基于MACH3的教學(xué)型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

曹川川　郭鵬遠(yuǎn)　楊大奎

摘 要：為降低中小型企業(yè)和學(xué)校五軸數(shù)控機(jī)床的成本，促進(jìn)五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用人才的培養(yǎng)，設(shè)計了一臺基于UG的教學(xué)五軸聯(lián)動數(shù)控銑床。電氣控制系統(tǒng)采用MACH3運動控制卡為核心，進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)、主軸系統(tǒng)采用變頻器，基于電氣參數(shù)對系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)調(diào)試包括對系統(tǒng)軟件、變頻器的調(diào)試和軟件界面開發(fā)、編寫程序試運行等。

關(guān)鍵詞：MACH3;教學(xué);五軸;銑床

中圖分類號：TP-319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The purpose of this paper is to reduce the cost of small and medium-sized enterprises and school five-axis CNC machine tools， and promote the training of five-axis CNC technology application talents. Designed a UG-based teaching five-axis linkage CNC milling machine. The electrical control system adopts MACH3 motion control card as the core， the feed system adopts stepping motor and the spindle system adopts frequency converter， and the system circuit is designed based on electrical parameters. System debugging includes debugging of system software， frequency converter and software interface development， writing program test run， etc.

Keywords： MACH3; teaching; five axes; milling machine

0 引言

為降低中小企業(yè)和學(xué)校五軸數(shù)控機(jī)床的成本，推動五軸數(shù)控技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，開發(fā)了一種教學(xué)五軸聯(lián)動數(shù)控銑床[1]，實物如圖1所示。采用MACH3運動控制卡+平板電腦為控制主體，模塊化搭建雙回轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的硬件結(jié)構(gòu)。 通過我們的努力，將大型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床微型化后搬進(jìn)實驗室或車間，讓更多學(xué)員更好地掌握五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的加工原理與機(jī)床結(jié)構(gòu)，方便于教員教學(xué)和科研。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

五軸聯(lián)動數(shù)控銑床控制原理為用USB將PC與MACH3連接起來，實現(xiàn)PC對MACH3的雙向通信及控制，MACH3進(jìn)而控制步進(jìn)驅(qū)動器與主軸變頻器，X、Y、Z、A和C五個運動軸的運動由步進(jìn)驅(qū)動器來控制[2]，從而實現(xiàn)了工件五個方位的運動，通過主軸變頻器控制主軸的起轉(zhuǎn)停及轉(zhuǎn)速由此實現(xiàn)主軸運動控制?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1 MACH3運動控制卡

MACH3由美國公司制造，性能強大，是目前市面上雕刻機(jī)、微型多軸機(jī)床的主要控制卡。此型號MACH3有15個信號輸入端，這些信號輸入端可以接急停開關(guān) 、限位開關(guān)、原點開關(guān)等一些輔助信號元件，還有8個公共輸出端，這些輸出端口可以接繼電器，繼而控制一些報警燈、報警器等。MACH3控制器實物、接線圖如圖3、圖4所示。

1.2 進(jìn)給系統(tǒng)控制——步進(jìn)電機(jī)

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到脈沖信號時，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)在設(shè)定方向上旋轉(zhuǎn)固定角度（稱為“步進(jìn)角”）[3]。步進(jìn)電機(jī)+步進(jìn)驅(qū)動器實物如圖5所示。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖數(shù)來控制角位移，以實現(xiàn)精確定位;同時，通過控制脈沖頻率可以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速和定位的目的[4]。輸入輸出接線圖如圖6、圖7所示。

1.3 主軸系統(tǒng)控制——變頻器+主軸電動機(jī)

變頻器（如圖8）是通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備[5]。我們選用15 kW的風(fēng)冷主軸電機(jī)，型號為TDK80-1.5F-24K，接線圖如圖9所示。

2 MACH3軟件系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試與設(shè)計一樣可以分為多個部分，將調(diào)試步驟分為以下幾部分：端口針腳調(diào)試、電機(jī)調(diào)試、變頻器調(diào)試。

2.1 電機(jī)輸出

這個選項里用來控制電機(jī)方向的，當(dāng)電機(jī)實際轉(zhuǎn)向與我們定義的不相同時，可以對相應(yīng)軸的第五列對錯更改就可以了，注意最后的Spindle為主軸控制（如圖10）。

2.2 輸入信號

輸入信號選項包含的內(nèi)容比較多，包括限位開關(guān)、原點開關(guān)、對刀儀和急停的定義和使能。在添加外部按鈕時還要調(diào)相應(yīng)功能的OEM代碼。

板子輸入端口從In1～I(xiàn)n16，這里填的就是對應(yīng)的端口，比如限位開關(guān)接到In2，那么這里就填2。手輪上的急停開關(guān)為輸入端口In17，所以填17。OEM Trig#1表示OEM1號代碼，外加按鈕開關(guān)時用。急停開關(guān)接在In14，開始開關(guān)接在In11，復(fù)位開關(guān)接在In12，所以對應(yīng)OEM Trig#1～3的Pin Number填14、11、12（如圖11）。

2.3 輸出信號

板子輸入端口從O9～O16，這里填的就是對應(yīng)的端口，比如繼電器接到O9，那么這里就填9。16、15對應(yīng)主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出，9～12為4個輸出繼電器（如圖12）。

2.4 編碼器/電子手輪

由于MACH3在設(shè)計時就給手輪留有15并口的插口，所以直接插接上就可以了。但在軟件中還是要設(shè)置的，只需打開MPG#1就可以了，其他不改（如圖13）。

2.5 主軸設(shè)置

設(shè)計時將O16和O15設(shè)置為主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)，O16有對應(yīng)Output#1，O15對應(yīng)Output#2此選項中繼電器控制框中順時針應(yīng)填輸出#1，逆時針填輸出#2（如圖14）。

3 結(jié)論

本文對已開發(fā)的教學(xué)型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床樣機(jī)進(jìn)行配電，電氣控制系統(tǒng)采用MACH3運動控制卡為核心，進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)、主軸系統(tǒng)采用變頻器，基于電氣參數(shù)對系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)調(diào)試包括對系統(tǒng)軟件、變頻器的調(diào)試和軟件界面開發(fā)、編寫程序試運行等。

教學(xué)經(jīng)濟(jì)型五軸聯(lián)動數(shù)控銑床擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，兩項實用新型專利、一項發(fā)明專利;學(xué)生創(chuàng)辦重慶志飛智能科技有限責(zé)任公司，取得重慶市璧山區(qū)第二屆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽三等獎1項。

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