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      解析基于激光跟蹤儀標定五軸數控加工中心主軸


             摘 要:本文將基于激光跟蹤儀標定五軸數控加工中心主軸技術,主要針對數控機床的主軸及主軸電機溫度檢測和控制系統作討論。
        

       
            1 、五軸數控加工的優勢所在


            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,兩個坐標),而且在計算機數控(CNC)系統控制下,可處理某些復雜自由曲面,如渦輪葉片和渦輪機、艦船螺旋槳、許多殼體、模具表面特殊和復雜型腔;對于孔加工,一般三軸數控機床常??赡墚a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角可以隨時調整,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、效率和質量。例如,三軸加工復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中心線上,這不僅使切割效率降低,加工表面質量惡化,往往需要手動補丁,因此可能導致精度丟失。但五軸加工中,使用的刀具/工件的姿態角可隨時進行調整,不僅可以防止這種情況發生,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/工件的姿態角銑刀,切削速度進一步優化,從而獲得較高的切割寬度,表面質量,提高加工效率。

         
            五軸加工夾緊工件機的發展使得所有或大部分的處理得以實現。因為隨著科學技術的發展和人們生活水平的提高,人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,充分滿足用戶的要求,如節能、省材,美麗,舒適,現代產品不僅是航空、航天產品和車輛(如汽車,船,船舶等),還包括精密儀器,儀表,醫療,體育器材及配件,電器和家庭的兒童玩具,辦公室用品等等,越來越多的產品需要整體材料雕銑,并含有多種復雜的表面和斜孔、斜平面等。這些零件,使用傳統的機器或三軸數控加工,必須一個以上的機器,經過反復定位、安裝。這不僅設備投資大,占用生產區,生產周期長,且精度和質量等難以保證。為了解決這些問題,必須開發出能加工高精度、高效率的復合加工機床,以實現工件的夾具一次性可以完成所有或大部分的處理,這已成為機床發展的一大趨勢,五軸工具機高速加工和高性能,完全適應這一趨勢的發展要求。因為它不僅擁有現代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 、基于激光跟蹤儀標定五軸數控加工中心主軸技術

       

            以下基于激光跟蹤儀標定五軸數控加工中心主軸技術,筆者主要針對數控機床的主軸與主軸電機溫度檢測與控制系統進行討論。

       

           該系統采用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開發出機器監測溫度較低的工藝溫度采集程序和主機,以及該系統的設計思想和實現方法,并給出了計算機程序框圖和LabWindows/CVI編程實例。實驗結果表明,該系統具有靈敏度高,實時性好,穩定,準確,操作簡單,對數控機床保證加工精度和無故障安全運行。

       

           數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機床高速運轉時是其主要來源,且一旦數控機床主軸溫度超過極限,將不僅直接影響數控機床的加工精度,而且使電機壽命縮短,嚴重時可使電機燒毀,基于此必須對數控機床主軸和主軸電機的溫度進行監控,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控制系統可以很好地對機床主軸及其電機溫度實施監控。


            該系統的設計理念為:系統主軸電機與主軸的溫度測量與控制系統,由單片機,繼電器,交流接觸器,冷卻泵,冷卻風機,數控機床的主軸,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處理,由繼電器1閉合,數控機床冷卻泵的開/關主軸;定量Ti2和溫度反饋誤差信號經處理,溫度控制繼電器2打開/關閉,使主軸電機冷卻風扇開啟/關閉,從而控制數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定范圍內。

       

             


                                      圖1 主軸溫度測控系統原理圖

                                   

       

                                   圖2 溫度測控系統下位機程序流程圖


            我們對該系統的上位機和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了LabWindows/CVI多線程實時數據采集技術和軟件濾波技術,這可大大提高CPU響應速度和控制精度,提高吞吐量。其設計原理為:PC機用于發送和顯示監測的溫度數據,并進行存儲和超限判斷,根據判斷結果發送控制命令,并控制冷卻系統開啟或關閉。在溫度測量與控制系統的主界面,可單擊“確定”按鈕,分別設置機床主軸和主軸電機溫度值;單擊“開始”按鈕,系統根據設定的冷卻控制溫度,開始溫度采集;單擊“校準”按鈕來消除系統誤差,提高該系統的精度;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。

       

            下位機程序設計:系統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、發送和控制。程序通過單片機內部AD轉換器將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,以確認是否發送控制命令。否則將采集到的溫度值從RS232發送到主計算機,并對溫度值進行存儲與顯示,系統流程如圖2所示。

       


            3 、結束語

       


           該系統經運行因使用了濾波和多線程的控制,大大提高了系統的精度和實時性;通過紅外輻射探測技術不僅可以實現非接觸,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芯片內部的24位AD,簡化了接口電路的設計,不需要復雜的外圍設備,可以實現高精度的數據采集,性能穩定;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,操作簡單等優點。

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