基于Mach3的教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　寬，趙　巍，張翔宇

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

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基于Mach3的教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王寬，趙巍，張翔宇

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

摘要：在已有教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床上，搭建以PC為上位機(jī)、Mach3為下位機(jī)的主從式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以5套步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模塊，以直流電源作為電源模塊以及由微動(dòng)開(kāi)關(guān)等電子元件組成的輔助模塊構(gòu)成開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)與相應(yīng)的教學(xué)型五軸數(shù)控機(jī)床搭配，可用于高等大專(zhuān)院?？蒲屑拔遢S操作人才的培訓(xùn)。

關(guān)鍵詞：Mach3；五軸控制；步進(jìn)電機(jī)；數(shù)控機(jī)床；PWM調(diào)速器

當(dāng)前數(shù)控加工向高精度、高速度、高柔性、體系開(kāi)放化方向發(fā)展。在現(xiàn)代制造中，對(duì)于造型復(fù)雜、精度要求較高的零件，如葉輪、葉片、船用螺旋槳等，傳統(tǒng)的加工技術(shù)和普通數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)已無(wú)法滿足其加工要求。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床可以加工工藝復(fù)雜的零件，但因技術(shù)難度大、造價(jià)昂貴，致使大多數(shù)高等院校無(wú)法購(gòu)買(mǎi)，這阻礙了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及，也阻礙了中國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展。本文根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)的需求，為一款搖籃式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床模型搭建了控制系統(tǒng)，通過(guò)Mach3控制軟件和控制卡以及步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源等元器件構(gòu)建五軸數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，并對(duì)軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的功能[1-6]。

1　搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)分析及模型的建立

在數(shù)控編程時(shí)，通常假定工件保持不動(dòng)，刀具移動(dòng)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡形成了所要加工零件的表面輪廓。在三維空間里，6個(gè)自由度可以讓物體實(shí)現(xiàn)任何形式的運(yùn)動(dòng)?？臻g六自由度的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。三維空間的6個(gè)自由度由X、Y、Z 3個(gè)方向平動(dòng)和分別繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的A軸、B軸和C軸組成。本文搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的主軸刀具可以相對(duì)于工件沿X、Y、Z軸平動(dòng)以及繞X軸、Z軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即所謂的A軸和C軸，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)繞自身軸線進(jìn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削。

圖1　空間六自由度的實(shí)現(xiàn)

搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床模型如圖2所示。圖2（a）為根據(jù)搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床所要實(shí)現(xiàn)的功能在三維繪圖軟件UG環(huán)境下設(shè)計(jì)的三維模型。由圖2（a）可知，搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的主軸可沿X、Y、Z軸做平移運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)控制X、Y、Z軸軸端的步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的移動(dòng)方向和速度控制。圖2（b）為搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A軸和C軸。

圖2　搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床模型

2.2軟件界面設(shè)置及控制系統(tǒng)硬件搭建

對(duì)于搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床，Mach3控制系統(tǒng)需要控制5個(gè)步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)。數(shù)控程序指令編程的過(guò)程中通常用X、Y、Z、A、B、C來(lái)表示多軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。Mach3在進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，其控制卡上的每個(gè)端口都對(duì)應(yīng)控制不同的軸，因此調(diào)節(jié)好端口與所要控制軸之間的關(guān)系異常重要。只有對(duì)應(yīng)關(guān)系正確，才能保證數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)與數(shù)控程序代碼運(yùn)行的一致性。

根據(jù)搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)Mach3控制軟件的“電機(jī)輸出”界面進(jìn)行設(shè)置。其中，“step pin #”所在列各軸對(duì)應(yīng)的接口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的“PUL-”端口相連，“PUL+”端口為步進(jìn)電機(jī)提供5 V電源；“Dir Pin #”為方向控制口，此接口主要控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，“Dir Pin #”所在列各軸對(duì)應(yīng)的接口與步進(jìn)電機(jī)的“Dir-”端口相連，此時(shí)“Dir+”端口為步進(jìn)電機(jī)提供5 V電源。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可通過(guò)改變Mach3控制軟件“電機(jī)輸出”界面各軸對(duì)應(yīng)的“Dir LowActive”所在列符號(hào)，從而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。電機(jī)輸出設(shè)置及輸入信號(hào)的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[3]。

數(shù)控機(jī)床在出廠時(shí)都設(shè)定一個(gè)機(jī)床坐標(biāo)系，當(dāng)開(kāi)

2　基于Mach3的控制系統(tǒng)的搭建

2.1Mach3控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。Mach3是控制系統(tǒng)與搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)的連接部件，其控制原理為：用一個(gè)輸入為220 V、輸出為24 V的直流電源分別為PWM調(diào)速器[7-9]、Mach3控制卡和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供電源。PWM調(diào)速器控制主軸直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，主軸直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成機(jī)械結(jié)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)。PC（有25針腳并口接線口的個(gè)人電腦）通過(guò)25針腳的并口線與Mach3控制卡相連，在PC上安裝Mach3控制軟件與Mach3進(jìn)行通信，提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)和方向控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上安裝位置檢測(cè)器，同時(shí)與Mach3控制卡相連，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)觸發(fā)位置檢測(cè)器，微動(dòng)開(kāi)關(guān)反饋給Mach3控制卡信號(hào)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，實(shí)現(xiàn)Mach3控制系統(tǒng)的限位、原點(diǎn)復(fù)位等功能。機(jī)時(shí)按下機(jī)械零點(diǎn)，機(jī)床會(huì)自動(dòng)回到機(jī)床零點(diǎn)，進(jìn)而建立起機(jī)床坐標(biāo)系。用Mach3控制卡控制的五軸數(shù)控機(jī)床也配置有設(shè)定零點(diǎn)坐標(biāo)的端口，用Mach3控制卡的P11、P12、P13和P15分別控制X、Y、Z、A軸的機(jī)器原點(diǎn)復(fù)位（C軸360°旋轉(zhuǎn)不需要進(jìn)行復(fù)位與限位），因此對(duì)于基于Mach3的搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床輸入信號(hào)應(yīng)該對(duì)Mach3輸入信號(hào)界面的XHome、YHome、ZHome、AHome的Enabled功能進(jìn)行激活[3，5-6]。

圖3　控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)接線圖如圖4所示，其中包括整個(gè)控制系統(tǒng)中重要部件的連接方法。由圖4可知，編號(hào)為⑦～⑩的微動(dòng)開(kāi)關(guān)就是復(fù)位限位開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，為保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)的安全性，防止發(fā)生機(jī)床碰撞事件，要在機(jī)床運(yùn)動(dòng)的極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)觸碰到安裝在軸端的限位開(kāi)關(guān)時(shí)，機(jī)床就停止運(yùn)動(dòng)。限位開(kāi)關(guān)的啟閉直接控制電機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此穩(wěn)定性較高。對(duì)Mach3控制卡來(lái)說(shuō)，預(yù)留了X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-的接口，分別控制X軸、Y軸、Z軸的限位。圖4中編號(hào)為①～⑥的微動(dòng)開(kāi)關(guān)起到限位的作用。

圖4　搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)接線圖

3　Mach3控制系統(tǒng)的調(diào)試

3.1系統(tǒng)控制原理

搖籃式五軸機(jī)床控制系統(tǒng)的搭建需要保證機(jī)床能夠五軸聯(lián)動(dòng)[10]，且主軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。Mach3軟件使用PC電腦的雙向并行傳輸接口（line prinT，LPT）或USB端口作為CNC控制設(shè)備的輸入與輸出，通過(guò)輸出脈沖和方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)控制搖籃式五軸機(jī)床。事實(shí)上，Mach3控制軟件加載的程序只根據(jù)相關(guān)變量給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)射不同的脈沖信號(hào)，以此控制機(jī)床移動(dòng)一定的距離。例如，讓刀具沿X軸移動(dòng)10 mm，Mach3軟件能根據(jù)指令輸出一定的脈沖數(shù)和確定方向信號(hào)，脈沖數(shù)與X軸的移動(dòng)距離需要通過(guò)脈沖當(dāng)量換算。

搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)物圖如圖5所示。此機(jī)床所使用的滾珠螺旋傳動(dòng)的螺桿螺距P為5 mm，所使用的步進(jìn)電機(jī)步距角θ為1.8°。該模型要求直線運(yùn)動(dòng)的加工精度為0.01 mm，可以通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)來(lái)滿足加工精度要求，細(xì)分?jǐn)?shù)越高步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度越高，但是步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速會(huì)降低。當(dāng)選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)N為16細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的直線長(zhǎng)度為：

因此，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16細(xì)分可以保證直線運(yùn)動(dòng)的加工精度。

圖5　搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)物圖

3.2系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試

以控制X軸的步進(jìn)電機(jī)為例，進(jìn)行Mach3控制系統(tǒng)的調(diào)試。通過(guò)Mach3軟件主菜單上的“設(shè)置”—“電機(jī)調(diào)試”—“X軸”對(duì)X軸電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)1 mm需要640個(gè)脈沖，電機(jī)的最大速度為600 r/min，加速度為200 mm/s2。理論上，這些參數(shù)可以滿足PC發(fā)射640個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)可以使工作臺(tái)移動(dòng)1 mm，但實(shí)際上細(xì)分?jǐn)?shù)越多，電機(jī)的精度會(huì)變低，因此要進(jìn)行校核。

在Mach3界面中點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，單擊“Reset”讓其按鈕成為綠色，解除報(bào)警。單擊“set stepsper（校核）”彈出“軸的選擇界面”，選中X軸并輸入其移動(dòng)的理論距離，如輸入4并單擊ok，則彈出一個(gè)界面詢問(wèn)X軸實(shí)際移動(dòng)了多少距離。加工精度保持在0.01 mm可以用百分表進(jìn)行校核，校核X軸的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，圖6（a）為整個(gè)校核裝置；圖6（b）為校核時(shí)百分表所處的初始位置，其數(shù)據(jù)為a = 1.00 mm；圖6 （c）為輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后得到的數(shù)據(jù)b = 4.99 mm。

圖6　校核X軸的實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試數(shù)據(jù)

在X軸的實(shí)際移動(dòng)距離對(duì)話框中輸入X軸的實(shí)際移動(dòng)距離b - a = 3.99 mm，之后彈出X軸移動(dòng)單位長(zhǎng)度步進(jìn)電機(jī)所需實(shí)際脈沖數(shù)的對(duì)話框，X軸移動(dòng)一個(gè)單位（1 mm），要向步進(jìn)電機(jī)發(fā)射641.601個(gè)脈沖（此數(shù)據(jù)是Mach3軟件根據(jù)X軸的實(shí)際移動(dòng)距離與理論要求距離之差自動(dòng)計(jì)算的脈沖數(shù)），輸入數(shù)據(jù)并點(diǎn)擊“是”，該數(shù)據(jù)就自動(dòng)替代初調(diào)試時(shí)輸入的X軸步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)，輸入完成后彈出X軸已經(jīng)校核完成的對(duì)話框，點(diǎn)擊確定完成X軸的校核。其他軸的設(shè)置和校核可參考調(diào)試X軸的方法，對(duì)于要求更高的加工精度，可利用激光干涉儀通過(guò)類(lèi)似方法進(jìn)行校核。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文為教學(xué)型搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床搭建了控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)搖籃式五軸數(shù)控機(jī)床的基本運(yùn)動(dòng)，能夠加工尼龍、硬橡膠等材料。對(duì)于一些較復(fù)雜的零件，可以通過(guò)CAD/CAM軟件進(jìn)行建模處理生成刀路軌跡，并導(dǎo)入到Mach3控制軟件中進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

［1］王楠.淺析數(shù)控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2008 （4）：120-121.

［2］李秀霞.基于Mach3控制系統(tǒng)的五軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].上海：上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2014.

［3］羅奇亮.數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］李文星，郭貴中.經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（1）：124-126.

［5］李榮泳.基于Mach3軟件的經(jīng)濟(jì)型五軸雕刻機(jī)開(kāi)發(fā)[D].東莞：東莞理工學(xué)院，2011.

［6］王黨利，寧生科，馬保吉.基于MACH數(shù)控軟件的三維雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2010（8）：27-30.

［7］龔志遠(yuǎn).小型CNC雕刻機(jī)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（2）：100-102.

［8］楊玥.主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與主軸電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械與電氣，2008（3）：37-38.

［9］MURAI Y，OHASHI K，HOSONO I.New PWM method for fully digitized inverters [J].IEEE Transactions on Industry Applications，1987，23（5）：887-893.

［10］全榮.五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

Design on teaching model of five Axis NC Machine tool control system based on Mach3

WANG Kuan，ZHAO Wei，ZHANG Xiang-yu
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222 ,China）

Abstract：In the existing teaching type of five axis NC machine tools，the master-slave control system with PC as upper computer and Mach3 as slave computer is built.The system has five sets of step into motor and its driver as feed drive module，with DC power supply as power module and auxiliary module composed of micro switches and other electronic components constitute open loop NC system，the Mach3 control software to debug the whole system.The control system of the corresponding collocation teaching type of five axis NC machine tools can be used in the research of higher colleges and five axis operation training.

Key words：Mach3；five motion axes；stepper；NC machine tool；PWM control

作者簡(jiǎn)介：王寬（1989—），男，碩士研究生；趙?。?976—），女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造.

基金項(xiàng)目：天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（TD12-5043）.

收稿日期：2015-10-12

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095－0926（2016）01－0037－04