1 、五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢所在

　　所謂五軸加工在這里指的是一個人機至少五軸（三線性坐標(biāo)，兩個坐標(biāo)），而且在計算機數(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、艦船螺旋槳、許多殼體、模具表面特殊和復(fù)雜型腔；對于孔加工，一般三軸數(shù)控機床常?？赡墚a(chǎn)生干擾、難處理或缺乏處理等問題，但五軸加工時，由于刀具/工件在加工過程中姿態(tài)角可以隨時調(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，球頭銑刀是點接觸成型，切割效率低，刀具/工件的姿態(tài)角在加工過程中，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（即最高點），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，往往需要手動補丁，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)角可隨時進行調(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（非點接觸的球頭銑刀）接觸成形，甚至通過工具/工件的姿態(tài)角銑刀，切削速度進一步優(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的發(fā)展使得所有或大部分的處理得以實現(xiàn)。因為隨著科學(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)的機器或三軸數(shù)控加工，必須一個以上的機器，經(jīng)過反復(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，且精度和質(zhì)量等難以保證。為了解決這些問題，必須開發(fā)出能加工高精度、高效率的復(fù)合加工機床，以實現(xiàn)工件的夾具一次性可以完成所有或大部分的處理，這已成為機床發(fā)展的一大趨勢，五軸工具機高速加工和高性能，完全適應(yīng)這一趨勢的發(fā)展要求。因為它不僅擁有現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備所必需的主要功能，而且五軸機床工作效率與約兩套三軸工具機相當(dāng)，甚至可以消除更多的機器。

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)，筆者主要針對數(shù)控機床的主軸與主軸電機溫度檢測與控制系統(tǒng)進行討論。

　　該系統(tǒng)采用C8051F350單片機作為主控芯片，使用高精度的溫度傳感器PT100作為溫度檢測元件的數(shù)控機床主軸和主軸電機TN9紅外溫度傳感器，使用KEILC和LabWindows/CVI開發(fā)出機器監(jiān)測溫度較低的工藝溫度采集程序和主機，以及該系統(tǒng)的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，并給出了計算機程序框圖和LabWindows/CVI編程實例。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有靈敏度高，實時性好，穩(wěn)定，準(zhǔn)確，操作簡單，對數(shù)控機床保證加工精度和無故障安全運行。

　　數(shù)控機床加工精度的影響因素很大部分來自于熱誤差。而機床的主軸和主軸電機的熱誤差當(dāng)機床高速運轉(zhuǎn)時是其主要來源，且一旦數(shù)控機床主軸溫度超過極限，將不僅直接影響數(shù)控機床的加工精度，而且使電機壽命縮短，嚴(yán)重時可使電機燒毀，基于此必須對數(shù)控機床主軸和主軸電機的溫度進行監(jiān)控，我們設(shè)計與完成了一套數(shù)控機床主軸和主軸電機的溫度測量和控制系統(tǒng)可以很好地對機床主軸及其電機溫度實施監(jiān)控。

　　該系統(tǒng)的設(shè)計理念為：系統(tǒng)主軸電機與主軸的溫度測量與控制系統(tǒng)，由單片機，繼電器，交流接觸器，冷卻泵，冷卻風(fēng)機，數(shù)控機床的主軸，主軸電機，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經(jīng)處理，由繼電器1閉合，數(shù)控機床冷卻泵的開/關(guān)主軸；定量Ti2和溫度反饋誤差信號經(jīng)處理，溫度控制繼電器2打開/關(guān)閉，使主軸電機冷卻風(fēng)扇開啟/關(guān)閉，從而控制數(shù)控機床主軸和主軸電機的溫度，并使溫度保持在安全操作的規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 主軸溫度測控系統(tǒng)原理圖

圖2 溫度測控系統(tǒng)下位機程序流程圖

　　我們對該系統(tǒng)的上位機和下位機進行了程序設(shè)計，其設(shè)計內(nèi)容為：上位機程序設(shè)計利用了LabWindows/CVI多線程實時數(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)計原理為：PC機用于發(fā)送和顯示監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)，并進行存儲和超限判斷，根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)送控制命令，并控制冷卻系統(tǒng)開啟或關(guān)閉。在溫度測量與控制系統(tǒng)的主界面，可單擊“確定”按鈕，分別設(shè)置機床主軸和主軸電機溫度值；單擊“開始”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的冷卻控制溫度，開始溫度采集；單擊“校準(zhǔn)”按鈕來消除系統(tǒng)誤差，提高該系統(tǒng)的精度；點擊“保存”按鈕，將采集的溫度數(shù)據(jù)存儲在Excel表中；單擊“退出”按鈕，電腦程序關(guān)閉。

　　下位機程序設(shè)計：系統(tǒng)開機后首先進行初始化，利用PT100進行溫度采集，使用TN9進行紅外接收、發(fā)送和控制。程序通過單片機內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將數(shù)控機床主軸電機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)控機床主軸溫度值進行比較，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)送到主計算機，并對溫度值進行存儲與顯示，系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 、結(jié)束語

　　該系統(tǒng)經(jīng)運行因使用了濾波和多線程的控制，大大提高了系統(tǒng)的精度和實時性；通過紅外輻射探測技術(shù)不僅可以實現(xiàn)非接觸，測量實時、快速，而且具有高分辨率的特點，抗干擾能力強；由于采集模塊采用C8051F350芯片內(nèi)部的24位AD，簡化了接口電路的設(shè)計，不需要復(fù)雜的外圍設(shè)備，可以實現(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，具有人機交互界面，運行速度快，精度高，操作簡單等優(yōu)點。