基于MACH3的實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)

胡曉軍 潘智平 袁夏松 汪萌生

摘 要：本文以MACH3為軟件平臺(tái)，運(yùn)用UG軟件設(shè)計(jì)數(shù)控銑床三維模型，并依據(jù)模型完成床身及機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝。通過(guò)硬件電路和MACH3板卡連接上位機(jī)和銑床，實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床的加工。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備可用于數(shù)控技術(shù)、機(jī)床概論、機(jī)械制造工藝學(xué)等課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：MACH3 UG 數(shù)控銑床 實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0108-02

自從數(shù)控技術(shù)引進(jìn)我國(guó)以來(lái)，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化制造業(yè)影響極大，各企業(yè)對(duì)數(shù)控人才的需求也在不斷增加[1]。為滿足企業(yè)對(duì)高水平技術(shù)性人才的需求，國(guó)家也正在號(hào)召各高等院校向應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面轉(zhuǎn)型。對(duì)于機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，不僅需要掌握好理論知識(shí)，掌握先進(jìn)的制造工藝及技術(shù)也十分必要。因數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)各大高校對(duì)數(shù)控設(shè)備的配備較少，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。本實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床造價(jià)較低，功能齊全，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，也可以滿足學(xué)生提高動(dòng)手操作能力的需求。

1 實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)框架

本實(shí)驗(yàn)裝置主要由上位機(jī)、電氣控制柜、銑床主體三大部分組成[2]。其中MACH3軟件安裝在上位機(jī)上，電氣控制器件及MACH3控制板卡安裝于電氣控制柜，機(jī)床傳動(dòng)、執(zhí)行部件及相應(yīng)傳感器安裝于銑床主體。工作過(guò)程中，由上位機(jī)發(fā)送控制指令或G代碼至MACH3控制板卡，控制板卡解讀指令，并發(fā)送執(zhí)行命令至各執(zhí)行部件，在執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各傳感器（如：位置檢測(cè)傳感器、軟限位、硬限位信號(hào)傳感器等）將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給MACH3控制板卡，控制板卡依據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)確定下一步指令的發(fā)送，總體框架圖如圖1所示。

2 數(shù)控銑床模型建立

數(shù)控銑床床體模型主要由床身、X、Y、Z軸傳動(dòng)模塊、主運(yùn)動(dòng)模塊、傳感器模塊構(gòu)成。本文依據(jù)各零部件型號(hào)，用UG軟件設(shè)計(jì)其各零部件三維圖形，并將各零部件裝配成型，如圖2所示。

2.1 X、Y、Z傳動(dòng)模塊

數(shù)控銑床X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)MACH3軟件發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令至MACH3板卡，然后由板卡解析運(yùn)動(dòng)指令后發(fā)送相應(yīng)脈沖至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)某個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。為保證運(yùn)動(dòng)精度，本設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連。X、Y方向工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及Z軸的上下運(yùn)動(dòng)，均由對(duì)應(yīng)絲杠帶動(dòng)其上的滑塊實(shí)現(xiàn)。

2.2 主運(yùn)動(dòng)模塊

由于本設(shè)計(jì)主要用于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅要滿足課堂教學(xué)中理論與實(shí)踐相結(jié)合的特性，還要保證課堂教學(xué)的安全性，故主軸轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高。本文選用可PWM調(diào)速的24V直流電機(jī)，通過(guò)皮帶與主軸部件連接，實(shí)現(xiàn)主軸的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 傳感器模塊

數(shù)控機(jī)床之所以智能，是因?yàn)樗鼡碛小按竽X”“心臟”和“眼睛”，類(lèi)傳感器就是數(shù)控機(jī)床的“眼睛”。其中，位移傳感器可監(jiān)測(cè)，判斷數(shù)控機(jī)床是否運(yùn)動(dòng)到指定位置，若是則停止運(yùn)動(dòng)，若否則發(fā)送偏差信號(hào)至控制模塊，控制模塊分析后發(fā)送下一運(yùn)動(dòng)指令；若機(jī)床觸動(dòng)限位開(kāi)關(guān)，則接觸器被觸發(fā)，機(jī)床該坐標(biāo)軸停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的硬限位。

3 MACH3控制軟件及電路設(shè)計(jì)

3.1 MACH3參數(shù)配置

MACH3是ArtSoft公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，該系統(tǒng)可在Windows平臺(tái)運(yùn)行[3]。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，參數(shù)配置如下。

（1）英聯(lián)邦國(guó)家所用度量單位一般為英寸，而我國(guó)度量單位采用國(guó)際單位，在機(jī)械行業(yè)多采用“mm”為單位?？赏ㄟ^(guò)軟件菜單欄中公英制選擇設(shè)置。

（2）MACH3軟件和板卡通信主要依靠USB或并口實(shí)現(xiàn)，因此需要正確設(shè)置端口地址和內(nèi)核速度。

（3）電機(jī)輸出端口主要設(shè)置X、Y、Z各軸電機(jī)的使能信號(hào)和方向信號(hào)。

（4）輸入信號(hào)主要設(shè)置X、Y、Z各軸位置信號(hào)、限位信號(hào)，信號(hào)設(shè)置為低電平有效。

（5）輸出信號(hào)主要設(shè)置主軸正反轉(zhuǎn)信號(hào)和冷卻噴霧。

（6）電機(jī)調(diào)試是設(shè)置是保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的重要環(huán)節(jié)，主要設(shè)置脈沖當(dāng)量、速度、加速度、步進(jìn)脈沖和方向脈沖等參數(shù)。其中脈沖當(dāng)量設(shè)置主要取決于伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)、驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)和絲杠導(dǎo)程；速度和加速度設(shè)置主要取決于所選電機(jī)性能，加速度一般為速度的一半。具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)裝置控制電路主要包括電源上電、急停、復(fù)位、主軸正反轉(zhuǎn)、各軸限位開(kāi)關(guān)各、軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指示燈、位置開(kāi)關(guān)等。其中，X、Y、Z軸正負(fù)方向行程開(kāi)關(guān)和急停開(kāi)關(guān)串聯(lián)在主電路中，復(fù)位開(kāi)關(guān)與上述電路并聯(lián)；各軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指示燈一端接入主電路另一端接入控制板卡相應(yīng)引腳；主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制及自鎖互鎖電路較常見(jiàn)，在此不再敘述。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床基本功能，能夠正確運(yùn)行G代碼，加工蠟?zāi)?、尼龍等硬度較低零件輪廓外形。該數(shù)控銑床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制電路及傳感器設(shè)置滿足使用要求，同時(shí)也便于觀察，用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)演示，可調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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