǐ）得以（yǐ）實現。因為隨著科學技術的（de）發展和人們生活（huó）水平的提高，人（rén）們有了更高的產品的性能和質量要求。為了進一步提高產品的性能和質量，充分滿（mǎn）足用戶的要求，如節能、省材，美麗，舒適，現代產品不（bú）僅是航空、航天（tiān）產品和車輛（如汽車，船，船舶等），還包括精密儀器，儀表，醫（yī）療，體育器（qì）材及（jí）配件，電器和家庭的兒童玩具，辦公室用品等等，越來越多的產品需要整體材料雕銑，並含有多種複雜的表麵和斜孔、斜平麵等。這些零件，使用傳（chuán）統的（de）機器（qì）或三軸（zhóu）數控加（jiā）工，必須一個以上（shàng）的機器，經過反複定位、安裝。這不僅設備投資大，占（zhàn）用生產區，生產周期（qī）長，且精度和質量等難以保證。為了解（jiě）決這些問題，必須（xū）開發出能加工高精度（dù）、高效率的複合（hé）加工機床，以實（shí）現工件的夾具一次性（xìng）可以完成（chéng）所有或大（dà）部分的處（chù）理，這已成為（wéi）機床發展的一大趨（qū）勢（shì），五軸工（gōng）具機高速加工和高性能，完（wán）全適應這一趨勢的發展要求。因為它不僅擁有現代（dài）化的生產設備所必需的主要功能，而且五軸機床工作效率與約兩套三軸工具機相當，甚至可以消除更多的機器。

      2 、基於激光跟蹤儀標定五軸數控（kòng）加工中（zhōng）心主軸技術

      以下基於激光跟蹤儀標定五軸數控加工中心主軸技術，筆者主（zhǔ）要針對數控機床的主軸與主軸電機溫度檢測與控製係統進行討論。

     該係統采用C8051F350單片機作為（wéi）主控（kòng）芯片，使用高精度的溫度傳感器（qì）PT100作為溫（wēn）度檢（jiǎn）測（cè）元件的（de）數控機床主軸和主軸電機TN9紅外溫度（dù）傳（chuán）感器（qì），使用KEILC和LabWindows/CVI開發出機（jī）器監測溫（wēn）度較低的工藝溫度采集程序和主機，以及該係統的設計思想和實現方法，並給出了計算機程序框圖和LabWindows/CVI編程實例。實驗結果表明，該係統具有靈敏度高，實（shí）時性好，穩（wěn）定，準確，操作（zuò）簡單，對數（shù）控機床保證加工（gōng）精度和無故障（zhàng）安全運行。

     數控機（jī）床加工精度的影響因（yīn）素很大部分來自於熱誤差。而機床的（de）主軸和主軸電機的熱誤差當機床高速運轉時（shí）是其（qí）主要（yào）來源，且一旦數控機床主軸溫度超過極限，將不僅直接影（yǐng）響數控機床的加工（gōng）精度，而且使電（diàn）機壽命縮短，嚴重時可使電（diàn）機燒毀，基於（yú）此必須對數控機（jī）床主軸和主軸電機的溫度進行監控（kòng），我們設計與完成了一套數控機床主軸和主軸電機的溫度測量和（hé）控製係統可以很好地對機床主軸及其電機溫度（dù）實施監控。

      該係統的設計理念為：係統主軸電機（jī）與主軸的（de）溫度測量與控製係統，由單片機，繼電器，交流接（jiē）觸器（qì），冷卻泵，冷卻風機，數控機床的主（zhǔ）軸，主軸電機，溫（wēn）度傳感器等組成。其工作原理（如圖1所示）是定（dìng）量Ti1和溫度反饋（kuì）誤（wù）差信號經處理，由繼電（diàn）器1閉（bì）合，數控機床冷卻泵的開/關主軸；定量（liàng）Ti2和溫度反饋誤差信號經處理，溫度控製繼電器2打開/關閉，使（shǐ）主軸（zhóu）電（diàn）機冷卻風扇開啟/關閉，從而控（kòng）製數控機床主軸和（hé）主軸電機的溫度，並使溫度（dù）保持（chí）在（zài）安全操作（zuò）的規定（dìng）範圍（wéi）內。

                                圖1 主軸溫（wēn）度測控係統原理圖

                             圖2 溫度（dù）測控係（xì）統下（xià）位機程序流程圖

      我們對該係統的上位機和（hé）下位機進行了程序設計，其設計內容為：上位機程序設計利用（yòng）了LabWindows/CVI多線程實時數據采集（jí）技術和軟件濾波技術（shù），這可大大提高CPU響應速度和控製精（jīng）度，提高吞吐量。其設計原理為：PC機用於發送（sòng）和顯示監測的溫度數據（jù），並進行存儲和超限判斷，根據判斷結果發送控製命令，並控製冷卻係統開啟或關閉。在溫度測量與控製係統（tǒng）的主界麵，可單擊“確定”按鈕，分別（bié）設（shè）置機床主軸和主軸電機（jī）溫度值；單擊“開始”按鈕，係統根據設定的冷卻控製溫度，開始溫度采集（jí）；單擊“校準”按鈕來消除係統誤差，提高該係統的（de）精度；點擊“保存”按鈕，將采集的溫度數據存儲在Excel表中；單擊“退出”按鈕，電腦程序關閉。

      下（xià）位機程序設計：係統開機後（hòu）首先進行初始（shǐ）化，利用PT100進行溫度采集，使用TN9進行紅外接收、發送和控（kòng）製。程序通過單片機內部AD轉換器將（jiāng）數控機床主軸電機的模擬溫度的仿真數據，與SPI方式讀取的TN9紅外傳感器得到數控機床主軸溫度值進行比較，以確認是（shì）否發送控製命（mìng）令。否則將（jiāng）采集到的溫度（dù）值從RS232發送到（dào）主計算機，並對溫度值進行存儲與顯示，係統流程如圖2所示。

      3 、結束語

     該係統經運行因使用了濾波和多線程的控製，大大提高了係統的精度和實時性；通過紅外輻射探測技術不僅可以實（shí）現非接觸，測量實時、快速，而且具有高分辨率的特點，抗（kàng）幹擾能力強；由於采集模塊采用C8051F350芯片內（nèi）部的24位AD，簡化了接口電路的設計，不（bú）需要複雜的外圍設備，可以實現高精度的數據采集，性能（néng）穩定；利用LabWindows/CVI虛擬（nǐ）儀器軟件編程，具有人機交互（hù）界麵，運行速度快，精度高，操作（zuò）簡單等優點。