基于MACH3的數(shù)控銑實訓(xùn)臺研究

王景輝 楊配輕 李文濤

摘 要：以數(shù)控雕刻機為基礎(chǔ)構(gòu)建的數(shù)控操作平臺，通過MACH3數(shù)控軟件進行編程控制，使用USB端口作為CNC設(shè)備的輸入與輸出，輸出脈沖與方向信號，控制步進電機或伺服電機驅(qū)動器，從而實現(xiàn)控制數(shù)控機床。此臺架結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便且成本較低，滿足小型客戶和教學(xué)使用的要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)控雕刻機；MACH3數(shù)控軟件；CNC設(shè)備

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.005

近年來制造業(yè)飛速發(fā)展，社會對裝備制造專業(yè)的人才需求比較多，而數(shù)控技術(shù)作為裝備制造的一門課程，發(fā)揮著越來越重要的作用，對數(shù)控技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的人才需求越來越多，因此學(xué)好數(shù)控專業(yè)的相關(guān)知識發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，我國數(shù)控機床采用的系統(tǒng)有日本的發(fā)那科、三菱、華中數(shù)控、德國的西門子等。而對于數(shù)控機床，無論是國產(chǎn)的還是國外系統(tǒng)的，設(shè)備成本都比較高，體積較大，場地占用大，運行維護也不方便。為此，本文就開發(fā)了一種基于MACH3軟件的數(shù)控銑實訓(xùn)臺架。此臺架結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便且成本較低，適合相關(guān)設(shè)備拆裝、機床操作、數(shù)控編程等相關(guān)項目的開展實施，滿足了小型客戶和教學(xué)使用的要求。

1 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機架是數(shù)控銑臺架的機械結(jié)構(gòu)部分，而機架對加工過程起重要作用。機架有固定式和移動式，固定式即工作臺移動式龍門機架，除了工件重量以外工作臺重量也非常重，如果長期加工較重的工件，導(dǎo)軌磨損加劇，加工精度會降低。而移動式機架是橫梁移動，工作臺不動，具有非常好的承載能力，導(dǎo)軌磨損小且穩(wěn)定，能保持長久的加工精度，因此采用移動橫梁式的龍門機架。主軸架橫向移動，完成寬度（X方向）的切削，主軸架上下運動，完成深度（Z方向）的切削，橫梁縱向移動，完成長度（Y方向）的切削。

主軸部分采用220V水冷高速電主軸，軸端裝有鉆夾頭用來裝夾刀具，傳動部分采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)各個方向的銑削加工，并用直線導(dǎo)軌實現(xiàn)導(dǎo)向。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制方式分析

本數(shù)控銑實訓(xùn)臺架控制系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)控裝置、主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng)。

根據(jù)有無反饋裝置，數(shù)控系統(tǒng)分成閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)帶有位置檢測裝置，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差，具有最高的位置控制精度，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和調(diào)試?yán)щy，且價格昂貴；半閉環(huán)控制系統(tǒng)位置檢測裝置安裝的伺服電機或絲杠的端部，不包括或只包括少量的機械傳動環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性比較好，但精度較閉環(huán)控制系統(tǒng)差，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，價格稍低；而開環(huán)控制系統(tǒng)無位置反饋裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高，驅(qū)動力矩不大的場合得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)備用于教學(xué)演示及程序驗證，對加工精度及切削力矩要求不高，為此采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

數(shù)控機床的核心部分：數(shù)控裝置。數(shù)控裝置：對零件圖樣和工藝要求進行數(shù)字化信息處理，建立數(shù)學(xué)模型進行插補計算，根據(jù)計算結(jié)果對機床進行控制，完成零件的加工。本文中采用PC機加MACH3軟件模擬運動控制卡作為控制核心。

進給驅(qū)動系統(tǒng)：步進電機及其驅(qū)動器構(gòu)成進給驅(qū)動系統(tǒng)。數(shù)控裝置將插補計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成脈沖信號和方向電平輸出給步進電機驅(qū)動器，由驅(qū)動器轉(zhuǎn)化成相電壓控制步進電機運動。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件。本文采用的是57系列步進電機，步距角為1.8°，即控制系統(tǒng)沒發(fā)出1個脈沖信號電機轉(zhuǎn)過的角度為1.8°。控制步進電機的是TB6600驅(qū)動器。

主軸驅(qū)動系統(tǒng)：變頻器及PWM調(diào)速電機構(gòu)成主軸驅(qū)動系統(tǒng)。變頻器接收數(shù)控裝置輸出的0～10V模擬量和方向電平，控制主軸的啟停、轉(zhuǎn)速、方向。電機主軸調(diào)速采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。脈寬調(diào)制信號是數(shù)字信號，通過矩形波的占空比來表示電機實際轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的比值。占空比越大，高電平時間越長，輸出的脈沖幅度越高，電壓越高，占空比為零時，無電壓輸出，因此通過調(diào)節(jié)占空比，來控制電機轉(zhuǎn)速。

電源模板、專用接口板、各軸（X、Y、Z軸）限位開關(guān)、參考點限位開關(guān)、急停開關(guān)、手輪調(diào)速等構(gòu)成了輔助系統(tǒng)。在加工過程中，由PC機加MACH3軟件構(gòu)成的運動控制核對載入的NC程序進行處理，將接收到的數(shù)據(jù)信息傳動到各軸驅(qū)動器，控制各軸的步進電機運動；電源模塊提供整個系統(tǒng)所需要的電源；限位開關(guān)保證整個裝置能在安全范圍內(nèi)運動；機床各軸向的絕對零點坐標(biāo)由參考點限位開關(guān)控制；主軸驅(qū)動系統(tǒng)由電機及PWM調(diào)速電機構(gòu)成，控制主軸的轉(zhuǎn)速。控制系統(tǒng)工作原理由下圖所示：

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

計算機輔助制造UG軟件可以把加工模型模擬成刀具的運動軌跡，生成驅(qū)動數(shù)控機床運動的代碼，將這些代碼導(dǎo)入到MACH3軟件中，MACH3通過輸出端口將代碼和設(shè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)化成控制信號輸給運動控制卡。

MACH3軟件功能強大，利用PC機的運算功能來實現(xiàn)譯碼、插補、補償和控制等功能。它功能強大，應(yīng)用廣泛，界面簡單、信息豐富。目前，軟件成功運用到各數(shù)控系統(tǒng)中，比如雕刻機、銑床、等離子電弧切割機等。MACH3軟件界面如圖所示：

在MACH3中輸入G代碼以及輔助功能M代碼，轉(zhuǎn)化成輸出信號，通過連接在并口輸出腳針的數(shù)據(jù)傳送到機床，控制電機電流接觸器。電機主軸調(diào)速采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。此技術(shù)比較簡單，廣泛應(yīng)用于電機調(diào)速控制領(lǐng)域。電路簡單，只需采用一些脈沖觸發(fā)控制電路和一些晶體管等器件組合便可方便實現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)靈敏，調(diào)速范圍寬，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)，調(diào)速平滑。脈寬調(diào)制信號是數(shù)字信號，通過矩形波的占空比來表示電機實際轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的比值。占空比越大，高電平時間越長，輸出的脈沖幅度越高，電壓越高，占空比為零時，無電壓輸出，因此通過調(diào)節(jié)占空比，來控制電機轉(zhuǎn)速。

刀具磨損或者換刀之后刀尖與電機之間的位置關(guān)系會變化，直接影響工件的加工質(zhì)量，因此在對工件加工之前必須對刀。首先設(shè)置好對刀端口，再點擊軟件界面的“操作”、“編輯按鈕腳本”，此時主界面中對刀按鈕閃動，點擊按鈕彈出代碼編輯區(qū)，對刀時的速度、距離以及運行時的速度應(yīng)根據(jù)實際情況來定。對刀操作時，在材料表面放置對刀塊，點擊“對刀”按鈕，刀頭會慢慢下降，當(dāng)?shù)额^剛剛碰到對刀塊時，Z軸坐標(biāo)會自動清零，刀頭自動上抬到安全位置，對刀完成。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于MACH3數(shù)控銑實訓(xùn)臺架，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，滿足了設(shè)計的要求。操作簡單，維修方便，易于理解和掌握，對加工精度要求不高的工件，能夠達(dá)到所需的效果。此臺架可以開展相應(yīng)的數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)，有很好的使用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Robert Istepanian， James F. Whidborne.Digital Controller Implementation and Fragility：Springer，2006.

[2]李威，王春義，吳志剛，孫浩翔，李祥利.基于MACH3軟件的經(jīng)濟性數(shù)控四軸雕刻機的設(shè)計[J].機械工程與自動化，2016（194）：111-113.

[3]羅奇亮，馬保吉.基于MACH3軟件的經(jīng)濟型三維機械式雕刻機開發(fā)[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（22）：184-186.

[4]王建強.基于MACH3的經(jīng)濟型數(shù)控銑床試驗臺的研發(fā)[J].新技術(shù)新工藝，2012（01）：4-6.

[5]朱曉春.數(shù)控技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018：1-50.

[6]陳勝，章海，李靜敏.雕刻機在CAM實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2009（04）：65-67.

[7]吳一川，張輝，李方等.基于“PC+CPLD”的激光雕刻機教學(xué)實驗平臺設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2015（01）：87-90.